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14.6: Tendencias modernas de las enfermedades - Biología

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Figura ( PageIndex {1} ). Caminos de cuatro enfermedades. El eje vertical muestra casos en miles.

Muchas enfermedades ordinarias han sido sometidas desde la última mitad del siglo XX, algunas hasta el punto de extinguirse del mundo natural. La viruela y la peste bovina han desaparecido, y la poliomielitis casi desapareció. Mientras escribimos esto (2016-17), los trabajadores de la poliomielitis están anticipando su extinción en un futuro previsible. La difteria está en un camino similar (Figura ( PageIndex {1} )), sin ningún caso en los Estados Unidos durante el siglo XX.

Enfermedades como la tos ferina y el sarampión (Figura ( PageIndex {1} )) se han atenuado pero permanecen con nosotros, con algunos ciclos a través de brotes periódicos. Se están reduciendo las tasas de muchas enfermedades comunes y las enfermedades infecciosas ya no son la principal causa de muerte en las poblaciones humanas.

Sin embargo, las tasas de diversas enfermedades de transmisión sexual están en un curso diferente (Figura ( PageIndex {2} )). Las tasas de gonorrea han disminuido pero se mantienen considerablemente por encima de cero, y es una enfermedad comúnmente reportada en los Estados Unidos. La aparición de la sífilis parece ser cíclica, ya que las tasas habían disminuido pero ahora están aumentando nuevamente. Las tasas de clamidia, que pueden conducir a resultados graves, incluida la infertilidad en las mujeres, han aumentado de manera constante, sin un final a la vista, y las tasas de herpes genital y otras enfermedades de transmisión sexual están aumentando de manera similar. Las enfermedades de transmisión sexual son un problema destacado que debe resolverse en el siglo XX.

Figura ( PageIndex {2} ). Enfermedades de transmisión sexual en los EE. UU. El eje vertical muestra la tasa por cada 100.000 habitantes.


Vacunas, nuevas oportunidades para una nueva sociedad

La vacunación es la intervención médica más eficaz jamás introducida y, junto con el agua potable y el saneamiento, ha eliminado una gran parte de las enfermedades infecciosas que alguna vez mataron a millones de personas. Un estudio reciente concluyó que desde 1924 solo en los Estados Unidos, las vacunas han prevenido 40 millones de casos de difteria, 35 millones de casos de sarampión y un total de 103 millones de casos de enfermedades infantiles. Un informe de la Organización Mundial de la Salud afirma que hoy en día las vacunas previenen 2,5 millones de muertes por año: cada minuto, las vacunas salvan cinco vidas en todo el mundo. En general, las vacunas han hecho y continúan haciendo un excelente trabajo para eliminar o reducir el impacto de las enfermedades infantiles. Además, gracias a las nuevas tecnologías, las vacunas tienen ahora el potencial de hacer una enorme contribución a la salud de la sociedad moderna al prevenir y tratar no solo las enfermedades transmisibles en todas las edades, sino también las enfermedades no transmisibles como el cáncer y los trastornos neurodegenerativos. El logro de estos resultados requiere el desarrollo de nuevas tecnologías y modelos económicos de la salud capaces de capturar no solo el mero costo-beneficio de la vacunación, sino también el valor de la salud en sí.

Palabras clave: coadyuvantes rentabilidad inmunoterapia esperanza de vida vacunación inversa.

Declaracion de conflicto de interes

Declaración de conflicto de intereses: todos los autores son empleados a tiempo completo de Novartis Vaccines.


Fondo

Los eventos de duplicación del genoma completo, o poliploidización, se han producido repetidamente a lo largo de la historia evolutiva de las plantas con flores [1, 2]. Muchas especies actualmente cultivadas son poliploides recientes, formados mediante hibridación interespecífica (alopoliploides, como trigo, avena, canola, maní y algodón) o hibridación intraespecífica (autopoliploides, como manzana, fresa, sandía y alfalfa). [2]. Además, los homoeólogos en especies poliploides más antiguas, como el maíz (11-15 millones de años desde la poliploidización) [3] han tenido más tiempo para divergir a través de deleciones, pérdida de función, neofuncionalización y procesos de subfuncionalización (generalmente referidos como diploidización). Estos procesos confieren a las especies poliploides una mayor plasticidad evolutiva, que promueve la especiación y la adaptación a nuevos entornos y contribuye al gran éxito de la poliploidía en la evolución de las plantas [2, 4]. Cuando los procesos de diploidización continúan durante largos períodos de tiempo, conducen a la formación de paleo -Especies poliploides (por ejemplo, arroz), que son difíciles de diferenciar de las verdaderas especies diploides. Sin embargo, los estudios genómicos han proporcionado evidencia convincente de eventos antiguos de duplicación del genoma completo en los linajes tempranos de monocotiledóneas y dicotiledóneas, lo que sugiere que la poliploidía fue parte de la evolución de la mayoría de las angiospermas actuales [5, 6].

Trigo (Triticum spp.) fue domesticado en los albores de la agricultura hace aproximadamente 10.000 años y desde entonces se ha adaptado para crecer en una amplia gama de climas en todo el mundo [4]. La mayoría de las variedades de trigo cultivadas pertenecen a dos especies tetraploides Triticum turgidum L. (trigo duro o para pasta, genomas AABB) y hexaploide T. aestivum L. (trigo blando, genomas AABBDD). El genoma tetraploide del trigo se originó a partir de un evento de hibridación interespecífica que ocurrió hace menos de 0,5 millones de años, que combinó el genoma AA de T. urartu Tumanian ex Gandilyan y el genoma BB de una especie de gramínea desconocida relacionada con Aegilops speltoides Tausch [7-9]. Trigo común, T. aestivum , evolucionó a partir de una segunda ronda de hibridación interespecífica y duplicación del genoma que se produjo poco después de la domesticación y combinó los genomas tetraploides AABB de cultivos T. turgidum y el genoma DD de la hierba salvaje Aegilops tauschii (Coss.) Schmalh [4].

Los progenitores diploides de especies de trigo poliploides divergieron de un ancestro común hace sólo 2,5-4,5 millones de años [10], lo que se refleja en una identidad media alta (aproximadamente 97%) entre las regiones codificantes de diferentes homoeólogos de trigo. Sin embargo, este promedio varía mucho entre las clases de genes que están sujetos a diferentes presiones evolutivas [11]. Por ejemplo, se sabe que los eventos de conversión (cruzamiento desigual entre parálogos duplicados en tándem) y la diversificación de los procesos de selección aceleran la tasa de divergencia entre los miembros de la familia de genes de resistencia a enfermedades [12-14].

Las regiones intergénicas del trigo divergen incluso más rápido que las familias de genes que evolucionan rápidamente debido a los altos niveles de metilación y al aumento de las tasas de inserciones y deleciones, que se asocian con la abundancia de elementos repetitivos en estas regiones [15]. Estos cambios rápidos en las regiones intergénicas pueden afectar a los genes vecinos y dar lugar a tasas rápidas de inserción, deleción y transposición de genes [16]. Los efectos potencialmente negativos asociados con las deleciones de genes son amortiguados por la poliploidía [17-20]. fragmentos de genes por retroelementos adyacentes da como resultado una mayor proliferación de pseudogenes en el poliploide grande Triticeae genomas en comparación con otras especies de gramíneas con genomas más pequeños [19, 21]. Además, el aumento de la divergencia de variantes de empalme alternativo entre los progenitores diploides diversifica aún más la estructura genética de los homoeólogos (y potencialmente su función) en las especies de trigo poliploide [21]. La naturaleza dinámica de estos genomas grandes debe tenerse en cuenta en el desarrollo de estrategias para caracterizar el complemento de genes del trigo.

En especies con genomas grandes, de novo Los ensamblajes de transcriptomas son una estrategia eficaz para acceder al espacio genético evitando al mismo tiempo las regiones intergénicas altamente repetitivas. En el trigo, por ejemplo, las regiones codificadoras de genes transcritas representan sólo del 1% al 2% del genoma total [22]. Rápido crecimiento en el rendimiento, la calidad y la accesibilidad de las tecnologías de secuenciación de próxima generación, junto con mejoras en de novo Los algoritmos de ensamblaje de transcriptomas han fomentado una multitud de proyectos de secuenciación de transcriptomas. Con un mayor acceso a la secuenciación de próxima generación, muchas plantas de novo Se han publicado ensamblajes de transcriptomas y se han propuesto varios algoritmos de ensamblaje diferentes [23-25]. Sin embargo, los desafíos específicos de de novo El ensamblaje del transcriptoma de una especie poliploide joven, como el trigo tetraploide, apenas está comenzando a ser abordado [26, 27]. De particular importancia es la correcta separación de homoeólogos cercanos, ya que existen ejemplos conocidos de diferentes homoeólogos que contribuyen de manera diferente a importantes rasgos agronómicos (por ejemplo, trigo VRN1 homeólogos [28]). La separación correcta de los homoeólogos también es importante para las aplicaciones de reproducción, el desarrollo de marcadores y los análisis genómicos posteriores.

Tres estudios recientes de transcriptomas de trigo hexaploides [27, 29, 30] destacan las dificultades de ensamblar homoeólogos estrechamente relacionados en una especie poliploide. Schreiber et al. (2012) observaron que la mayoría de los homoeólogos se colapsaron en contigs quiméricos cuando se ensamblaron transcriptomas de trigo hexaploides usando Velvet / Oases (60% a 80% de secuencias quiméricas) o Trinity (50% de secuencias quiméricas). Un ensamblaje de dos etapas computacionalmente intensivo utilizando el ensamblador MIRA ayudó a reducir el número de secuencias homoeologicas quiméricas al 18%, resolviendo así parcialmente el problema poliploide en el paso de ensamblaje [27]. Una estrategia alternativa fue utilizada por The International Wheat Genome Sequencing Consorcio (IWGSC): se generaron contigs específicos del genoma de trigo hexaploide clasificando los brazos de cromosomas individuales usando citometría de flujo y secuenciando y ensamblando cada uno de ellos por separado [21, 31, 32].

En este artículo, presentamos un pipeline de abioinformática que aborda los desafíos de de novo ensamblaje del transcriptoma de los genomas estrechamente relacionados del trigo tetraploide. Usando esta tubería, ensamblamos, anotamos y analizamos el transcriptoma de T. turgidum CV. Kronos y de su pariente diploide más cercano T. urartuEste transcriptoma de trigo diploide junto con un conjunto de datos de referencia de 13,472 ADNc de trigo de longitud completa se utilizaron para evaluar el efecto de diferentes parámetros en la calidad del ensamblaje de trigo tetraploide. subconjuntos específicos. Finalmente, utilizamos enfoques de genómica comparativa para anotar marcos de lectura abiertos y proteínas predichas, predecir pseudogenes y transcripciones fusionadas artificialmente y generar modelos de genes para aumentar el valor de este recurso.


Diversificación del sector: el impacto de la biorrevolución se extiende mucho más allá de la atención médica

Las tecnologías que sustentan la revolución de la biología están conectadas y refuerzan los avances en campos interdisciplinarios. Hemos identificado cuatro sectores clave de BioRevolución, cada uno de los cuales incluye múltiples subsectores de impacto.

Salud humana - Las revoluciones de la genética y la biotecnología se asocian con mayor frecuencia con la atención de la salud porque muchas de las aplicaciones preliminares de más alto perfil están relacionadas con la atención de la salud. La cantidad y la calidad de estas aplicaciones aumentará significativamente a medida que nuestros sistemas de atención médica pasen de la medicina generalizada basada en promedios poblacionales a la atención médica personalizada o de precisión basada en la biología individual de cada persona. Cuando la cantidad de datos recopilados sobre el genoma humano alcance una masa crítica, nuestro sistema pasará a un sistema de atención médica predictivo y preventivo que nos ayudará a vivir vidas más saludables y más largas.

Aunque el cuidado de la salud es el mercado más maduro hasta la fecha, esperamos que otros sectores se pongan al día.

Agricultura y alimentos - Las tecnologías potenciarán el proceso de cría selectiva para lograr en meses o algunos años lo que anteriormente podría haber llevado siglos o milenios. La resistencia a las plagas, el rendimiento y la variedad se pueden mejorar significativamente para los cultivos básicos, que también se pueden diseñar para aumentar significativamente la fotosíntesis y frenar el cambio climático. Los animales domesticados pueden diseñarse para aumentar la resistencia a las enfermedades, la productividad y la calidad del producto a través de la cría selectiva asistida por marcadores que apuntan a resultados específicos deseados.

Materiales Químicos y amp Energy - El abastecimiento de insumos industriales para la fabricación es otra área lista para la transformación. A medida que la población humana crezca hasta llegar a unos 10 mil millones de personas a mediados de siglo, los modelos actuales de extracción de recursos no serán sostenibles. Sin embargo, las herramientas de las revoluciones de la genética y la biotecnología están haciendo posible la creación de materiales a escala manipulando el código genético en lugar de extraerlos de la naturaleza. En lugar de fabricar plástico a partir del petróleo y fragancias a partir de flores, por ejemplo, podemos producir tanto mediante la ingeniería genética de levaduras como de otros microbios.

Máquinas biológicas e interfaces de amplificador - La conexión y la comunicación entre la biología de los seres humanos y las computadoras, incluido el uso de ADN para la computación y el almacenamiento, está aumentando el potencial para extraer, almacenar y procesar datos de individuos.

Actualmente, WTDNA tiene aproximadamente el 80% de su peso en el sector de la salud humana. Con el tiempo, esperamos que la maduración de la agricultura y los alimentos, así como los materiales, los productos químicos y la energía, impulse su mayor representación en el WTDNA.


Métodos

Los datos de enfermedades transmitidas por vectores de NNDSS se obtuvieron de 2004, el primer año en que las enfermedades virales (arbovirales) neuroinvasivas y no neuroinvasivas transmitidas por artrópodos se notificaron a nivel nacional, hasta 2016, el año más reciente para el que se dispone de datos completos (https: //wwwn.cdc. gov / nndss / conditions / notificable). Los datos se tabularon por enfermedad, tipo de vector (es decir, mosquito, garrapata o pulga), estado o territorio de residencia y año. Los departamentos de salud estatales informan casos de enfermedades humanas utilizando definiciones de casos de vigilancia estándar que incluyen criterios clínicos y de laboratorio. Para algunas enfermedades, los datos notificados de acuerdo con las definiciones del Consejo de Epidemiólogos Estatales y Territoriales como confirmados o probables se han combinado, los casos autóctonos y asociados a viajes se han analizado juntos por estado o territorio en el que se encontraron.

Virus Chikungunya, virus Zika y Babesia los casos pasaron a ser notificables después de 2004, solo se presentan los datos del NNDSS. Aunque el dengue se convirtió en notificable a nivel nacional solo en 2010, los datos nacionales anteriores estaban disponibles en la División de Dengue de los CDC y rsquos y se incluyen en este análisis.


Conciencia situacional

La conciencia situacional & # x02014 en el contexto de la preparación para una pandemia & # x02014 puede definirse como tener una visión precisa y actualizada de las amenazas de enfermedades infecciosas potenciales o en curso (incluso a través de la vigilancia tradicional en humanos y animales) y los recursos (humanos, financieros, informativos). , e institucional) disponibles para manejar esas amenazas (ASPR 2014). La conciencia de la situación es una actividad crucial en todas las etapas de una pandemia, incluidos los períodos de prepandemia, chispa y propagación. Requiere el apoyo de recursos de atención médica (como hospitales, médicos y enfermeras), infraestructura de diagnóstico y sistemas de comunicaciones. También requiere que la población tenga acceso y confianza en el sistema de salud.

La conciencia situacional respalda las decisiones de política al rastrear si se está produciendo la transmisión de enfermedades y dónde, detectando los métodos más efectivos para reducir la transmisibilidad y decidiendo dónde asignar los recursos. Durante una pandemia, el conocimiento de la situación permite monitorear para comprender el curso que está tomando una pandemia y si las medidas de intervención son efectivas.

La capacidad de detectar la presencia de una pandemia requiere que el personal sanitario reconozca la enfermedad y tenga la capacidad técnica y de laboratorio para identificar el patógeno (o descartar patógenos conocidos) y responder a las oleadas de muestras clínicas de manera oportuna. La identificación rápida reduce el riesgo al permitir aislar a las personas infectadas y recibir la atención clínica adecuada. Durante la pandemia de SARS de 2003, una demora de una semana en la aplicación de las medidas de control puede haber casi triplicado el tamaño del brote y aumentado su duración en cuatro semanas (Wallinga y Teunis 2004).

Las enfermedades infecciosas endémicas pueden afectar la detección de una pandemia al complicar el diagnóstico diferencial y la identificación rápida de los casos pandémicos. La superposición de síntomas entre patógenos endémicos y emergentes & # x02014 por ejemplo, entre el dengue y el Zika o entre la malaria y el Ébola & # x02014 ha obstaculizado la identificación temprana de casos (de Wit y otros 2016 Wagoner y Pinsky 2016). Esta dificultad sugiere un papel para la inversión en el desarrollo y despliegue de pruebas de diagnóstico rápido en regiones con una alta carga de patógenos endémicos y un alto riesgo de aparición o importación de enfermedades (Yamey y otros 2017). En el recuadro 17.2 se describen las limitaciones adicionales que afectan la conciencia situacional sobre epidemias y pandemias en los países de ingresos bajos y medianos.

Recuadro 17.2

Limitaciones de la conciencia situacional en los países de ingresos bajos y medios.


5. Un aumento en la evaluación, el diagnóstico y el tratamiento digitales de los pacientes

La transformación y evolución del aspecto digital de las empresas ha existido durante siglos. Todos estos han establecido un mejor acceso para los consumidores y más estrategias de marketing mejoradas para las corporaciones. En 2021, definitivamente habrá un aumento en el aspecto de digitalización de la biotecnología a través de la posibilidad de evaluación, diagnóstico y tratamiento en línea y a distancia de pacientes en todo el mundo.

Hasta la fecha, hay numerosos médicos y profesionales de la salud que están acreditados para continuar su práctica en línea. Con empresas como Virtual Health que proporcionan asistentes de dispositivos inalámbricos, los diagnósticos virtuales son posibles. Algunos médicos generales pueden incluso recetar medicamentos a través de sus clínicas virtuales con acceso a su base de datos en línea a través de LiveHealth Online o Teladoc. La telepráctica es ahora una tendencia creciente y en desarrollo en el mundo de la biotecnología.


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Iremos a la guerra con los deepfakes

Una carrera armamentista enfrentará a las IA entre sí para descubrir qué es real y qué no.

Los videos de deepfake se han disparado en línea durante los últimos dos años. Es donde se usa la inteligencia artificial (IA) para intercambiar la imagen de una persona en una foto o video, por la de otra.

Deeptrace, una compañía creada para combatir esto, dice que en solo los ocho meses entre abril y diciembre de 2019, los deepfakes se dispararon en un 70 por ciento a 17,000.

La mayoría de los deepfakes, alrededor del 96 por ciento, son pornografía. Aquí, el rostro de una celebridad reemplaza al original. En su informe de 2019, El estado de los deepfakes, Deeptrace dice que los cuatro principales sitios dedicados de pornografía deepfake generaron 134,364,438 visitas.

Hace tan solo cinco años, la manipulación de video realista requería un software costoso y mucha habilidad, por lo que era principalmente el dominio exclusivo de los estudios cinematográficos. Ahora, los algoritmos de IA disponibles gratuitamente, que han aprendido a crear falsificaciones muy realistas, pueden hacer todo el trabajo técnico. Todo lo que se necesita es una computadora portátil con una unidad de procesamiento de gráficos (GPU).

La IA detrás de las falsificaciones también se ha vuelto más sofisticada. “La tecnología es mucho mejor que el año pasado”, dice la profesora asociada Luisa Verdoliva, parte del Grupo de Investigación de Procesamiento de Imágenes de la Universidad de Nápoles en Italia. "Si miras videos deepfake de YouTube de este año en comparación con el año pasado, son mucho mejores".

Ahora hay grandes esfuerzos dentro de las universidades y las empresas emergentes para combatir los deepfakes perfeccionando los sistemas de detección basados ​​en IA y convirtiendo la IA en sí misma. En septiembre de 2019, Facebook, Microsoft, la Universidad de Oxford y varias otras universidades se unieron para lanzar el Deepfake Detection Challenge con el objetivo de impulsar la investigación. Reunieron un gran recurso de videos deepfake para que los investigadores puedan enfrentar sus sistemas de detección. Facebook incluso invirtió $ 10 millones en premios y premios.

Verdoliva es parte del panel asesor del desafío y está haciendo su propia investigación de detección. Su enfoque es utilizar la inteligencia artificial para detectar signos reveladores, imperceptibles para el ojo humano, en los que se han entrometido las imágenes.

Cada cámara, incluidos los teléfonos inteligentes, deja patrones invisibles en los píxeles cuando procesa una foto. Los diferentes modelos dejan diferentes patrones. "Si una foto se manipula mediante el aprendizaje profundo, la imagen no comparte estas características", dice Verdoliva. Entonces, cuando estas marcas invisibles se hayan desvanecido, es probable que sea un deepfake.

Otros investigadores están utilizando diferentes técnicas de detección y, si bien muchos de ellos pueden detectar deepfakes generados de manera similar a los de sus datos de entrenamiento, el verdadero desafío es desarrollar un sistema de detección sigiloso que pueda detectar deepfakes creados utilizando técnicas completamente diferentes.

La medida en que los deepfakes se infiltrarán en nuestras vidas en los próximos años dependerá de cómo se desarrolle esta carrera armamentista de IA. En este momento, los detectores se están poniendo al día.

Las interfaces cerebro-máquina cambiarán la forma en que trabajamos (y caminamos)

Los exoesqueletos ayudarán a los paralizados a caminar de nuevo y mantendrán a los trabajadores de la fábrica a salvo.

Parte de la promesa de la tecnología es que nos permitirá superar nuestras capacidades naturales. Una de las áreas donde esa promesa es más evidente son las interfaces cerebro-máquina (BMI), dispositivos, implantados en su cerebro, que detectan y decodifican señales neuronales para controlar computadoras o maquinaria mediante el pensamiento.

Quizás el mejor ejemplo del potencial de los IMC llegó en octubre de 2019 cuando Thibault, paralizado, usó uno para controlar un exoesqueleto que le permitía caminar.

Sin embargo, lo que actualmente está frenando el IMC es la cantidad de electrodos que se pueden implantar de manera segura para detectar la actividad cerebral y que, al ser de metal, los electrodos pueden dañar el tejido cerebral y eventualmente se corroerán y dejarán de funcionar.

Pero en julio pasado, el empresario tecnológico Elon Musk anunció que su empresa, Neuralink, podría proporcionar una solución. Neuralink BMI no solo afirma usar más electrodos, sino que se llevan en "hilos" de polímero flexible que tienen menos probabilidades de causar daños o corrosión.

Pero es difícil saber con certeza qué tan realistas son estas afirmaciones, ya que la empresa se ha mantenido callada sobre la tecnología. Además, aún no se ha probado en humanos.

Incluso sin IMC, los exoesqueletos ya se están utilizando para aumentar las capacidades humanas, particularmente para las personas cuyas capacidades podrían verse limitadas como resultado de una enfermedad o lesión.

En Hobbs Rehabilitation en Winchester, el fisioterapeuta especialista Louis Martinelli usa un exoesqueleto que se sujeta a la espalda, las caderas, las piernas y los pies del paciente para ayudarlo a pararse y caminar.

“Si el paciente ha tenido una lesión de la médula espinal muy grave, esta es la única forma de levantarlo y cruzar la habitación lo suficiente”, dice. "Se ha demostrado que es realmente beneficioso, especialmente para el control de la presión arterial, ya que reduce el riesgo de enfermedades vasculares y la función de la vejiga y los intestinos".

Con el exoesqueleto, solo se necesitan uno o dos fisioterapeutas para ayudar al paciente en lugar de un equipo de cuatro o más. Pero también le permite al paciente lograr mucho más, dando varios cientos de pasos durante una sesión en lugar de los 10-20 con la terapia convencional. Hay aplicaciones potenciales en otros lugares: los exoesqueletos de la parte superior del cuerpo se están probando en una planta de fabricación de Ford en los EE. UU. Para ayudar a las personas a transportar piezas pesadas de automóviles.

Pero a pesar de lo útiles que son los exoesqueletos de la parte inferior del cuerpo, es poco probable que reemplacen las sillas de ruedas en el corto plazo. Eso se debe en parte a que luchan con superficies irregulares y no pueden igualar la velocidad al caminar, pero también porque son mucho más caras.

Los precios de las sillas de ruedas comienzan en la región de £ 150, mientras que un exoesqueleto puede costarle entre £ 90,000 y £ 125,000. Es por eso que a Martinelli le gustaría que la tecnología se simplificara un poco en los próximos años.

“Lo que me gustaría ver es que la disponibilidad de estos equipos aumente porque son muy costosos. Para las personas tener acceso a un exoesqueleto es realmente difícil, tal vez una versión más simple que costara la mitad del precio permitiría que más centros o más lugares los tuvieran ".

Las máquinas rastrearán tus emociones

En medio de preocupaciones éticas, los científicos se esforzarán por ayudar a la IA a leer los sentimientos.

Emotion AI tiene como objetivo escudriñar nuestros sentimientos más íntimos, y la tecnología ya está aquí. Las empresas de marketing lo utilizan para obtener información adicional sobre los candidatos a puestos de trabajo.

La visión por computadora identifica las expresiones faciales y el aprendizaje automático predice las emociones subyacentes. Sin embargo, el progreso es un desafío, leer las emociones de alguien es realmente difícil.

El profesor Aleix Martínez, que participó en la investigación, lo resume claramente, "no todos los que sonríen son felices, y no todos los que son felices sonríen".

Está investigando si la inteligencia artificial emocional puede medir la intención, algo fundamental en muchos casos penales. "Las implicaciones son enormes", dice.

Tu psiquiatra de IA te verá ahora

Los sistemas sociales y de salud están bajo presión en cualquier parte del mundo. Como consecuencia, los médicos están cada vez más interesados ​​en cómo pueden usar los teléfonos inteligentes para diagnosticar y monitorear a los pacientes.

Por supuesto, un teléfono inteligente no puede reemplazar a un médico, pero dado que estos dispositivos están con nosotros en casi todos los momentos del día y pueden rastrear cada una de nuestras acciones, sería negligente usar esta capacidad para siempre.

Ya se están llevando a cabo varios ensayos. MindLAMP puede comparar una batería de pruebas psicológicas con aplicaciones de seguimiento de la salud para vigilar su bienestar y agudeza mental. El proyecto screenome quiere establecer cómo la forma en que usa su teléfono afecta su salud mental, mientras que una aplicación llamada Mindstrong dice que puede diagnosticar la depresión simplemente con la forma en que desliza y se desplaza por su teléfono.

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Pondremos un pie en la Luna (y tal vez en Marte)

¿Veremos astronautas pisar la Luna en la próxima década? Probablemente. ¿Y Marte? Definitivamente no. Pero si los planes de la NASA salen adelante, los astronautas visitarán el Planeta Rojo en la década de 2030.

No hay duda de las aspiraciones de la NASA de plantar pies de astronauta en Marte. En uno de sus informes, Viaje a Marte de la NASA, explican que la misión representaría "la próxima frontera tangible para expandir la presencia humana".

El plan es utilizar la Luna y una pequeña estación espacial en órbita alrededor de la Luna, Lunar Orbital Platform-Gateway, como un trampolín, lo que permitirá a la agencia espacial desarrollar capacidades que ayudarán con el viaje de 34 millones de millas a la Red. Planeta.

Un informe independiente sobre las ambiciones marcianas de la NASA establece un calendario que incluye a los astronautas que pisarán la Luna para 2028 y una misión para orbitar Marte menos de una década después, para 2037.

La privacidad realmente importará

Después de pasar gran parte de la última década entregando nuestros datos a empresas como Apple, Facebook y Google a través de nuestros teléfonos inteligentes, redes sociales y búsquedas, parece que la gente de todo el mundo y los gobiernos que los representan se están dando cuenta de la riesgos de que estas corporaciones sepan tanto sobre nosotros.

Los próximos 10 años no parecen ser diferentes, solo que ahora podemos agregar huellas dactilares, perfiles genéticos y escaneos faciales a la lista de información que entregamos. Con la cantidad de violaciones de datos (empresas que no mantienen seguros los datos que tienen sobre nosotros) aumentando cada año, es solo cuestión de tiempo antes de que los gobiernos intervengan, o como en el caso de Apple, las empresas de tecnología comienzan a vendernos la idea. de la privacidad personal en sí.

Internet estará en todas partes

Entre las redes 5G e Internet transmitida a nosotros desde los satélites StarLink de Elon Musk, Internet móvil será mucho más rápido y se distribuirá de manera mucho más uniforme durante la próxima década.

Estas nuevas redes potenciarán campos tecnológicos completamente nuevos, desde automóviles sin conductor, control del tráfico aéreo con drones hasta realidad virtual de igual a igual. Pero no está exento de inconvenientes.

SpaceX planea lanzar 12,000 satélites en los próximos años para crear su constelación StarLink, y otras compañías desplegarán miles más. Más satélites significan más posibilidades de colisiones y, como resultado, más desechos espaciales. También se ha demostrado que los satélites interfieren con las observaciones astronómicas y el pronóstico del tiempo.

Las ciudades subterráneas se levantarán

Earthscrapers podría ayudar a proporcionar espacio de vida, oficina y recreación para poblaciones urbanas en constante crecimiento.

A medida que las poblaciones se alejan de las zonas rurales, los planificadores urbanos buscan respuestas bajo sus pies

Con el espacio en las ciudades tan limitado, a menudo la única opción para quienes pueden permitirse expandir su propiedad es pasar a la clandestinidad. Los sótanos de lujo ya son una característica debajo de muchas casas en Londres, pero con la población urbana que continuará creciendo, los desarrollos subterráneos están comenzando a aparecer en una escala mucho mayor.

Una idea, todavía en la etapa de concepto, es el 'Earthscraper' propuesto para la Ciudad de México. Esta pirámide invertida de 65 pisos se ha sugerido como una forma de proporcionar espacio para oficinas, tiendas y viviendas sin tener que demoler los edificios históricos de la ciudad o violar su restricción de altura de 8 pisos.

Sin embargo, quedan muchas preguntas en cuanto a la viabilidad de un proyecto de este tipo, por ejemplo, cómo proporcionar luz, eliminar los desechos y proteger a las personas de incendios o inundaciones. Algunas de estas preguntas han sido potencialmente respondidas con la construcción del hotel Intercontinental Shanghai Wonderland en China. Este complejo de lujo de 336 habitaciones se construyó en la pared rocosa de una cantera en desuso de 88 metros de profundidad que abrió sus puertas en noviembre de 2018.

La ciudad-estado insular de Singapur también está explorando sus opciones subterráneas. No solo sus Jurong Rock Caverns están en proceso de convertirse en una instalación de almacenamiento subterráneo para las reservas de petróleo de la nación, sino que también hay planes para construir una "Ciudad de la Ciencia Subterránea" para que 4.200 científicos lleven a cabo investigación y desarrollo.

En Nueva York, el Lowline Project está convirtiendo una estación de metro abandonada en un parque. Se espera que abra en 2021, utiliza un sistema de platos de recolección de luz sobre el suelo para canalizar suficiente luz al espacio subterráneo para cultivar plantas, árboles y césped.

Seguiremos buscando vida extraterrestre

La misión de la Agencia Espacial Europea a Júpiter y sus lunas, JUICE, podría ser nuestra mejor apuesta para encontrar vida extraterrestre en nuestro Sistema Solar.

Si todo va según lo planeado, en mayo de 2022 la Agencia Espacial Europea lanzará la primera misión a gran escala de su Programa Cosmic Vision. El JUpiter ICy lunas Explorer (o JUICE) se lanzará alrededor de la Tierra, Venus y Marte, adquiriendo la velocidad que necesita para propulsarlo hacia Júpiter.

Se espera que JUICE llegue al gigante gaseoso en 2029, donde comenzará posiblemente el estudio más detallado del planeta hasta la fecha.

"Hay dos objetivos", explica el Dr. Giuseppe Sarri, director de proyecto de JUICE. “Uno es estudiar a Júpiter como un sistema. Júpiter es un gigante gaseoso con más de 70 lunas, y para nuestra comprensión de la formación del Sistema Solar, estudiar [lo que equivale a] un mini sistema solar es científicamente útil. Estudiaremos la atmósfera, la magnetosfera y el sistema de satélites.

“The second goal is to explore the three icy moons, Callisto, Ganymede and Europa. Because on those moons there could be conditions that can sustain life, either in the past, present or maybe in the future.”

It’s important to note that JUICE won’t be searching for signs of life on these moons, just the appropriate conditions to support it. In other words, to confirm the presence of salty, liquid water below the surface ice.

“It’s a little bit like below Antarctica. In the water below the ice there are very primitive forms of life so conditions could be similar to what we have below our poles,” says Dr Sarri.

“If there’s a chance to have life in our Solar System, Europa and Ganymede are the places. Unfortunately JUICE won’t be able to see the life but it’ll take the first step in looking for it.”

JUICE may also shed light on the mystery of rings. “It looks as if all the giant planets have rings,” Dr Sarri explains. “In the past, astronomers only saw Saturn’s rings but then rings were found at Uranus, Jupiter and Neptune. Understanding the dynamic of rings will help us understand the formation of these planets.”

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Quantum computers will gain supremacy over supercomputers

Complex data, like weather patterns or climate changes, will be crunched though in the fraction of the time.

Dreams of exploiting the bizarre realm of quantum mechanics to create super-powerful computers have been around since the 1980s.

But in 2019 something happened that made lots of people sit up and take quantum computers seriously. Google’s quantum computer, Sycamore, solved a problem that would take conventional computers much, much longer.

In doing so, Sycamore had achieved ‘quantum supremacy’ for the first time – doing something beyond conventional capabilities.

The task Sycamore completed, verifying that a set of numbers were randomly distributed, took it 200 seconds. Google claims it would have taken IBM’s Summit, the most powerful conventional supercomputer, 10,000 years. IBM begs to differ, saying it would only take Summit 2.5 days.

Regardless, this landmark event has given the quantum computer research community a shot in the arm. A blog post by Sycamore’s developers gives a sense of this. “We see a path clearly now, and we’re eager to move ahead.”

But don’t expect to be using a quantum computer at home. It’s more likely to be running simulations in chemistry and physics, performing complex tasks such as modelling interactions between molecules and in doing so, speeding up the development of new drugs, catalysts and materials.

In the longer term, quantum computers promise rapid advances in everything from weather forecasting to AI.


Voices of biotech research

Biotecnología de la naturaleza asks a selection of faculty about the most exciting frontier in their field and the most needed technologies for advancing knowledge and applications.

What will be the most important areas of research in biotech over the coming years? Which technologies will be most important to advance knowledge and applications in these areas? Biotecnología de la naturaleza reached out to a set of faculty doing outstanding work in research areas representative of the journal’s remit and asked them to contribute their vision of where their fields are going.

Nasim Annabi: Bioengineering advances have increased foundational interdisciplinary research for creating state-of-the-art medical devices and drug delivery platforms however, there are many challenges in the design and development of reliable technologies. The future trends in this field should focus on dynamic biomaterials, personalized medicine and additive manufacturing to improve both disease diagnostics and treatments. In addition, there is a need for the development of more effective in vitro platforms for developing drugs and testing medical devices to transform the healthcare system through preclinical research and its rapid scale-up and commercialization for effective and safe healthcare solutions.

Matthew Baker: I have an interest in directed evolution and evolutionary microbiology. The 2018 Nobel Prize, partially awarded to Frances Arnold, has bolstered widespread interest in utilizing evolution for approaches in synthetic biology. Major improvements have been made using evolutionary methods for ‘irrational design’ to test and engineer new proteins for new purposes. However, our understanding of emergent complexity — or how complexity increased greatly at certain key moments — remains limited. Experimental evolution is being applied to more complex systems and different species with better screens and higher throughput via automation. This should lead to a better understanding of what the broad ‘rules’ of molecular evolution are and, in turn, refine efforts in synthetic biology and directed evolution of proteins for applications in biotechnology.

Alistair Boettiger: Advances in sequence-resolved super-resolution imaging of the genome are changing how we think about chromatin structure and its roles in cell biology. It is now apparent that the genome doesn’t fold into a stable structure, the way many proteins do. It is a large and flexible molecule, in which no two cells adopt the same fold at any given point in time. Understanding how this flexibility facilitates genome processes like transcriptional regulation, replication and repair will be driven forward by deeper integration of microscopy and sequencing approaches, new multimodal ’omic imaging, and microscopy-informed computational modeling.

Debojyoti Chakraborty: Detecting and correcting diseases requires precise molecular tools. The promise shown by ongoing gene editing trials for hemoglobinopathies has truly put CRISPR on track for therapeutic interventions. With the development of novel editors, cleavage-free genome engineering and robust delivery options, the coming years would see active clinical evaluation of in vivo genome editing — a challenging frontier. At the same time, the evolution of more sensitive and inexpensive CRISPR diagnostics platforms suited to a wide range of diseases would bring the benefits of early detection of disorders. This may be invaluable in developing countries.

Yvonne Chen: Cell-based immunotherapy has broken new grounds in treating previously intractable diseases. Efforts in biomolecular engineering and synthetic biology continue to enhance our ability to engineer synthetic proteins that predictably impact cell behavior, moving the field away from a trial-and-error basis and toward true rational design. The development and integration of multilayered genetic circuitry offer the possibility of greater versatility and control over engineered cells. To reach their maximum potential, such designs must also be grounded in the realities of clinical implementation and engineered with an eye toward system robustness in the face of significant variabilities in human physiology.

Kizzmekia S. Corbett: As the COVID-19 pandemic has beckoned for rapid development of safe and effective vaccines, vaccinology is being transformed before our eyes. Now, the looming question for the field is not “Will novel viruses arise?” but “How can we be better prepared when they do?” The use of mRNA platforms awakens a new era of vaccine development that will rely on a critical intersection of basic science, precise antigen design, novel platform discovery and concerted global efforts towards pandemic preparedness.

Bruno Correia: We continue to witness incredible advances in the broad field of molecular design. The ever-larger (and growing) data reservoirs, empowered both by unprecedented advances in computational analysis and by our ability to extract functional principles, are having a transformative impact. In the area of protein design, I foresee an increasing capacity to engineer extra mechanistic layers into amino acid sequences, allowing us to create ‘smarter drugs’ with multiple controllable activities. Another exciting dimension is where protein design interfaces with cell-based therapies, which will open up many new important avenues for next-generation therapies.

James Dahlman: Millions of patients have been treated via lipid nanoparticle (LNP)-mediated mRNA delivery however, this emerging drug modality is limited to intramuscular administration or systemic liver targeting. To realize the clinical potential of RNA drugs, we must design LNPs that target new tissues after systemic administration, which likely means analyzing thousands of chemically distinct LNPs directly in vivo. DNA-barcoded nanoparticles make this increasingly plausible, enabling study of more than 100 LNPs in a single animal. The key lesson from DNA-barcoded nanoparticles, which should be applied to drug delivery in the future, is that bioengineering technologies used to perturb and characterize cells (for example, single-cell RNA-seq and multi-omics) can be repurposed to study targeted, systemic delivery in exciting new ways.

Tulio de Oliveira: In the field of genomic surveillance, one of the most exciting developments is genotype-to-phenotype characterization in real time. For example, within weeks of the discovery of novel SARS-CoV-2 variants, researchers were able to determine how the genetic variation affected vaccine response.

Ali Ertuerk: Moving from generalized and flawed treatments to personalized medicine requires merging unbiased and scalable technologies. Advances in single-cell multi-omics and organoid models have facilitated the assessment of patient heterogeneity. By combining these technologies with unbiased imaging of intact biological specimens using tissue clearing and end-to-end artificial intelligence (AI)-based analysis, we can achieve a much-needed million-fold scaling of human organ mapping and investigation of diseases at the single-cell level. Although DNA nanotechnology can help target desired cells in vivo for drug delivery or gene editing, the cellular maps can serve as templates to generate new human organs using three-dimensional (3D) bioprinting for millions in need. This multidisciplinary approach will fast-track personalized treatments of complicated diseases and enable healthy living beyond 100 years.

Mehmet Fatih Yanik: In the near future, implantable brain–machine interfaces based on biocompatible materials will be substantially less invasive while covering more brain areas and allowing neuronal-resolution measurements of rapidly varying brain networks. Technologies like focused ultrasound will be miniaturized and make it possible to focally deliver receptor-specific drugs non-invasively to specific circuits deep within the brain without causing off-target effects. Closed-loop implementation of such measurement and manipulation capabilities using AI algorithms to simultaneously analyze both brain networks and behavior are likely to enable unique opportunities for the treatment of brain disorders. These advances will present interesting regulatory, legal and ethical challenges.

Elizabeth Henaff: The individual microbiome manifests the continuum between organism and environment. The next frontier of biotechnology is putting biological metrics, such as metagenomics, in the hands of the designers who create our built environments: architects and city planners. How can the discipline of design, an inherently human-centered practice, learn from the field of metagenomics? These metrics help us contextualize human health and well-being within the multispecies ecosystems we inhabit. Design for humans will become design for the more-than-human. The key will be to focus on relational and radical inclusion, with biotechnological interfaces designed for collaborative survival across scales and species.

Meritxell Huch: One of the most exciting developments in human cell biology has been the establishment of ‘organoids’ — human 3D cultures that faithfully recapitulate some of the function of the corresponding tissue. Derived either from pluripotent stem cells, by a stepwise differentiation process, or from differentiated (either adult or fetal) tissue, these self-organizing structures provide a unique system wherein to identify basic principles of human organ development, tissue regeneration and disease. Their ability to recapitulate organogenesis is revolutionizing the way we study human development. Similarly, the remarkable expansion potential of human organoid cultures derived from adult or fetal cells is opening up opportunities for biomedical research applications, ranging from cellular sources for cell therapy or transplantation to drug screening platforms for personalized medicine. Many challenges remain, ranging from increasing cellular complexity to improving scalability or cellular maturation. Once surmounted, we will enter a new era where studying basic principles of organ development, maintenance, regeneration and disease in human tissues will become a reality.

Iliyan D. Iliev: For many years, fungal research has been an important driving force in biotechnology and medicine. Recent discoveries place fungi as an integral part of the microbiome, key modulators of immunity and health, and rich sources of biologically active metabolites. Aided by advances in ’omics technologies, data integration and experimental platforms and a revolution in genome editing, we are now poised to decipher fungal activities and host–fungal interactions at an unprecedented level in individual patients. New therapeutic developments modulating such interactions or targeting the fungal arm of the microbiome will be the next challenge.

Thomas Jacobs: One of the most exciting developments I see is the ability to make precise, large-scale perturbations to eukaryotic genomes. From combinatorial genetic screens to synthesis and reorganization on a large scale, we are getting closer to having the ability to precisely modify entire genomes of organisms at will. This will allow us to test hypotheses on genome structure, organization and gene regulatory networks in the wet lab, with applications in agriculture and biomedicine. To accomplish this, we will need to develop both methods for more accurate DNA synthesis that are orders of magnitude cheaper, and simple bioinformatic tools so the average student or postdoc can easily design, analyze and interpret these increasingly combinatorial experimental systems.

Howard Junca: Biomarkers, bioactivities and bioprocesses can contribute to achieving sustainability in the Anthropocene: a thrilling and challenging time for environmental biotechnology and microbiome research. ‘One Health’ approaches to critical trends — rewilding Earth’s ecosystems and functional restoration, xenobiotic containment and bioremediation, changes in production and consumption of goods, and responses to emerging diseases — all can greatly benefit by integrating microbiome engineering and transplantation. Disruptive computational power and approaches for biodata mining and AI pattern recognition will boost detection, cultivability, prediction and design of novel natural and synthetic components, metabolic network interdependencies and their combinatorial effects inside microbiomes and in holobiont associations.

Albert Keung: Synthetic biology has accomplished many wonderful things by integrating our rapidly expanding understanding of biological parts and their functions into sophisticated systems. One intriguing question is how we might address problems that require substantial scaling. Although traditional engineering disciplines have developed frameworks to guide scaling, biological systems — often within what one would find in just a microliter of fluid — can present orders of magnitude higher levels of distinct and diverse intermolecular interactions than the largest chemical process industrial plant. Engineering regulatory systems within cells or storing exabytes of digital information in a billion, billion distinct DNA strands are just a few examples of extreme scaling that will demand new design and engineering frameworks.

Ilana Kolodkin-Gal: In ancient Greece, Socrates and Plato founded Western scientific philosophy by integrating logic, poetry, math and natural sciences. The current renaissance of microbial biotechnology similarly erases the artificial boundaries between genetics, chemistry, data science, ecology and even social sciences to utilize natural bacterial abilities. Microbial enzymes and exopolymers are used in biomedical and food industries while bacterial communal properties are explored to generate living concrete, novel drugs and higher crop productivity. Modern microbial biotechnology can overcome reactionary responses to the vital synthesis of traditional disciplines. Furthermore, it demonstrates that the coevolution of academy and industry is not a compromise, but rather an essential step for advancing scientific excellence.

Smita Krishnaswamy: Biomedical data are being generated at an extremely high throughput and in many dimensions. Initial phases of analysis involved tasks such as denoising, batch correction and basic dimensionality reduction. However, there is a big gap between data analysis and insight generation. I believe that the next phase will involve integrated analysis of multitudes of related datasets collected under many conditions and across modalities instead of an isolated focus on individual datasets. This will allow us to model the underlying systems as stochastic, complex and dynamic entities. From such models, we could infer mechanistics and even simulate potential therapies or alterations of the system.

Madeline Lancaster: Exciting discoveries in human neurobiology will come from the intersection of highly diverse methods, from genetics and transcriptomics to imaging and electrophysiology. These approaches will enable detailed characterization of cell types and neuronal connectivity. In this context, brain organoids will provide a tractable system for further information across time and even across species. But such neural tissues are of particular interest for their use in functional studies, allowing one to test resultant hypotheses through genetic or other perturbations. These varied approaches will begin to provide a mechanistic understanding of human brain development and function.

Evan Macosko: The use of DNA to barcode and quantify biomolecules powered the recent ‘single cell revolution’. In combination with new developments in microscopy and molecular biology, DNA will increasingly be the readout of choice for biochemical and cell biological assays in situ. Protein–protein interactions, cell signaling dynamics and metabolic state will all be encodable in DNA, enabling multiplexed, high-throughput measurements. In the brain, application of these technologies to the study of neural connectivity, electrical activity and functional plasticity will be transformative. I hope such assays finally provide the level of detail needed to understand the many brain diseases whose mechanisms remain mysterious.

Mario Alberto Martínez-Núñez: The development of omics technologies and their coupling to synthetic biology will allow in the near future not only the exploration or modeling of microbiomes for the search for environmental or biotechnological solutions, but also their control. The union and development of these fields will allow us to go from ex situ experiments to in situ implementations, such as the design, construction and control of communication between the elements of the microbiomes, allowing us to regulate not only cell behavior, but also production of molecules of interest in situ.

Kyoko Miura: Research on long-lived species, such as naked mole-rats, blind mole-rats, bats, whales, elephants and long-lived trees, presents unique opportunities for identifying novel strategies to prevent aging and age-related diseases, including cancer. We believe that the development of genome editing, induced pluripotent stem (iPS) cells, and multi-omics technologies in the naked mole-rat, the longest-lived rodent, could pave the way to a fundamental cure for aging and cancer in humans. Combining studies in this new animal model with the rapidly progressing human iPS cell and organoid technologies could ultimately allow treatment of a variety of diseases and injuries.

Jenny Molloy: During COVID-19, the impact of biotechnology on our daily lives and incredible recent advances in bioengineering, biomanufacturing and bioinformatics have never been more visible. However, not everyone can access biotechnology’s benefits — partly because the tools and agency to shape the field are very unevenly distributed. This has to change. Nurturing talent and ideas from all parts of the world is essential for a thriving and equitable global bioeconomy. We have the means: enabling technologies are being democratized, digital tools for sharing know-how are flourishing and open sharing of data and materials is accelerating. We will see a more diverse biotech community emerging that benefits even more of the planet.

Andrés Ochoa Cruz: Discovery has always been part of the human spirit. Coronavirus has opened the discussion of and interest in understanding science all over the globe. Involving people in scientific understanding is one of the pillars of the citizen-science movement. I am excited about technologies and tools that are helping us to understand biology more deeply: synthetic biology that merges engineering, biology and mathematics machine learning that helps us to make sense of the large amount of data that we produce in genomics and finally, self-quantification and health data analysis that can encourage greater public engagement with science and help people understand their own biology.

Randall J. Platt: Fueled by advancements in biological engineering, DNA sequencing and DNA data storage, it is now possible to encode biological events in DNA and subsequently reconstruct cellular histories — providing an entry point into understanding the relationship between cellular lineages, transcriptomes, interactions and environments. The development of new molecular tools enabling the scalable encoding and integration of multimodal features within single cells and across multicellular systems will usher biology into a radically new era where biological systems can tell you their complex biographies spanning time, space, development, perturbation, health and disease.

Avery D. Posey, Jr.: Cellular immunotherapy demonstrated ground-breaking advances for the treatment of blood cancers and budding activity against solid malignancies over the past decade. In the next decade, important objectives for improving the efficacy of cell therapy will be to identify optimal cell types and sources, expand tumor targeting to exploit differential post-translational modifications, revisit immune signaling pathways to identify opportunities to enhance potency and resist exhaustion, and alleviate immunosuppressive microenvironments through combination therapies, including novel synthetic molecules. Multi-omics technologies will improve our understanding of the factors driving responses to cell therapies and the relationship between innate, adaptive and engineered immunity within tumors.

Huilin Shao: I am most excited about the development of new nanotechnologies — biological, physical and integrative — to empower molecular diagnostics. Improved precision in their design and engineering will bring forth enabling tools for basic discovery and clinical translation. These can redefine biomarkers, revealing insights from the currently unmeasurable, and influence patient care, through earlier and safer diagnostics and real-time treatment monitoring.

Mijo Simunovic: Organoids have created unique opportunities for modeling mammalian development in the lab, leaping into a new era of synthetic organogenesis. Although pathways to generating individual organs are strikingly similar across many species, the human embryo is a world apart from a mouse or an elephant. Our next challenge is to leverage tissue engineering and genome editing to faithfully mimic the complex signaling gradients and the mechanical microenvironments of developing human organs. These efforts will not only enable a rationally designed program to reproducibly generate human tissues from pluripotent stem cells, but also open doors to answering perhaps one of the oldest questions in biology: what makes us human?

Nikolai Slavov: Single-cell multi-omics technologies are rapidly expanding. An exciting frontier is the comprehensive quantification of protein activities, interactions and conformations with single-cell resolution across time and space. Such analyses will be powered by emerging single-cell mass spectrometric technologies. These technologies will build quantitative biochemical and biophysical models of cellular systems and discover new drug targets. The success of such analyses will require (i) careful selection and sampling of relevant in vivo systems, including patient samples, and (ii) integration of multi-omics methods that analyze both cells and their environments. Areas poised to benefit from these developments include immuno-oncology, autoimmunity, neuroscience and developmental biology.

Takanori Takebe: Personalization — My Medicine’ — will shape the future of medical practice and push humanity towards a better life. The advent of organoid research has offered a platform to study human health and disease, but going forward the technological convergence of evolving toolboxes, such as gene editing, transcriptomics, imaging and bioengineering, will act synergistically to enable personalized prediction of disease onset, prevention of disease, improved efficacy and safety of medical interventions and, ultimately, personalized regenerative therapy as human organoid research progresses.

Luk H. Vandenberghe: The era of genetic medicine has started. The past years have shown that gene therapy can have a durable and transformative impact on disease and patients’ lives. What is in front of us is exciting on many levels. For one, with the innovation in omics, the knowledge base of the targets we can pursue increases daily. Second, the creativity explosion on how we can molecularly intervene at those disease targets by editing, silencing or augmenting approaches is bringing a precision to the design table that often is critical to make a meaningful gene drug. Third, gene delivery, the focus of much of our work, often remains the Achilles heel to success in the clinic. Here too we see novel modalities, such as non-viral gene delivery (even mRNA for vaccines) and refinement of existing ones such as adeno-associated virus (AAV) to improve pharmacological control of this new class of drugs.

Rajeev K. Varshney: The advent of contemporary genome sequencing tools and platforms have enabled researchers to sequence most of the crops and plant species, including so-called orphan crops in developing countries. This has led to a better understanding of the genome architecture and the molecular basis of traits of interest for developing improved crop varieties addressing climate change, food, health, and nutrition security. We anticipate generation of massive amounts of sequence data not only at the single-cell level in plants, but also at the population level from the field. It will be exciting to see how of artificial intelligence and machine learning are applied to these datasets to enhance accuracy of genomic prediction for accelerated crop improvement programs.

Jianbin Wang: Single-cell transcriptomics has propelled the identification of cell types in various organs and systems. Now basic and clinical fields are looking beyond cell type and expecting a more comprehensive understanding of cellular status in primary tissue. This requires not only gene expression profiles, but more importantly cell signaling cascades from receptor activation to transcription factor binding, which should be integrated with histology and pathology information at single-cell resolution. Technology breakthroughs for precise measurement of various biomolecules are necessary to achieve this goal.


We have the tools and we will use them

The described systems (Table 1), which are based on dual plant infections utilizing AM fungi and pathogens, will allow us to challenge findings obtained previously in either pathogen or symbiosis research. This will give insights into the commonalities and differences of both types of interaction outcomes. Moreover, several biotrophic pathogens (M. oryzae, P. palmivora), endophytes (P. indica) and beneficial AM fungi (G. irregularis) are directly applicable on rice, barley and other dicot crops, thereby bypassing the step to transfer knowledge of mechanisms from model plants into application.

Systems that form specialized intracellular structures will be integral in solving open questions on filamentous microbe interactions with plants. We need to elucidate how similar arbuscules and pathogen interfaces are [9], and whether they generally also serve as devices for nutrient uptake [37]. Knowledge on general and specific transport mechanisms between microbe and plant may be decisive for our ability to protect plants from pathogens while maintaining symbiosis.

Common sets of regulated genes point to a large overlap in development processes during beneficial and detrimental interactions [19] however, we still need to clarify whether observed structural features, such as the pre-penetration apparatus formed during root colonization by AM fungi [38] or the typical tree-like branching of AM fungal arbuscules, are defined by the microbe species or the plant, or both.

Root-colonizing microbes are guided by chemical plant signals but we do not know the extent to which these signals overlap. For example, plant flavonoids act as attractants for mobile oomycete zoospores and beneficial nitrogen-fixing root bacteria, while symbiotic fungi but also parasitic Striga hermontica plants perceive strigolactones released by the plant [39, 40]. Whether some filamentous pathogens are consistently responsive to strigolactones remains to be clarified [41].

Furthermore, it is important to identify contrasting principles in effector-mediated reprogramming and immune suppression between symbiotic microbes and pathogens. This might enable us to engineer the host processes they target in order to direct the outcome of an interaction towards the beneficial side.


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