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Interesante
Interesante
Responsable: Marcos Pimenta
Varias nuevas tecnologías en las próximas décadas serán impulsadas por algunos de los retos más importantes que la humanidad ya se está ejecutando en, y que será de vital importancia en un futuro próximo, ya que el impacto del hombre sobre la naturaleza y las nuevas fuentes de energía que permitan el desarrollo e implementación de nuevas tecnologías. Por otra parte, también a los avances en la tecnología de la información es posible requerirá nuevos tipos de dispositivos electrónicos o similares que puedan sustituir a los materiales actuales basados en tecnología de silicio. El desarrollo de nuevos tipos de materiales con propiedades superiores a las existentes en la actualidad que no afectan la naturaleza también puede ser una fuerza impulsora para el desarrollo de nuevas tecnologías.
poder
Un enorme desafío para la humanidad en las próximas décadas será la generación de energía limpia y renovable, y que no utilizan recursos fósiles como el petróleo, gas, carbón, etc. Formas de generación de energía limpia aún hoy en día son menos eficientes y más caros que los convencionales. Los nuevos tipos de dispositivos deben desarrollarse en las próximas décadas con el fin de aumentar la eficiencia y abaratar los dispositivos de generación de energía limpia, por ejemplo, células fotovoltaicas que convierten la luz solar en electricidad, la bioenergía, el viento, las olas, geotérmica, etc. El almacenamiento de energía es otro desafío. Se requerirá nuevas tecnologías que permiten el desarrollo de baterías que almacenan una mayor cantidad de energía. Un tercer desafío es cómo se transporta la energía, lo que hará factible la utilización de medios de transporte impulsados por fuentes no contaminantes. Una alternativa muy prometedora es los llamados células de combustible, o células de hidrógeno, donde se genera electricidad a partir de la reacción entre el hidrógeno y el oxígeno, el agua es el subproducto. El desarrollo de nuevos materiales y la optimización de la energía de fuentes limpias necesariamente se basa en la comprensión de los mecanismos físicos que conducen al desarrollo de nuevas formas de generar y almacenar energía.
Electrónica, Optronics y Espintrónica
Tecnología de la información será sin duda el buque insignia de los avances tecnológicos en las próximas décadas, pero para que esto suceda, se requiere el desarrollo de nuevos tipos de dispositivos físicos, que sustituirán a los actuales procesadores basados en el elemento químico silicio. Hay una predicción de que en los próximos años hay saturación en el desarrollo de la electrónica basados en silicio. Para revolución de la información actual continúa al mismo ritmo de crecimiento que se ha producido en las últimas décadas, el siguiente paso será la nanotecnología y los dispositivos con mayor rendimiento y menor consumo de energía que los actuales. Varios estudios se han dedicado a moléculas que pueden realizar la función de un transistor. Por otro lado, los materiales de dimensiones uniformes, tales como nanocables, y de dos dimensiones (2D) con espesor atómica como grafeno serán una ruta para el desarrollo de nuevos y más eficientes que los dispositivos electrónicos actual. Estas nuevas tecnologías también podrían permitir el desarrollo de sensores químicos y sensores de gas, que funcionan como una lengua y una nariz electrónica. La computación cuántica, basada en nuevos tipos de algoritmos no binarios que hacen uso de las propiedades cuánticas, también requerirá el desarrollo de dispositivos físicos, que pueden estar basados en las propiedades eléctricas y magnéticas de la materia o de la luz. Otra área que impactará la tecnología se basa en el espín de los electrones (propiedad elemental asociado con el magnetismo). Se desarrollarán nuevos dispositivos que utilizan la espintrónica, un área de la electrónica, pero que se utilizan en lugar de electrones con espín. La óptica está otro campo emergente en el desarrollo de dispositivos en los que los electrones son esta vez reemplazado por fotones (partículas de luz). En esta área, la plataforma básica para la búsqueda son llamados cristales fotónicos, periódica cuya entidad primaria son los nanomateriales y nanoestructuras que tienen tamaños del orden de la longitud de onda de la luz visible (aproximadamente 500 nm). Otra forma de estas tecnologías es el desarrollo de dispositivos flexibles basados en materiales orgánicos tales como polímeros. Recientemente se han desarrollado nuevos tipos de LED hechas de polímeros semiconductores, que se llaman los OLED (LED orgánico), que ya han sido utilizados en algunos nuevos modelos de televisores. Se espera que desarrollar nuevos dispositivos electrónicos que son flexibles, tales como procesadores, sensores, etc.
nuevos materiales
En la historia de la humanidad, se acostumbra a nombrar las etapas de la evolución con el nombre de los materiales desarrollados por los seres humanos, tales como la Edad de Piedra, Edad del Bronce y la Edad del Hierro. El desarrollo de las técnicas de fabricación de materiales tales como metales, cerámica y vidrio, se puede considerar como una de las formas más antiguas de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. En los últimos siglos, se han desarrollado nuevos tipos de materiales, como el acero y el plástico, que son en la mayoría de productos que manejamos en nuestra vida cotidiana. Por un lado, la materia prima necesaria para la obtención de estos materiales proceden de fuentes no renovables y que el impacto al medio ambiente, tales como minerales, petróleo, etc. Uno de los desafíos de la humanidad será el desarrollo de nuevos materiales, que sustituirán a la actual, y con propiedades superiores. Un ejemplo son los llamados nanocomposites, muy mezclas homogéneas de diferentes tipos de nanomateriales (nanotubos, nanopartículas, de grafeno, etc.) con otros materiales convencionales tales como plásticos, cerámica, cemento, y otros. Esta mezcla da propiedades nuevos materiales convencionales que son útiles en diversas aplicaciones. Un plástico mezclado con nanopartículas metálicas puede convertirse en un conductor de retener su flexibilidad, un pegamento con nanopartículas puede soportar temperaturas más altas, el cemento con una fracción de 0,1% nanotubos puede haber aumentado sus propiedades mecánicas más de 50 %. También se espera el desarrollo de nuevos materiales superconductores que se utilizan a temperatura ambiente. Estos nuevos superconductores se pueden usar en el almacenamiento de energía y el desarrollo de una nueva generación de equipos, tales como imágenes de resonancia magnética, etc.
Química verde
La llamada química verde se basa en materias primas de fuentes renovables, y cuyo producto final no es perjudicial para el medio ambiente. Uno de los objetivos es el de transformar la mayor parte de los reactivos utilizados en el producto final, evitando la formación de subproductos tóxicos y contaminantes, y el uso de disolventes que no afectan la salud y el medio ambiente. Las nuevas tecnologías buscan la fabricación de materiales biodegradables que pueden ser reciclados por la naturaleza, y el desarrollo de métodos para la descontaminación de efluentes en diferentes tipos de industrias. El desarrollo de nuevos tipos de catalizadores permiten la aceleración de reacciones químicas, el ahorro de consumo de materiales y energía.
La biotecnología en el siglo XXI:
Responsable: Ricardo Gazzinelli
Consultas: Gustavo Menezes, Joao Marques, Mayana Zatz, Santuza Teixeira y Virgilio Almeida
Consultas: Gustavo Menezes, Joao Marques, Mayana Zatz, Santuza Teixeira y Virgilio Almeida
La biología de sistemas ( Biología de Sistemas ) es el modelado computacional y matemática de los sistemas biológicos complejos. Este es un enfoque multidisciplinario que tiene como objetivo estudiar las complejas interacciones de los sistemas biológicos de una manera integrada. La idea principal es el uso integrado de las técnicas de análisis global de la expresión génica (transcriptoma), proteínas (proteoma), así como las vías metabólicas (metaboloma) y la señalización. Estos enfoques relacionados con la detección de alto nivel (de alto rendimiento) de funciones de los genes, por ejemplo, lo que permite amplios avances en la comprensión de cómo una célula o sistema de funciones, tales como la respuesta inmune contra un patógeno o circuitos neuronales implicados en el proceso de cognición. La preferencia por el uso de estrategias de integración para estudiar la biología de manera más integral, no reduccionista, ha crecido un montón, y debe prevalecer en las próximas décadas.
Genómica y el análisis de "grandes datos"
En las últimas décadas, la tecnología del ADN recombinante asociada a la búsqueda del genoma, transcriptoma y proteoma permitió grandes avances en la identificación y caracterización funcional (funcional del genoma) de una amplia variedad de genes, muchos de ellos implicados en enfermedades hereditarias humanas. Con la llegada de diferentes plataformas conocidas como la secuenciación de próxima generación (NGS), incluyendo la secuenciación de moléculas individuales en la tecnología de tiempo real, secuenciación y ensamblaje de genomas individuales pueden ser completados en cuestión de días en lugar de meses o años y con un coste mucho menor. También disponible hoy en día es la secuenciación de cuarta generación que permite la generación de genómico y ARN (transcriptoma) a partir de una sola célula. También se está convirtiendo en la citometría de flujo acoplado a espectrometría de masas , una tecnología que permite el análisis de cientos de proteínas a partir de la expresión de poblaciones de células específicas aisladas de tejido, sin la necesidad de una etapa de purificación tales proteínas. Mientras tanto, se estableció recientemente un mapa epigenômico humana, que definirá el papel alteraciones epi-genética (es decir, aquellas que no alteran la secuencia del genoma) responsable de la regulación de tiempo aumentando el tiempo de la disminución de la expresión génica, que puede ser responsable del proceso de diferenciación celular, así como aumento de la resistencia o la susceptibilidad a una amplia variedad de enfermedades. En conjunto, estas nuevas tecnologías permitirán la secuenciación y el análisis de un número ilimitado de genomas, el estudio de la expresión génica global o proteínas de diferentes organismos, toda una población de microorganismos presentes en un ecosistema (microbioma), e incluso en las células tejidos de un solo individuo en diferentes etapas de desarrollo que conduce a la cartografía detallada de microambientes implicadas en diferentes procesos biológicos. Por último, los avances en la tecnología microfluídica permite la miniaturización y el diseño de la amplificación técnica y la hibridación de secuencias específicas de ADN y secuenciación. Por lo tanto, los chips en el que se llevan a cabo de decenas a miles de reacciones permiten la realización in situ diagnóstico simultáneo de diversas enfermedades infecciosas, así como el mapeo de secuencias específicas en el genoma, la identificación de genes específicos y sus alelos, lo que indica la predisposición o la resistencia a la enfermedad, ya sea en seres humanos, animales o plantas. Con esta creciente volumen de datos, un reto importante será el desarrollo de programas de tecnología de la información (IT) adecuados para el procesamiento de toda la información generada. Una de las mejores expectativas se encuentran los algoritmos de " máquinas de auto aprendizaje " que automatizar e incrementar la capacidad de análisis y generación de hipótesis de investigación que explora lo que llamamos " grandes datos " .
sistemas de imágenes in vivo
Además de los proyectos "omas", las tecnologías de la imagen en vivo ahora tienen un papel central en la biología de sistemas . La idoneidad de los microscopios confocales y super-resolución para formación de imágenes in vivo actualmente permite la visualización de células y orgánulos ya no está en un tubo de ensayo o una cuchilla, pero dentro de su contexto natural. Asociados con la tecnología recombinante y la generación de animales transgénicos que expresan marcadores fluorescentes se pueden visualizar, por ejemplo, el intercambio de información de célula-célula durante una respuesta inflamatoria, la filmación de células diferentes que se mueven en los vasos sanguíneos e incluso medir el tránsito receptores en la superficie celular. Por lo tanto, el uso de la no - los sistemas de imágenes invasivas "todo el cuerpo" (todo el cuerpo), y permite la visualización del mismo animal (cuerpo) en un enfoque sistémico durante varios días o meses, ya que no se requiere un procedimiento quirúrgico para esto. Este método también puede aclarar cómo los diferentes medicamentos - e incluso parásitos y células tumorales - son distribuidos por el cuerpo con el tiempo. Recientemente, una técnica revolucionaria (uDISCO) permite hacer un tejido animal transparente y por lo tanto visualizar órganos o sistemas completos que expresan proteínas fluorescentes, tales como el sistema nervioso. Además de permitir avance en la comprensión de los procesos biológicos in vivo , esta técnica es compatible con los tejidos humanos, y se puede utilizar fácilmente en diversas aplicaciones biomédicas.
manipulación genética CRISPR y
Asociado con todos los avances en el área de análisis genómico es el descubrimiento / desarrollo de la tecnología revolucionaria llamada edición de CRISPR gen que permite la introducción, sustitución o eliminación de genes específicos esencialmente en cualquier cuerpo. Este sistema de resistencia de las bacterias que era infecciones virales se ha transformado en un simple, altamente eficiente , y casi universal mecanismo de usar que utiliza su propio mecanismo de reparación de la rotura de la doble hebra de ADN presente en todas las células para proporcionar la introducción y modificaciones específicas conocidas como "gen de edición" o la edición de los genes. Esta nueva tecnología permitirá importantes avances en la investigación básica mediante la comprensión de la función de genes específicos, no sólo en sistemas celulares, sino también in vivo en modelos animales, donde la proyección funcional de un gran número de genes que antes era un cuello de botella. Además, la tecnología de CRISPR debe tomar en las próximas décadas, el papel central en el control y tratamiento de enfermedades. Además del uso de la tecnología genética CRISPR para la edición, ahora también está siendo utilizado para la generación de los sistemas de los genes en unidades ". Los sistemas de coche de genes ', básicamente, aumenta la probabilidad de que un gen se pasará a la siguiente generación que permite su rápida difusión en las poblaciones naturales. Estos sistemas se han propuesto en los últimos años, pero la tecnología de CRISPR ha permitido la generación de un mecanismo de 'unidad gen "eficiente y fácil de aplicar. Por ejemplo, "sistemas de genes de accionamiento podría ser utilizado para los genes de resistencia a la difusión contra el virus Dengue y Zika en las poblaciones naturales de mosquitos y por lo tanto un cambio radical de la transmisión de enfermedades. Por lo tanto, asociado con el diseño y la cartografía de las islas del genoma y de los genes implicados en la resistencia / susceptibilidad a enfermedades infecciosas y la metodología CRISPR naturaleza hereditaria debe permitir grandes avances en el área de la terapia génica, así como en reproducción de plantas y animales de producción, y por lo tanto la mejora de la sostenibilidad y la renta agraria.
Las células madre pluripotentes y la ingeniería de tejidos
Otra área de investigación que ha realizado importantes avances conceptuales son los estudios con células madre . Uno de los grandes descubrimientos de la última década fueron las células IPSC (en inglés células madre pluripotentes inducidas ). Se ha demostrado que la expresión que unos pocos genes específicos son capaces de revertir el fenotipo de células somáticas diferenciadas a una célula pluripotente. Estos hallazgos han permitido un gran avance en el conocimiento para la manipulación de células pluripotentes que tiene la capacidad de diferenciarse en esencialmente cualquier tipo de célula somática tejido específico. Esta tecnología también abre el camino para que las células somáticas de un individuo pueden ser manipulados para generar tejidos y órganos en el futuro que usarían relevante en el área de trasplante. Por otra parte, estas células cuando se inyectan en el tejido específico podrían tener un papel terapéutico para la reparación de tejidos, además de permitir estudios avanzados para entender mejor los mecanismos de resistencia / susceptibilidad a enfermedades y desarrollo de nuevos fármacos. Con el advenimiento de la tecnología de CRISPR, se facilitará la manipulación genética de las células IPSCs y su uso, ya sea en la investigación o medicina básica será avanzar rápidamente.
animales humanizados modelo
La tecnología de genes de edición utilizando el sistema / Cas9 CRISPR debe permitir grandes avances en los diseños humanización de modelos experimentales , como en el trasplante de órganos entre animales de diferentes especies (xeno-trasplante). En la actualidad, la mayor parte de los esfuerzos encaminados a bis humanización de modelos experimentales se han basado en la aplicación de células y órganos humanos en ratones inmunodeficientes. A menudo, sin embargo, el funcionamiento del tejido trasplantado no se produce adecuadamente, tales como el sistema inmune o de la implantación se produce parcialmente. Con la aparición de nuevas tecnologías basadas en el sistema de CRISPR / Cas9 se cree que se puede realizar la manipulación de genes a gran escala en el modelo experimental, con la introducción / sustitución de los genes humanos, lo que debería permitir una más dirigida hacia adelante para crear humanizados modelos más relevantes. Estos modelos permiten grandes avances, no sólo en la comprensión del funcionamiento de los sistemas y órganos, sino también permitir a los ensayos preclínicos para las pruebas de drogas y vacunas con mayor capacidad de predicción y la traducción de la operación en los seres humanos. Además de la humanización de los cerdos debe permitir grandes avances en el área de xeno-trasplantes , permitiendo la sustitución de cerdos genes de genes humanos, lo que conduce a una mayor compatibilidad del órgano trasplantado , y el donante.
Neurociencia, robótica y la inteligencia artificial
En 2013 se anunció "el cerebro (Brain Research mediante la mejora innovadora neurotecnologías) iniciativa" que pretende revolucionar el conocimiento del funcionamiento del cerebro, el desarrollo de nuevas tecnologías de acceso tales como: (i) el establecimiento de nuevas técnicas de óptica y fotónica para estudiar la función cerebral; establecer patrones de actividad neuronal que conduce a la cognición, la combinación de los estados mentales con los estudios sensoriales y procesamiento de motor; (Iii) cómo la actividad del cerebro conduce a la percepción, decisión y acción; (Iv) el desarrollo de nuevas tecnologías de la imagen para entender cómo se almacena la información y procesada por las redes neuronales. Estos estudios también deben conducir a una mayor comprensión de los mecanismos, y por lo tanto el desarrollo de nuevos fármacos para el tratamiento, prevención y trastornos del sistema nervioso central, tales como el Alzheimer, el autismo, la epilepsia, la esquizofrenia y parálisis motora curado. Esta es un área que ha estado trabajando en que la biología ha trabajado muy integrada con la computación y la ingeniería. Por ejemplo, un área que se está desarrollando rápidamente es la creación de órganos mecánicos controlados directamente por el sistema nervioso central a través de programas de ordenador. Estos estudios tienen una aplicación directa en la medicina para restaurar los individuos mutilados de la motilidad o tetrapléjico. Además, al ser el desarrollo conjunto de la fruta de las áreas de informática y Neurociencias estas nuevas tecnologías deben permitir a los grandes avances en el estudio de la función cerebral, que servirá como base para el avance de las técnicas de inteligencia artificial , una zona que ya se ha vislumbrado unas pocas décadas. Robótica relacionadas con la inteligencia artificial a través de algoritmos de " máquinas de aprendizaje autodirigido " deberían permitir la creación de sistemas autónomos , que deben tener grandes implicaciones para comprender mejor el funcionamiento del sistema nervioso central y la medicina.
sistemas de Inmunología y vacunología
Desde su primordio inmunología y desarrollo de vacunas ha sido una disciplina altamente empírico. Afortunadamente, con los grandes avances en las áreas de la inmunología celular y molecular, así como la aparición de proyectos de imágenes in vivo , genoma, transcriptoma y proteoma va a tener un mayor control sobre los mecanismos inmunológicos implicados en la resistencia a patógenos y también en la identificación de componentes (antígenos) patógenos (proteínas o carbohidratos) que son objetivos de esta respuesta inmune protectora. Además de utilizar técnicas de biología sintética y la manipulación genética puede ser elaborada químicamente definido y vehículos de vacunas más eficaces. Hoy en día, los sistemas de vacunología que incorporan todos estos enfoques es una disciplina muy activo llevado a un gran aumento de la capacidad de predicción de Inmunología, y por lo tanto el desarrollo racional de vacunas. Se cree que en las próximas décadas se producirá no sólo un gran aumento en el número de nuevas vacunas contra las enfermedades infecciosas y el cáncer, así como una mejora en la seguridad y eficacia de las vacunas existentes.
consideraciones éticas
A pesar de todos los avances tecnológicos y su aplicación a ser una realidad, este avance debe ir acompañada de debate sobre cuestiones éticas y de seguridad en su aplicación en la medicina, tales como el manejo y la difusión de nuevos genes en un individuo o población, así como el uso de células madre y sus aplicaciones en la medicina.
