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14.6: Moderne Krankheitstrends - Biologie

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Abbildung (PageIndex{1}). Wege von vier Krankheiten. Vertikale Achse zeigt Fälle in Tausend.

Viele gewöhnliche Krankheiten wurden seit der letzten Hälfte des 20. Pocken und Rinderpest sind verschwunden und Polio fast so – während wir dies schreiben (2016-17), erwarten Polioarbeiter ihr Aussterben in absehbarer Zeit. Diphtherie ist auf einem ähnlichen Weg (Abbildung (PageIndex{1})), wobei in den Vereinigten Staaten im 20. Jahrhundert überhaupt keine Fälle aufgetreten sind.

Krankheiten wie Keuchhusten und Masern (Abbildung (PageIndex{1})) wurden gedämpft, bleiben aber bei uns, wobei einige periodisch ausbrechen. Die Raten vieler gewöhnlicher Krankheiten sinken, und Infektionskrankheiten sind nicht mehr die Haupttodesursache in der menschlichen Bevölkerung.

Die Raten verschiedener sexuell übertragbarer Krankheiten verlaufen jedoch anders (Abbildung (PageIndex{2})). Die Gonorrhoe-Raten sind zurückgegangen, bleiben aber deutlich über Null und es ist eine häufig gemeldete Krankheit in den Vereinigten Staaten. Das Auftreten von Syphilis scheint zyklisch zu sein, da die Raten gesunken waren, jetzt aber wieder steigen. Die Häufigkeit von Chlamydien, die zu schwerwiegenden Folgen, einschließlich Unfruchtbarkeit bei Frauen, führen kann, ist stetig gestiegen, ohne dass ein Ende in Sicht ist, und die Häufigkeit von Genitalherpes und anderen sexuell übertragbaren Krankheiten steigt in ähnlicher Weise. Sexuell übertragbare Krankheiten sind ein wichtiges Problem, das im 20. Jahrhundert gelöst werden muss.

Abbildung (PageIndex{2}). Sexuell übertragbare Krankheiten in den USA. Die vertikale Achse zeigt die Rate pro 100.000 Einwohner.


Impfstoffe, neue Chancen für eine neue Gesellschaft

Die Impfung ist die wirksamste medizinische Maßnahme, die jemals eingeführt wurde, und zusammen mit sauberem Wasser und sanitären Einrichtungen hat sie einen Großteil der Infektionskrankheiten beseitigt, die einst Millionen von Menschen das Leben gekostet haben. Eine kürzlich durchgeführte Studie kam zu dem Schluss, dass allein in den Vereinigten Staaten seit 1924 Impfstoffe 40 Millionen Fälle von Diphtherie, 35 Millionen Fälle von Masern und insgesamt 103 Millionen Fälle von Kinderkrankheiten verhindert haben. Ein Bericht der Weltgesundheitsorganisation besagt, dass Impfstoffe heute 2,5 Millionen Todesfälle pro Jahr verhindern: Jede Minute werden weltweit fünf Leben durch Impfstoffe gerettet. Insgesamt haben und leisten Impfstoffe hervorragende Arbeit bei der Beseitigung oder Verringerung der Auswirkungen von Kinderkrankheiten. Darüber hinaus haben Impfstoffe dank neuer Technologien heute das Potenzial, einen enormen Beitrag zur Gesundheit der modernen Gesellschaft zu leisten, indem sie nicht nur übertragbare Krankheiten in jedem Alter, sondern auch nichtübertragbare Krankheiten wie Krebs und neurodegenerative Erkrankungen verhindern und behandeln. Die Erzielung dieser Ergebnisse erfordert die Entwicklung neuartiger Technologien und gesundheitsökonomischer Modelle, die nicht nur das reine Kosten-Nutzen-Verhältnis der Impfung, sondern auch den Wert der Gesundheit an sich erfassen können.

Schlüsselwörter: Adjuvantien Kosteneffektivität Immuntherapie Lebenserwartung Reverse Vakzinologie.

Interessenkonflikt-Erklärung

Interessenkonflikt: Alle Autoren sind Vollzeitmitarbeiter von Novartis Vaccines.


Hintergrund

Ganze Genom-Duplikationsereignisse oder Polyploidisierung sind in der Evolutionsgeschichte von Blütenpflanzen wiederholt aufgetreten[1, 2]. Viele derzeit kultivierte Arten sind rezente Polyploide, die entweder durch interspezifische Hybridisierung (Allopolyploide wie Weizen, Hafer, Raps, Erdnuss und Baumwolle) oder intraspezifische Hybridisierung (Autopolyploide wie Apfel, Erdbeere, Wassermelone und Luzerne) gebildet werden. [2]. Darüber hinaus hatten Homoeologen in älteren polyploiden Arten wie Mais (11-15 Millionen Jahre seit der Polyploidisierung)[3] eine längere Zeit, um durch Deletionen, Funktionsverlust, Neofunktionalisierung und Subfunktionalisierungsprozesse (normalerweise bezeichnet) zu divergieren als Diploidisierung). Diese Prozesse verleihen polyploiden Arten eine erhöhte evolutionäre Plastizität, die die Artbildung und Anpassung an neue Umgebungen fördert und zum großen Erfolg der Polyploidie in der Pflanzenevolution beiträgt[2, 4] -polyploide Arten (zB Reis), die schwer von echten diploiden Arten zu unterscheiden sind. Genomische Studien haben jedoch überzeugende Beweise für alte Duplikationsereignisse des gesamten Genoms in den frühen monokotylen und dikotylen Abstammungslinien geliefert, was darauf hindeutet, dass Polyploidie Teil der Evolution der meisten aktuellen Angiospermen war [5, 6].

Weizen (Triticum spp.) wurde zu Beginn der Landwirtschaft vor etwa 10.000 Jahren domestiziert und ist seitdem an ein breites Klimaspektrum auf der ganzen Welt angepasst [4]. Die meisten angebauten Weizensorten gehören zu zwei Arten tetraploid Triticum turgidum L. (Hart- oder Nudelweizen, Genome AABB) und hexaploid T. aestivum L. (Weichweizen, Genome AABBDD). Das tetraploide Weizengenom entstand aus einem interspezifischen Hybridisierungsereignis, das vor weniger als 0,5 Millionen Jahren stattfand und das AA-Genom von T. urartu Tumanian ex Gandilyan und das BB-Genom einer unbekannten Grasart, die mit verwandt ist Aegilops speltoides Tausch[7–9].Weichweizen, T. aestivum , entstand aus einer zweiten Runde interspezifischer Hybridisierung und Genomduplikation, die kurz nach der Domestikation stattfand und die tetraploiden AABB-Genome von kultivierten T. turgidum und das DD-Genom des Wildgrases Aegilops tauschii (Koss.) Schmalh[4].

Die diploiden Vorfahren polyploider Weizenarten wichen erst vor 2,5-4,5 Millionen Jahren von einem gemeinsamen Vorfahren ab[10], was sich in einer hohen durchschnittlichen Identität (ca. 97 %) zwischen den kodierenden Regionen verschiedener Weizenhomöologen widerspiegelt. Dieser Durchschnitt variiert jedoch stark zwischen den Genklassen, die unterschiedlichen evolutionären Belastungen unterliegen [11]. Zum Beispiel ist bekannt, dass Konversionsereignisse (ungleiches Crossing-over zwischen Tandem-duplizierten Paralogen) und diversifizierende Selektionsprozesse die Divergenzrate zwischen Mitgliedern der Krankheitsresistenzgenfamilie beschleunigen [12–14].

Aufgrund des hohen Methylierungsgrades und der erhöhten Insertions- und Deletionsraten, die mit der Fülle an repetitiven Elementen in diesen Regionen verbunden sind, divergieren die intergenischen Regionen von Weizen noch schneller als sich schnell entwickelnde Genfamilien [15]. Diese schnellen Veränderungen in den intergenischen Regionen können sich auf benachbarte Gene auswirken und zu schnellen Gen-Insertionen, -Deletionen und -Transpositionen[16] führen. Die potenziell negativen Auswirkungen von Gendeletionen werden durch Polyploidie[17–20] gepuffert Genfragmente durch benachbarte Retroelemente führt zu einer höheren Proliferation von Pseudogenen in den großen polyploiden Triticeae Genome im Vergleich zu anderen Grasarten mit kleineren Genomen[19, 21].Außerdem führt die zunehmende Divergenz alternativer Spleißvarianten zwischen den diploiden Vorläufern zu einer weiteren Diversifizierung der Genstruktur (und möglicherweise ihrer Funktion) der Homoeologen in den polyploiden Weizenarten[21]. Die dynamische Natur dieser großen Genome muss bei der Entwicklung von Strategien zur Charakterisierung des Weizengen-Komplements berücksichtigt werden.

Bei Arten mit großen Genomen de novo Transkriptomanordnungen sind eine effektive Strategie, um auf den Genraum zuzugreifen und gleichzeitig die sich stark wiederholenden intergenischen Regionen zu vermeiden. Bei Weizen beispielsweise machen die transkribierten Gen-kodierenden Regionen nur 1 bis 2 % des Gesamtgenoms aus[22]. Rasantes Wachstum bei Durchsatz, Qualität und Zugänglichkeit von Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation, zusammen mit Verbesserungen in de novo Transkriptom-Assembly-Algorithmen haben eine Vielzahl von Projekten zur Transkriptom-Sequenzierung gefördert. Durch den verbesserten Zugang zur Sequenzierung der nächsten Generation können viele Pflanzen de novo Transkriptom-Assemblies wurden veröffentlicht und mehrere verschiedene Assemblierungsalgorithmen wurden vorgeschlagen[23–25]. Die spezifischen Herausforderungen für de novo Die Transkriptom-Assemblierung einer jungen polyploiden Spezies wie des tetraploiden Weizens wird gerade erst in Angriff genommen[26, 27]. Besonders wichtig ist die richtige Trennung nahestehender Homöologen, da es bekannte Beispiele dafür gibt, dass verschiedene Homöologen unterschiedlich zu wichtigen agronomischen Merkmalen beitragen (z. B. Weizen VRN1 Homöologen[28]). Die korrekte Trennung von Homöologen ist auch für Züchtungsanwendungen, Markerentwicklung und nachgelagerte Genomanalysen wichtig.

Drei neuere Studien zu hexaploiden Weizentranskriptomen[27, 29, 30] unterstreichen die Schwierigkeiten beim Zusammenbau eng verwandter Homöologen in einer polyploiden Spezies. Schreiber et al. (2012) beobachteten, dass die meisten Homöologen in chimäre Contigs kollabierten, wenn hexaploide Weizentranskriptome entweder mit Velvet/Oases (60% bis 80% chimäre Sequenzen) oder Trinity (50% chimäre Sequenzen) zusammengesetzt wurden. Eine rechenintensive zweistufige Assemblierung unter Verwendung des MIRA-Assemblers half dabei, die Anzahl der chimären homöologischen Sequenzen auf 18% zu reduzieren, wodurch das polyploide Problem im Assemblierungsschritt teilweise gelöst wurde [27]. Eine alternative Strategie wurde von The International Wheat Genome Sequencing . verwendet Konsortium (IWGSC): Genomspezifische Contigs von hexaploiden Weizen wurden durch Sortieren einzelner Chromosomenarme unter Verwendung von Durchflusszytometrie und Sequenzierung erzeugt und jeder von ihnen separat zusammengesetzt[21, 31, 32].

In diesem Beitrag stellen wir eine Bioinformatik-Pipeline vor, die die Herausforderungen von de novo Transkriptom-Assemblierung der eng verwandten Genome von tetraploiden Weizen. Mit dieser Pipeline haben wir das Transkriptom von zusammengestellt, annotiert und analysiert T. turgidum Lebenslauf. Kronos und sein nächster diploider Verwandter T. urartu.Dieses diploide Weizentranskriptom wurde zusammen mit einem Referenzdatensatz von 13.472 Volllängen-Weizen-cDNAs verwendet, um die Wirkung verschiedener Parameter auf die Qualität des tetraploiden Weizenzusammenbaus zu bewerten. spezielle Unterbaugruppen. Schließlich verwendeten wir vergleichende genomische Ansätze, um offene Leseraster und vorhergesagte Proteine ​​zu kommentieren, Pseudogene und künstlich fusionierte Transkripte vorherzusagen und Genmodelle zu generieren, um den Wert dieser Ressource zu steigern.


Branchendiversifizierung: Die Auswirkungen der BioRevolution gehen weit über das Gesundheitswesen hinaus

Die Technologien, die der Biologierevolution zugrunde liegen, sind miteinander verbunden und verstärken die Fortschritte in interdisziplinären Bereichen. Wir haben vier wichtige BioRevolution-Sektoren identifiziert, von denen jeder mehrere Untersektoren mit Auswirkungen umfasst.

Menschliche Gesundheit – Die genetischen und biotechnologischen Revolutionen werden am häufigsten mit der Gesundheitsversorgung in Verbindung gebracht, da viele der prominentesten vorläufigen Anwendungen im Zusammenhang mit der Gesundheitsversorgung stehen. Die Quantität und Qualität dieser Anwendungen wird erheblich zunehmen, wenn unsere Gesundheitssysteme von einer allgemeinen Medizin auf der Grundlage des Bevölkerungsdurchschnitts zu einer personalisierten oder präzisen Gesundheitsversorgung auf der Grundlage der individuellen Biologie jedes Einzelnen übergehen. Wenn die Menge der über das menschliche Genom gesammelten Daten eine kritische Masse erreicht, wird unser System zu einem prädiktiven und präventiven Gesundheitssystem übergehen, das uns helfen wird, ein gesünderes und längeres Leben zu führen.

Obwohl das Gesundheitswesen bisher der reifste Markt ist, erwarten wir, dass andere Sektoren aufholen.

Landwirtschaft und Lebensmittel – Technologien werden den selektiven Züchtungsprozess beschleunigen, um in Monaten oder wenigen Jahren zu erreichen, was früher Jahrhunderte oder Jahrtausende gedauert hätte. Schädlingsresistenz, Ertrag und Vielfalt können bei Grundnahrungsmitteln erheblich verbessert werden, die auch so konstruiert werden können, dass die Photosynthese signifikant erhöht wird, um den Klimawandel zu verlangsamen. Domestizierte Tiere können so verändert werden, dass sie die Krankheitsresistenz, Produktivität und Produktqualität durch markergestützte selektive Züchtung mit dem Ziel spezifischer gewünschter Ergebnisse erhöhen.

Materialien Chemikalien & Energie – Die Beschaffung industrieller Vorleistungen für die Fertigung ist ein weiterer Bereich, der für eine Transformation reif ist. Da die menschliche Bevölkerung bis Mitte des Jahrhunderts auf schätzungsweise 10 Milliarden Menschen anwächst, werden die derzeitigen Modelle zur Ressourcengewinnung nicht nachhaltig sein. Die Werkzeuge der genetischen und biotechnologischen Revolutionen machen es jedoch möglich, Materialien in großem Maßstab zu erzeugen, indem der genetische Code manipuliert wird, anstatt sie aus der Natur zu extrahieren. Anstatt beispielsweise Plastik aus Erdöl und Duftstoffe aus Blumen herzustellen, können wir beides durch Gentechnik von Hefe und anderen Mikroben herstellen.

Biologische Maschinen & Schnittstellen – Die Verbindung und Kommunikation zwischen der Biologie von Mensch und Computer, einschließlich der Verwendung von DNA für Computer und Speicherung, erhöht das Potenzial, Daten von Einzelpersonen zu extrahieren, zu speichern und zu verarbeiten.

WTDNA hält derzeit etwa 80 % seines Gewichts im Bereich Human Health. Im Laufe der Zeit erwarten wir, dass die Reifung von Landwirtschaft und Nahrungsmitteln sowie Materialien, Chemikalien und Energie ihre stärkere Präsenz in WTDNA vorantreiben wird.


Methoden

Daten zu vektorübertragenen Erkrankungen von NNDSS wurden von 2004, dem ersten Jahr, in dem sowohl neuroinvasive als auch nicht-neuroinvasive virale (arbovirale) Erkrankungen durch Arthropoden meldepflichtig waren, bis 2016, dem letzten Jahr, für das vollständige Daten verfügbar sind, abgerufen (https://wwwn.cdc. gov/nndss/conditions/mitteilungspflichtig). Die Daten wurden nach Krankheit, Vektortyp (d. h. Mücke, Zecke oder Floh), Wohnsitzstaat oder -gebiet und Jahr geordnet. Staatliche Gesundheitsbehörden melden Krankheitsfälle beim Menschen unter Verwendung von Standardüberwachungsfalldefinitionen, die klinische und Laborkriterien umfassen. Für einige Krankheiten wurden Daten, die gemäß den Definitionen des Staatsrates und der Territorialepidemiologen als bestätigt oder wahrscheinlich gemeldet wurden, kombiniert.

Chikungunya-Virus, Zika-Virus und Babesien Fälle wurden nach 2004 meldepflichtig, es werden nur diese Daten in NNDSS präsentiert. Obwohl Denguefieber erst im Jahr 2010 auf nationaler Ebene meldepflichtig wurde, waren frühere nationale Daten von der Dengue-Zweigstelle der CDC verfügbar und wurden in diese Analyse einbezogen.


Situative Aufmerksamkeit

Situationsbewusstsein—im Kontext der Pandemievorsorge—kann definiert werden als eine genaue, aktuelle Sicht auf potenzielle oder anhaltende Bedrohungen durch Infektionskrankheiten (einschließlich durch traditionelle Überwachung bei Mensch und Tier) und die Ressourcen (menschlich, finanziell, informativ). und institutionell) zur Verfügung stehen, um diese Bedrohungen zu bewältigen (ASPR 2014). Situationsbewusstsein ist eine entscheidende Aktivität in allen Phasen einer Pandemie, einschließlich Präpandemie-, Funken- und Ausbreitungsperioden. Es erfordert die Unterstützung von Ressourcen des Gesundheitswesens (wie Krankenhäuser, Ärzte und Krankenschwestern), Diagnoseinfrastruktur und Kommunikationssystemen. Es erfordert auch, dass die Bevölkerung Zugang und Vertrauen in das Gesundheitssystem hat.

Situationsbewusstsein unterstützt politische Entscheidungen, indem es verfolgt, ob und wo eine Krankheitsübertragung stattfindet, die effektivsten Methoden zur Verringerung der Übertragbarkeit aufspüren und entscheiden, wo Ressourcen zugewiesen werden sollen. Während einer Pandemie ermöglicht das Situationsbewusstsein ein Monitoring, um den Verlauf einer Pandemie zu verstehen und ob Interventionsmaßnahmen wirksam sind.

Um das Vorliegen einer Pandemie nachweisen zu können, müssen die Mitarbeiter des Gesundheitswesens die Krankheit erkennen und über die technischen und Laborkapazitäten verfügen, um den Erreger zu identifizieren (oder bekannte Erreger auszuschließen) und rechtzeitig auf eine Zunahme von klinischen Proben zu reagieren. Eine schnelle Identifizierung reduziert das Risiko, indem sie es ermöglicht, infizierte Personen zu isolieren und eine angemessene klinische Versorgung zu erhalten. Während der SARS-Pandemie von 2003 könnte eine Verzögerung von einer Woche bei der Anwendung von Kontrollmaßnahmen das Ausmaß des Ausbruchs fast verdreifacht und seine Dauer um vier Wochen verlängert haben (Wallinga und Teunis 2004).

Endemische Infektionskrankheiten können die Erkennung von Pandemien beeinträchtigen, indem sie die Differentialdiagnose und die schnelle Identifizierung von Pandemiefällen erschweren. Überlappende Symptome zwischen endemischen und neu auftretenden Krankheitserregern, beispielsweise zwischen Dengue und Zika oder zwischen Malaria und Ebola, haben die Früherkennung von Fällen behindert (de Wit und andere 2016 Wagoner und Pinsky 2016). Diese Schwierigkeit deutet darauf hin, dass Investitionen in die Entwicklung und den Einsatz von Schnelltests in Regionen mit einer hohen Belastung durch endemische Krankheitserreger und einem hohen Risiko des Auftretens oder Imports von Krankheiten eine Rolle spielen (Yamey und andere 2017). Weitere Einschränkungen, die das Situationsbewusstsein für Epidemien und Pandemien in LMICs beeinträchtigen, sind in Kasten 17.2 beschrieben.

Kasten 17.2

Einschränkungen des Situationsbewusstseins in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen.


5. Eine Zunahme der digitalen Beurteilung, Diagnose und Behandlung von Patienten

Die Transformation und Entwicklung des digitalen Aspekts von Unternehmen gibt es seit Jahrhunderten. All dies hat einen besseren Zugang für Verbraucher und verbesserte Marketingstrategien für Unternehmen geschaffen. Im Jahr 2021 wird der Digitalisierungsaspekt der Biotechnologie durch die Möglichkeit der Online- und Fernbeurteilung, Diagnose und Behandlung von Patienten auf der ganzen Welt definitiv zunehmen.

Bis heute gibt es zahlreiche Ärzte und Heilpraktiker, die akkreditiert sind, um ihre Praxis online fortzusetzen. Mit Unternehmen wie Virtual Health, die drahtlose Geräteassistenten bereitstellen, ist eine virtuelle Diagnose möglich. Einige Allgemeinärzte können sogar Medikamente über ihre virtuellen Kliniken mit ihrem Online-Datenbankzugriff über LiveHealth Online oder Teladoc verschreiben. Telepraktik ist jetzt ein sich entwickelnder und wachsender Trend in der Biotech-Welt.


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Wir werden mit Deepfakes in den Krieg ziehen

Bei einem Wettrüsten treten KIs gegeneinander an, um herauszufinden, was real ist und was nicht.

Deepfake-Videos sind in den letzten zwei Jahren online explodiert. Hier wird künstliche Intelligenz (KI) verwendet, um das Bild einer Person in einem Foto oder Video gegen das einer anderen Person auszutauschen.

Deeptrace, ein Unternehmen, das dies bekämpft, sagt, dass die Deepfakes in den acht Monaten zwischen April und Dezember 2019 um 70 Prozent auf 17.000 gestiegen sind.

Die meisten Deepfakes, etwa 96 Prozent, sind Pornografie. Hier ersetzt das Gesicht eines Prominenten das Original. In seinem Bericht 2019 Der Staat der DeepfakesLaut Deeptrace haben die vier besten dedizierten Deepfake-Pornoseiten 134.364.438 Aufrufe generiert.

Noch vor fünf Jahren erforderte die realistische Videomanipulation teure Software und viel Geschick und war daher in erster Linie den Filmstudios vorbehalten. Jetzt können frei verfügbare KI-Algorithmen, die gelernt haben, hochrealistische Fälschungen zu erstellen, die gesamte technische Arbeit übernehmen. Alles, was jeder braucht, ist ein Laptop mit einer Grafikprozessoreinheit (GPU).

Auch die KI hinter den Fälschungen wurde immer ausgefeilter. „Die Technologie ist wirklich viel besser als im letzten Jahr“, sagt Associate Professor Luisa Verdoliva, Teil der Forschungsgruppe Bildverarbeitung an der Universität Neapel in Italien. „Wenn du dir YouTube-Deepfake-Videos aus diesem Jahr im Vergleich zum letzten Jahr ansiehst, sind sie viel besser.“

Jetzt gibt es innerhalb von Universitäten und Unternehmensgründungen enorme Anstrengungen, Deepfakes zu bekämpfen, indem KI-basierte Erkennungssysteme perfektioniert und KI auf sich selbst gestellt werden. Im September 2019 haben sich Facebook, Microsoft, die University of Oxford und mehrere andere Universitäten zusammengetan, um die Deepfake Detection Challenge zu starten, um die Forschung voranzutreiben. Sie haben eine riesige Ressource von Deepfake-Videos zusammengeführt, damit Forscher ihre Erkennungssysteme gegeneinander antreten können. Facebook hat sogar 10 Millionen Dollar für Auszeichnungen und Preise ausgegeben.

Verdoliva ist Teil des Beratungsgremiums der Challenge und führt ihre eigene Erkennungsforschung durch. Ihr Ansatz besteht darin, mithilfe von KI verräterische Zeichen zu erkennen – für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar –, in die Bilder eingegriffen wurden.

Jede Kamera, auch Smartphones, hinterlässt bei der Verarbeitung eines Fotos unsichtbare Muster in den Pixeln. Unterschiedliche Modelle hinterlassen unterschiedliche Muster. „Wenn ein Foto mit Deep Learning manipuliert wird, weist das Bild diese Eigenschaften nicht auf“, sagt Verdoliva. Wenn also diese unsichtbaren Markierungen verschwunden sind, ist es wahrscheinlich ein Deepfake.

Andere Forscher verwenden andere Erkennungstechniken und während viele von ihnen Deepfakes erkennen können, die auf ähnliche Weise wie in ihren Trainingsdaten generiert wurden, besteht die eigentliche Herausforderung darin, ein heimliches Erkennungssystem zu entwickeln, das mit völlig anderen Techniken erstellte Deepfakes erkennen kann.

Inwieweit Deepfakes in den nächsten Jahren unser Leben infiltrieren werden, wird davon abhängen, wie sich dieses KI-Wettrüsten entwickelt. Im Moment spielen die Detektoren Aufholjagd.

Gehirn-Maschine-Schnittstellen werden die Art und Weise, wie wir arbeiten (und gehen) verändern

Exoskelette werden den Gelähmten helfen, wieder zu gehen und Fabrikarbeiter zu schützen.

Ein Teil des Versprechens der Technologie besteht darin, dass sie es uns ermöglichen wird, unsere natürlichen Fähigkeiten zu übertreffen. Einer der Bereiche, in denen dieses Versprechen am offensichtlichsten ist, sind Brain-Machine-Interfaces (BMIs), Geräte, die in Ihr Gehirn implantiert werden und neuronale Signale erkennen und decodieren, um Computer oder Maschinen durch Gedanken zu steuern.

Das vielleicht beste Beispiel für das Potenzial von BMIs kam im Oktober 2019, als der gelähmte Thibault einen benutzte, um ein Exoskelett zu kontrollieren, das ihm das Gehen ermöglichte.

Was den BMI derzeit jedoch zurückhält, ist die Anzahl der Elektroden, die sicher implantiert werden können, um die Gehirnaktivität zu erkennen, und dass die Elektroden, da sie aus Metall sind, das Gehirngewebe schädigen und schließlich korrodieren und nicht mehr funktionieren.

Aber im vergangenen Juli kündigte der Tech-Unternehmer Elon Musk an, dass sein Unternehmen Neuralink eine Lösung bieten könnte. Der Neuralink BMI behauptet nicht nur, dass er mehr Elektroden verwendet, er wird auch auf flexiblen Polymerfäden getragen, die weniger wahrscheinlich Schäden verursachen oder korrodieren.

Es ist jedoch schwer zu sagen, wie realistisch diese Behauptungen sind, da das Unternehmen in Bezug auf die Technologie immer noch wortkarg ist. Außerdem muss es noch am Menschen getestet werden.

Auch ohne BMI werden Exoskelette bereits zur Steigerung der menschlichen Fähigkeiten eingesetzt, insbesondere bei Menschen, deren Fähigkeiten aufgrund von Krankheit oder Verletzung eingeschränkt sein könnten.

Bei Hobbs Rehabilitation in Winchester verwendet der spezialisierte Physiotherapeut Louis Martinelli ein Exoskelett, das an Rücken, Hüften, Beinen und Füßen eines Patienten befestigt wird, um ihm beim Stehen und Gehen zu helfen.

„Wenn der Patient eine wirklich schwere Rückenmarksverletzung erlitten hat, ist dies die einzige Möglichkeit, ihn aufzurichten und ausreichend durch den Raum zu treten“, sagt er. „Es hat sich als wirklich vorteilhaft erwiesen, insbesondere für das Blutdruckmanagement, die Verringerung des Risikos von Gefäßerkrankungen sowie die Blasen- und Darmfunktion.“

Beim Exoskelett werden nur ein bis zwei Physiotherapeuten benötigt, um den Patienten zu unterstützen, und nicht ein Team von vier oder mehr Personen. Aber es ermöglicht dem Patienten auch, viel mehr zu erreichen – mehrere hundert Schritte während einer Sitzung statt der 10-20 Schritte bei der herkömmlichen Therapie. Es gibt potenzielle Anwendungen an anderer Stelle – Exoskelette für den Oberkörper werden in einer US-amerikanischen Ford-Fertigungsanlage getestet, um Menschen beim Tragen schwerer Autoteile zu helfen.

Aber so nützlich Unterkörper-Exoskelette auch sind, es ist unwahrscheinlich, dass sie Rollstühle in absehbarer Zeit ersetzen werden. Das liegt zum Teil daran, dass sie mit unebenen Oberflächen zu kämpfen haben und die Gehgeschwindigkeit nicht erreichen können, aber auch, weil sie so viel teurer sind.

Rollstuhlpreise beginnen bei 150 £, während ein Exoskelett Sie zwischen 90.000 und 125.000 £ zurücksetzen kann. Deshalb möchte Martinelli die Technik in den kommenden Jahren etwas einfacher gestalten.

„Was ich gerne sehen würde, ist, dass die Verfügbarkeit dieser Geräte steigt, weil sie sehr teuer sind. Für Einzelpersonen ist es wirklich schwierig, Zugang zu einem Exoskelett zu bekommen, vielleicht würde eine einfachere Version, die die Hälfte des Preises kostet, mehr Zentren oder mehr Orten ermöglichen, sie zu haben.“

Maschinen werden deine Emotionen verfolgen

Angesichts ethischer Bedenken werden sich Wissenschaftler bemühen, der KI beim Lesen von Gefühlen zu helfen.

Emotion AI zielt darauf ab, in unsere innersten Gefühle zu blicken – und die Technologie ist bereits da. Es wird von Marketingfirmen verwendet, um zusätzliche Einblicke in die Stellenbewerber zu erhalten.

Computer Vision identifiziert Gesichtsausdrücke und maschinelles Lernen sagt die zugrunde liegenden Emotionen voraus. Der Fortschritt ist jedoch eine Herausforderung, die Emotionen von jemandem zu lesen ist wirklich schwer.

Professor Aleix Martinez, der an der Forschung beteiligt war, fasst es treffend zusammen: „Nicht jeder, der lächelt, ist glücklich, und nicht jeder, der glücklich ist, lächelt.“

Er untersucht, ob emotionale KI Absichten messen kann – etwas, das für viele Kriminalfälle von zentraler Bedeutung ist. „Die Auswirkungen sind enorm“, sagt er.

Ihr KI-Psychiater wird Sie jetzt sehen

Sozial- und Gesundheitssysteme stehen überall auf der Welt unter Druck. Infolgedessen interessieren sich Ärzte zunehmend dafür, wie sie mit Smartphones Patienten diagnostizieren und überwachen können.

Natürlich kann ein Smartphone keinen Arzt ersetzen, aber da diese Geräte fast zu jeder Tageszeit bei uns sind und jede unserer Aktionen verfolgen können, wäre es nachlässig, diese Fähigkeit endgültig zu nutzen.

Mehrere Prozesse laufen bereits. MindLAMP kann eine Reihe von psychologischen Tests mit Gesundheits-Tracking-Apps vergleichen, um Ihr Wohlbefinden und Ihre geistige Schärfe im Auge zu behalten. Das Screenome-Projekt möchte herausfinden, wie sich die Art und Weise, wie Sie Ihr Telefon benutzen, auf Ihre psychische Gesundheit auswirkt, während eine App namens Mindstrong sagt, dass sie Depressionen diagnostizieren kann, indem Sie einfach über Ihr Telefon streichen und scrollen.

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Wir werden den Mond (und vielleicht den Mars) betreten

Werden wir in den nächsten zehn Jahren Astronauten sehen, die den Mond betreten? Wahrscheinlich. Was ist mit dem Mars? Definitiv nicht. Aber wenn die Pläne der NASA aufgehen, werden Astronauten in den 2030er Jahren den Roten Planeten besuchen.

Es besteht kein Zweifel an den Bestrebungen der NASA, Astronautenfüße auf dem Mars zu platzieren. In einem ihrer Berichte, NASA's Journey to Mars, erklären sie, dass die Mission "die nächste greifbare Grenze für die Erweiterung der menschlichen Präsenz" darstellen würde.

Der Plan ist, den Mond und eine kleine Raumstation in der Umlaufbahn um den Mond, das Lunar Orbital Platform-Gateway, als Sprungbrett zu nutzen, damit die Raumfahrtbehörde Fähigkeiten entwickeln kann, die bei der 34 Millionen Meilen langen Reise zum Roten helfen werden Planet.

Ein unabhängiger Bericht über die Marsambitionen der NASA legt einen Zeitplan fest, der bis 2028 Astronauten betritt, die den Mond betreten, und eine Mission, die weniger als ein Jahrzehnt später, bis 2037, den Mars umkreist.

Privatsphäre wird wirklich wichtig

Nachdem wir einen Großteil des letzten Jahrzehnts damit verbracht haben, unsere Daten über unsere Smartphones, soziale Medien und Suchanfragen an Unternehmen wie Apple, Facebook und Google weiterzugeben, scheint es, als ob die Menschen auf der ganzen Welt und die Regierungen, die sie vertreten, dies wissen Risiken, dass diese Unternehmen so viel über uns wissen.

In den nächsten 10 Jahren sieht es nicht anders aus, nur können wir jetzt Fingerabdrücke, genetische Profile und Gesichtsscans zu der Liste der von uns übergebenen Informationen hinzufügen. Da die Zahl der Datenschutzverletzungen – Unternehmen, die es versäumen, die von ihnen gespeicherten Daten zu schützen – jedes Jahr ansteigt, ist es nur eine Frage der Zeit, bis Regierungen eingreifen oder wie im Fall von Apple, Technologieunternehmen beginnen, uns die Idee zurückzuverkaufen der Privatsphäre selbst.

Das Internet wird überall sein

Zwischen 5G-Netzwerken und dem Internet, das von den StarLink-Satelliten von Elon Musk zu uns gesendet wird, wird das mobile Internet in den nächsten zehn Jahren viel schneller und gleichmäßiger verteilt.

Diese neuen Netzwerke werden völlig neue Technologiefelder erschließen, von fahrerlosen Autos über die Flugsicherung von Drohnen bis hin zur virtuellen Peer-to-Peer-Realität. Aber es ist nicht ohne Nachteile.

SpaceX plant, in den nächsten Jahren 12.000 Satelliten zu starten, um seine StarLink-Konstellation zu schaffen, wobei Tausende weitere von anderen Unternehmen eingesetzt werden. Mehr Satelliten bedeuten mehr Kollisionsgefahr und mehr Weltraummüll. Es wurde auch gezeigt, dass die Satelliten astronomische Beobachtungen und Wettervorhersagen stören.

Unterirdische Städte werden steigen

Erdkratzer könnten dazu beitragen, der ständig wachsenden Stadtbevölkerung Wohn-, Büro- und Erholungsräume zur Verfügung zu stellen.

Wenn die Bevölkerung den ländlichen Raum verlässt, suchen Stadtplaner unter ihren Füßen nach Antworten

Da der Platz in den Städten so begrenzt ist, bleibt für diejenigen, die es sich leisten können, ihr Eigentum zu erweitern, oft die einzige Möglichkeit, in den Untergrund zu gehen. Luxuskeller sind bereits ein Merkmal vieler Häuser in London, aber da die Stadtbevölkerung weiter wachsen wird, beginnen unterirdische Entwicklungen in viel größerem Maßstab zu erscheinen.

Eine Idee, die sich noch im Konzeptstadium befindet, ist der für Mexiko-Stadt vorgeschlagene „Earthscraper“. Diese 65-stöckige umgekehrte Pyramide wurde vorgeschlagen, um Büro-, Einzelhandels- und Wohnflächen bereitzustellen, ohne die historischen Gebäude der Stadt abreißen oder die Höhenbeschränkung von 8 Stockwerken durchbrechen zu müssen.

Es bleiben jedoch viele Fragen zur Machbarkeit eines solchen Projekts, wie zum Beispiel wie man Licht spendet, Abfall beseitigt und Menschen vor Feuer oder Überschwemmung schützt. Einige dieser Fragen wurden möglicherweise mit dem Bau des Intercontinental Shanghai Wonderland Hotels in China beantwortet. Dieses Luxusresort mit 336 Zimmern wurde in die Felswand eines 88 m tiefen, stillgelegten Steinbruchs gebaut, der im November 2018 eröffnet wurde.

Auch der Inselstadtstaat Singapur erkundet seine unterirdischen Möglichkeiten. Die Jurong Rock Caverns werden nicht nur zu einem unterirdischen Lager für die Ölreserven des Landes umgebaut, sondern es ist auch geplant, eine „Untergrund-Wissenschaftsstadt“ für 4.200 Wissenschaftler zu bauen, die Forschung und Entwicklung betreiben.

In New York verwandelt das Lowline-Projekt eine verlassene U-Bahn-Station in einen Park. Es wird voraussichtlich 2021 eröffnet und verwendet ein System von oberirdischen Lichtsammelschalen, um genügend Licht in den unterirdischen Raum zu leiten, um Pflanzen, Bäume und Gras anzubauen.

Wir werden weiterhin nach außerirdischem Leben suchen

Die Mission der Europäischen Weltraumorganisation zum Jupiter und seinen Monden, JUICE, könnte unsere beste Wahl sein, um außerirdisches Leben in unserem Sonnensystem zu finden.

Läuft alles nach Plan, startet die Europäische Weltraumorganisation im Mai 2022 die erste Großklassenmission ihres Cosmic Vision Programme. Der JUpiter ICy moons Explorer (oder JUICE) schleudert um Erde, Venus und Mars und nimmt die Geschwindigkeit auf, die er benötigt, um ihn zum Jupiter zu befördern.

JUICE wird voraussichtlich 2029 beim Gasriesen eintreffen, wo es mit der bisher möglicherweise detailliertesten Untersuchung des Planeten beginnen wird.

„Es gibt zwei Ziele“, erklärt Dr. Giuseppe Sarri, der JUICE-Projektleiter. „Eine ist, Jupiter als System zu studieren. Jupiter ist ein Gasriese mit über 70 Monden, und für unser Verständnis der Entstehung des Sonnensystems ist das Studium eines Mini-Sonnensystems wissenschaftlich nützlich. Wir werden die Atmosphäre, Magnetosphäre und das Satellitensystem untersuchen.

“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.”

Read more about the search for extra-terrestrial life:

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

Natur Biotechnologie 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? Natur Biotechnologie 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.