Novas Tecnologias para o Século XXI

Algumas novas direções para a tecnologia nas próximas décadas

Responsável: Marcos Pimenta  Várias novas tecnologias nas próximas décadas serão motivadas por alguns grandes desafios que a humanidade já está deparando, e que serão vitais num futuro breve, como o impacto causado pelo homem na natureza e novas fontes de energia que permitam a evolução e implementação de novas tecnologias. Por outro lado, para também que seja possível o progresso em tecnologias da informação, serão necessários novos tipos de dispositivos eletrônicos ou similares que venham a substituir a atual tecnologia baseada em materiais de silício. O desenvolvimento de novos tipos de materiais com propriedades superiores aos hoje existentes e que não impactem a natureza também será uma força motriz para o desenvolvimento de novas tecnologias.

Energia

Um enorme desafio para a humanidade nas próximas décadas será a geração de energia limpa e renovável, e que não faça uso de recursos fósseis como petróleo, gases, carvão, etc. As formas de geração de energia limpa ainda são hoje menos eficientes e mais caras do que as convencionais. Novos tipos de dispositivos deverão ser desenvolvidos nas próximas décadas de modo a aumentar a eficiência e baratear os dispositivos de geração de energia limpa como, por exemplo, as células fotovoltaicas que convertem a luz do sol em eletricidade, a bioenergia, energia eólica, maremotriz, geotérmica, etc. O armazenamento de energia é um outro desafio. Serão necessárias novas tecnologias que permitam o desenvolvimento de baterias que armazenem uma maior quantidade de energia. Um terceiro desafio é a forma como a energia é transportada, o que tornará viável o uso de meios de transporte movidos por fontes não poluentes. Uma alternativa muito promissora são as chamadas células de combustível, ou células de hidrogênio, onde a eletricidade é gerada a partir da reação entre o hidrogênio e o oxigênio, sendo a água o subproduto. O desenvolvimento de novos materiais e a otimização das fontes limpas de energia serão necessariamente baseadas no entendimento dos mecanismos físicos que levem ao desenvolvimento de novas formas de gerar e armazenar energia.

Eletrônica, Optrônica e Spintrônica

As tecnologias de informação serão certamente o carro chefe das evoluções tecnológicas nas próximas décadas, mas, para que isso aconteça, será necessário o desenvolvimento de novos tipos de dispositivos físicas que venham a substituir os atuais processadores baseados no elemento químico silício. Existe uma previsão de que nos próximos anos haja uma saturação no desenvolvimento da eletrônica baseada no silício. Para atual revolução da informática prossiga no mesmo ritmo de crescimento que vem ocorrendo nas últimas décadas, a etapa seguinte passará pela nanotecnologia e por dispositivos com maior desempenho e menor consumo de energia do que os atuais. Vários estudos têm sido dedicados a moléculas que possam desempenhar a função de um transistor. Por outro lado, os materiais uni- dimensionais, como os nanotubos, e bi-dimensionais (2D) com espessuras atômicas, como o grafeno, serão uma rota para o desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos mais eficientes do que os atuais. Estas novas tecnologias possibilitarão também o desenvolvimento de sensores químicos e sensores de gases, que funcionam como uma língua e um nariz eletrônico. A computação quântica, baseada em novos tipos de algoritmos não binários e que fazem uso de propriedades quânticas, também vai requerer o desenvolvimento de dispositivos físicos, que poderão ser baseados nas propriedades elétricas e magnéticas da matéria, ou na luz. Uma outra área que impactará a tecnologia será baseada no spin dos elétrons (propriedade elementar associada ao magnetismo). Novos dispositivos usando a spintrônica, área equivalente à eletrônica, mas na qual se empregam spins em vez de elétrons serão desenvolvidos. A optrônica é outro campo emergente no desenvolvimento de dispositivos, nos quais os elétrons são, desta vez, substituídos por fótons (partículas de luz). Nessa área, a plataforma básica para a pesquisa são os chamados cristais fotônicos, cuja entidade elementar periódica são nanomateriais e nanoestruturas com tamanhos da ordem do comprimento de onda da luz visível (aproximadamente 500 nm). Uma outra direção nestas tecnologias será o desenvolvimento de dispositivos flexíveis, baseados em materiais orgânicos, como os polímeros. Recentemente foram desenvolvidos novos tipos de LEDs constituídos de polímeros semicondutores, que são chamados de OLEDs (LEDs orgânicos), e que já têm sido usados em alguns novos modelos de TVs. A expectativa é que sejam desenvolvidos novos dispositivos eletrônicos que sejam flexíveis, como processadores, sensores, etc.

Novos materiais

Na história da humanidade, costuma-se nomear os períodos de evolução com o nome dos materiais desenvolvidos pelos humanos, como a idade da pedra, idade do bronze e a idade do ferro. O desenvolvimento nas técnicas de manufatura de materiais, como metais, cerâmicas e vidros, pode ser considerado como uma das formas mais antigas de engenharia e ciência aplicada. Nos últimos séculos, foram desenvolvidos novos tipos de materiais, como o aço e os plásticos, que se encontram na maioria dos produtos que lidamos em nosso dia a dia. Por um lado, a matéria prima necessária para a obtenção desses materiais provem de fontes não renováveis e que impactam o meio ambiente, como minérios, petróleo, etc. Um dos desafios da humanidade será o desenvolvimento de novos materiais que venham a substituir os atuais, e com propriedades superiores. Um exemplo são os chamados nanocompósitos, misturas bastante homogêneas de diferentes tipos de nanomateriais (nanotubos, nanopartículas, grafeno, etc) com outros materiais convencionais, como os plásticos, cerâmicas, cimento e outros. Esta mistura confere aos materiais convencionais novas propriedades, que são úteis em várias aplicações. Um plástico misturado com nanopartículas metálicas pode se tornar um condutor de eletricidade mantendo a sua flexibilidade, uma cola com nanopartículas pode suportar temperaturas mais altas, o cimento com uma fração de nanotubos de 0,1% pode ter suas propriedades mecânicas aumentadas de mais de 50%. Espera-se também o desenvolvimento de novos materiais supercondutores que sejam usados em temperaturas ambientes. Estes novos supercondutores poderão ser usados no armazenamento de energia, e no desenvolvimento de uma nova geração de equipamentos, como imageamento por ressonância magnética, etc.

Química Verde

A chamada Química verde será baseada em matérias primas provenientes de fontes renováveis, e cujo produto final não seja nocivo ao meio ambiente. Um objetivo será transformar a maior parte dos reagentes utilizados em produto final, evitando a formação de subprodutos tóxicos e poluentes, e o uso de a solventes que não impactem a saúde e o meio ambiente. As novas tecnologias buscarão a fabricação de materiais biodegradáveis, que possam ser reciclados pela natureza, e o desenvolvimento de métodos para descontaminar efluentes gerados em diferentes tipos de indústrias. O desenvolvimento de novos tipos de catalisadores permitirá a aceleração de reações químicas, com economia de materiais de consumo e energia.

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Biotecnologia no Século XXI:

Responsável: Ricardo Gazzinelli 
Consultas: Gustavo Menezes, João Marques, Mayana Zatz , Santuza Teixeira e Virgílio Almeida  A Biologia de Sistemas (Systems Biology) consiste na modelagem computacional e matemática dos sistemas biológicos complexos. Esta é uma abordagem multidisciplinar que visa estudar as interações complexas dos sistemas biológicos de uma forma integrada. A ideia principal é a utilização integrada de técnicas de análise de expressão global de genes (transcriptoma), proteínas (proteoma), assim como vias metabólicas (metaboloma) e de sinalização. Estas abordagens associadas a triagens em alta escala (high throughput) de funções gênicas, por exemplo, estão permitindo grandes avanços no entendimento de como uma célula ou sistema funciona, como é o caso da resposta imunológica contra um patógeno ou de circuitos neuronais envolvidos no processo de cognição. A preferência pela utilização de estratégias integrativa para estudar a biologia de forma mais holística, e não reducionista, tem crescido muito, e deve preponderar nas próximas décadas.

Genômica e análise de “big data”

Nas últimas décadas, a tecnologia de DNA recombinante associada às pesquisas de genoma, transcriptoma e proteoma permitiram grandes avanços na identificação e caracterização funcional (genoma funcional) de uma grande variedade genes, muitos deles envolvidos em doenças humanas de origem hereditária. Com o advento das diferentes plataformas conhecidas como Next Generation Sequencing (NGS), incluindo a tecnologia de sequenciamento de moléculas únicas em tempo real, o sequenciamento e montagem de genomas individuais poderão ser concluídos em uma questão de dias, no lugar de meses ou anos, e a um custo muito inferior. Também já está disponível o sequenciamento de quarta geração que permitem a geração de sequencias genômicas e de RNA (transcriptoma) a partir de uma única célula. É também emergente a citometria de fluxo acoplada a espectrometria de massa, uma tecnologia que permite a análise de expressão de centenas de proteínas a partir de populações celulares específicas isoladas de tecidos, sem a necessidade de uma etapa de purificação dessas proteínas. Paralelamente, foi estabelecido recentemente o mapa epigenômico humano, que permitirá definir o papel de alterações epi-genéticas (ou seja, aquelas que não alteram a sequência do genoma) responsáveis pela sua regulação, hora aumentando hora diminuindo a expressão gênica, o que pode ser responsável pelo processo de diferenciação celular, assim como o aumento da resistência ou susceptibilidade a uma grande variedade de doenças. Juntas estas novas tecnologias irão permitir o sequenciamento e análises de um número ilimitado de genomas, o estudo da expressão global de genes ou de proteínas de diferentes organismos, de toda uma população de microrganismos presente em um ecossistema (microbioma), e mesmo de células nos tecidos de um único indivíduo em diferentes estágios de desenvolvimento levando ao mapeamento detalhado de microambientes envolvidos em diferentes processos biológicos. Por fim, os avanços da tecnologia de microfluídica possibilitam a miniaturização e realização de técnicas de amplificação e hibridização de sequências específicas e sequenciamento de DNA. Com isso, CHIPs nos quais são realizadas dezenas a milhares de reações permitem a realização in loco o diagnóstico simultâneo de várias doenças infecciosas, bem como o mapeamento de sequências específicas no genoma, identificando genes específicos e seus alelos, que indicam a predisposição ou resistência a enfermidades, quer seja no homem, animais ou plantas. Com esse volume crescente de dados, um dos grandes desafios será o desenvolvimento de programas de tecnologia de informação (TI) adequados ao processamento de toda a informação gerada. Uma das expectativas mais promissoras são os algoritmos de “self learning machines” os quais deverão automatizar e ampliar a capacidade de análise e geração de hipóteses da pesquisa que explora o que chamamos de “ big data ”.

Sistemas de imagem in vivo

Além dos projetos “omas”, as tecnologias de imagem in vivo passaram a ter papel central na Biologia de Sistemas. A adequação de microscópios confocais e de super-resolução para imageamento in vivo permite atualmente a visualização de células e organelas não mais em um tubo de ensaio ou em uma lâmina, mas sim dentro de seu contexto natural. Associado a tecnologia recombinante e a geração de animais transgênicos que expressam marcadores fluorescentes, pode-se visualizar, por exemplo, a troca de informação célula‐célula durante uma resposta inflamatória, filmar diferentes células se movimentando por vasos sanguíneos e até mesmo medir o transito de receptores na superfície celular. Assim, o uso de sistemas de imagem não invasivas “whole body” (todo o corpo), além de permitir a visualização do mesmo animal (organismo) numa abordagem sistêmica durante vários dias ou meses, já que nenhum procedimento operatório é necessário para isso. Esse método pode também esclarecer como diferentes medicamentos – e até mesmo parasitos e células tumorais – se distribuem pelo corpo ao longo do tempo. Recentemente, uma técnica revolucionária (uDISCO) permite tornar os tecidos de um animal transparente e, assim, visualizar órgãos ou sistemas inteiros expressando proteínas fluorescentes, tal como como o sistema nervoso. Além de permitir o avanço no entendimento de processos biológicos in vivo, esta técnica é compatível com tecidos humanos, e pode ser prontamente usada em várias aplicações biomédicas.

CRISPR e a manipulação genética

Associada a todos avanços na área de análise genômica, está a descoberta/desenvolvimento da tecnologia revolucionária de edição gênica denominada CRISPR que permite a introdução, substituição ou remoção de genes específicos em basicamente qualquer organismo. Este que era sistema de resistência de bactérias a infecções virais, foi transformado em um mecanismo simples, altamente eficiente e de uso quase universal, que utiliza o próprio mecanismo de reparo de quebra da dupla fita de DNA presente em todas as células para proporcionar e introdução de modificações específica conhecidas como “gene-editing”, ou edição de genes. Esta nova tecnologia irá permitir grandes avanços na pesquisa básica através do entendimento do papel de genes específicos, não só em sistema celulares, mas também in vivo, em modelos animais onde a triagem funcional de grandes números de genes antes era um gargalo. Além disto, a tecnologia CRISPR deve assumir, nas próximas décadas, papel central no controle e tratamento de doenças. Além do uso da tecnologia CRISPR para a edição gênica, ela também já está sendo utilizada para a geração de sistemas de ‘gene‐drive’. Os sistemas de ‘gene-drive’ basicamente aumentam a chance que um gene será passado para próxima geração permitindo seu rápido espalhamento em populações naturais. Estes sistemas foram propostos ao longo dos anos, mas a tecnologia de CRISPR permitiu a geração de um mecanismo de ‘gene drive’ eficiente e de fácil aplicação. Por exemplo, sistemas de ‘gene-drive poderiam ser utilizados para o espalhamento de genes de resistência contra os vírus da Dengue e Zika em populações naturais de mosquitos e assim alterar radicalmente a transmissão destas doenças. Assim, associado a projeto e mapeamento de ilhas do genoma e genes envolvidos na resistência/susceptibilidade a doenças infecciosas e de cunho hereditário a metodologia CRISPR deve permitir grandes avanços na área de terapia gênica, assim como no melhoramento genético de plantas e animais de produção, e consequentemente melhorias na sustentabilidade e rendimento agrícola.

Células tronco pluripotentes e engenharia de tecidos

Uma outra área de pesquisa que fez avanços conceituais importantes são os estudos com células troncos. Uma das grandes descobertas da última década foram as células IPSCs (do inglês induced pluripotent stem cells). Foi demonstrado que a expressão de que alguns poucos genes específicos são capazes de reverter o fenótipo de uma célula somática diferenciada para uma célula pluripotente. Estas descobertas permitiram um grande avanço no conhecimento para manipulação de células pluripotentes que tem a capacidade de se diferenciar em basicamente qualquer tipo de célula somática tecido específica. Esta tecnologia também abre o caminho para que células somáticas de um indivíduo possam ser manipuladas para gerar tecidos e futuramente órgãos que teriam emprego relevantes na área de transplantes. Além disto, estas células quando injetadas em tecidos específicos podem ter um papel terapêutico para o reparo de tecidos, além de permitirem estudos avançado para maior compreensão de mecanismos de resistência/susceptibilidade de doenças e o desenvolvimento de novas drogas. Com o advento da tecnologia CRISPR, a manipulação genética de células IPSCs será facilitada e seu uso, quer seja na pesquisa básica ou medicina avançará rapidamente.

Modelo animais humanizados

A tecnologia de edição gênica utilizando o sistema CRISPR/Cas9 deve permitir grandes avanços nos projetos de humanização de modelos experimentais, assim como no transplante de órgãos entre animais de espécies distintas (xeno-transplante). Atualmente, grande parte dos esforços voltados para aa humanização de modelos experimentais tem se baseado na implantação de células e órgãos humanos em camundongos imunodeficientes. Porém, frequentemente, o funcionamento do tecido transplantado não ocorre de forma adequada, como é o caso do sistema imunológico, ou a implantação ocorre de forma parcial. Com a emergência da nova tecnologia baseadas no sistema CRISPR/Cas9 acredita-se que poderá ser feita a manipulação em larga escala de genes no modelo experimental, com a introdução/substituição por genes humanos, o que deve permitir um avanço mais direcionado para a criação de modelos humanizados mais competentes. Estes modelos irão permitir grandes avanços não só no entendimento do funcionamento de sistemas e órgãos humanos, mas também permitir ensaios pré-clínicos para testes de drogas e vacinas com maior capacidade de predição e tradução para o funcionamento em humanos. Além disto a humanização de suínos deve permitir grandes avanços na área de xeno-transplantes, ao possibilitar a substituição de genes suínos por genes humanos, levando assim a uma maior compatibilidade do órgão transplantado e seu doador.

Neurociência, robótica, e inteligência artificial

Em 2013 foi anunciada “The BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) initiative” que tem como objetivo revolucionar o conhecimento sobre o funcionamento do cérebro, desenvolvendo novas tecnologias de acesso tais como: (i) estabelecimento de novas técnicas ótica e fotônica para estudar funcionamento do cérebro; estabelecer padrões de atividade neuronal que levam a cognição, combinando estados mentais com estudos sensoriais e processamento motor; (iii) como atividade cerebral leva a percepção, decisão e ação; (iv) desenvolver novas tecnologias de imagem para entender como a informação é armazenada e processada por redes neuronais. Estes estudos devem também levar o maior entendimento dos mecanismos, e consequentemente elaboração de novas drogas para tratar, prevenir e curar desordens do sistema nervoso central, tais como Alzheimer, autismo, epilepsia, esquizofrenia, e paralisia motora. Esta é uma área que tem trabalhado em que a biologia tem trabalhado de forma altamente integrada com a computação e engenharia. Por exemplo, uma área que vem se desenvolvendo rapidamente é a criação de membros mecânicos controlados diretamente pelo sistema nervoso central através de programas computacionais. Estes estudos tem uma aplicação direta na medicina para restaurar a motilidade de indivíduos mutilados ou tetraplégicos. Além disto, por serem fruto de desenvolvimento conjunto das áreas de computação e neurociências essas novas tecnologias devem permitir grandes avanços nos estudos sobre o funcionamento cerebral, os quais irão servir de base para o avanço das técnicas de inteligência artificial, área que já vem sendo vislumbrada a algumas décadas. A robótica associada a inteligência artificial através de algorítimos de “self learning machines” devem permitir a criação de sistemas autônomos, que devem ter grande implicações no maior entendimento no funcionamento do sistema nervoso central e na medicina.

Imunologia e vacinologia de sistemas

Desde o seu primórdio a imunologia e desenvolvimento de vacinas tem sido uma disciplina altamente empírica. Felizmente, com os grandes avanços nas áreas da imunologia celular e molecular, assim como o advento dos projetos de imageamento in vivo, genoma, transcriptoma e proteoma passa-se ter maior domínio sobre os mecanismos imunológicos envolvidos na resistência a patógenos e também na identificação de componentes (antígenos) de patógenos (proteínas ou carboidratos) que sejam alvos desta resposta imune protetora. Além disto através de técnicas de biologia sintética e manipulação genética consegue‐se elaborar veículos vacinais quimicamente definidos e mais eficazes. Hoje, a Vacinologia de Sistemas que integra todas estas abordagens, é uma disciplina extremamente ativa que levou a um grande aumento no poder preditivo da imunologia, e consequentemente no desenvolvimento racional de vacinas. Acredita-se que nas próximas décadas ocorrerão não só um grande aumento no número de novas vacinas contra doenças infecciosas e câncer, assim como uma melhoria na segurança e eficácia das vacinas existentes.

Considerações éticas

Apesar de todo o avanço tecnológico e sua aplicação ser uma realidade, este avanço deve ser acompanhado pelo debate sobre questões éticas e de segurança na sua aplicação na medicina, como é o caso da manipulação e espalhamento de novos genes em um indivíduo ou populações, assim como uso de células troncos e suas aplicações na medicina.