Дисциплина, изучающая способы использования организмов для решения технологических задач, - вот что такое биотехнология. А проще говоря, это наука, которая изучает живые организмы в поисках новых способов для обеспечения человеческих потребностей. Например, генная инженерия или клонирование - это новые дисциплины, которые используют с одинаковой активностью как организмы, так и новейшие компьютерные технологии.

Биотехнология: кратко

Очень часто понятие «биотехнология» путают с генной инженерией, возникшей в XX—XXI веках, а ведь биотехнология относится к более широкой специфике работы. Биотехнология специализируется на модификации растений и животных путем гибридизации и искусственного отбора для потребностей человека.

Эта дисциплина дала человечеству возможность улучшить качество пищевых продуктов, увеличить продолжительность жизни и продуктивность живых организмов - вот что такое биотехнология.

До 70-х годов прошлого века этот термин использовали исключительно в пищевой промышленности и сельском хозяйстве. И только в 1970 году ученые начали использовать термин «биотехнология» в лабораторных исследованиях, таких как выращивание живых организмов в пробирках или при создании рекомбинантных ДНК. Эта дисциплина базируется на таких науках, как генетика, биология, биохимия, эмбриология, а также на робототехнике, химических и информационных технологиях.

На основе новых научно-технологических подходов были разработаны методы биотехнологии, которые заключаются в двух основных позициях:

• Крупномасштабном и глубинном культивировании биологических объектов в периодическом постоянном режиме.
• Выращивании клеток и тканей в особых условиях.

Новые методы биотехнологии позволяют манипулировать генами, создавать новые организмы или менять свойства уже существующих живых клеток. Это дает возможность более обширно использовать потенциал организмов и облегчает хозяйственную деятельность человека.

История биотехнологии

Как бы это странно ни звучало, но свои истоки биотехнология берет с далекого прошлого, когда люди только начинали заниматься виноделием, хлебопечением и другими способами приготовления пищи. К примеру, биотехнологический процесс брожения, в котором активно участвовали микроорганизмы, был известен еще в древнем Вавилоне, где широко применялся.

Как науку, биотехнологию стали рассматривать только в начале XX века. Ее основоположником стал французский ученый, микробиолог Луи Пастер, а сам термин впервые ввел в обиход венгерский инженер Карл Эреки (1917 год). XX век был ознаменован бурным развитием молекулярной биологии и генетики, где активно применялись достижения химии и физики. Одним из ключевых этапов исследования стала разработка методов культивирования живых клеток. Изначально для промышленных целей начинали выращивать только грибы и бактерии, но спустя несколько десятилетий ученые могут создавать любые клетки, полностью управляя их развитием.

В начале XX века активно развивалась бродильная и микробиологическая промышленность. В это время предпринимаются первые попытки по налаживанию производства антибиотиков. Разрабатываются первые пищевые концентраты, контролируется уровень ферментов в продуктах животного и растительного происхождения. В 1940 году ученым удалось получить первый антибиотик - пенициллин. Это стало толчком к развитию промышленного производства лекарств, возникает целая отрасль фармацевтической промышленности, что представляет собой одну из ячеек современной биотехнологии.

Сегодня биотехнологии используются в пищевой промышленности, медицине, сельском хозяйстве и многих других сферах человеческой жизнедеятельности. Соответственно появилось множество новых научных направлений с приставкой «био».

Биоинженерия

На вопрос о том, что такое биотехнология, основная часть населения без сомнений ответит, что это не что иное, как генная инженерия. Отчасти это правда, но инженерия лишь часть обширной дисциплины биотехнологий.

Биоинженерия - это дисциплина, основная деятельность которой направлена на укрепление человеческого здоровья посредством объединения знаний из области инженерии, медицины, биологии и применения их на практике. Полное название этой дисциплины - биомедицинская инженерия. Главная ее специализация - решение медицинских проблем. Применение биотехнологий в медицине позволяет моделировать, разрабатывать и изучать новые субстанции, разрабатывать фармацевтические препараты и даже избавлять человека от врожденных заболеваний, что передаются по ДНК. Специалисты в этой области могут создавать приборы и оборудование для проведения новых процедур. Благодаря применению биотехнологий в медицине были разработаны искусственные суставы, кардиостимуляторы, протезы кожи, аппараты искусственного кровообращения. При помощи новых компьютерных технологий специалисты в области биоинженерии могут создавать белки с новыми свойствами при помощи компьютерного моделирования.

Биомедицина и фармакология

Развитие биотехнологий дало возможность по-новому посмотреть на медицину. Нарабатывая теоретическую базу о человеческом организме, специалисты в этой области имеют возможность использовать нанотехнологии для изменения биологических систем. Развитие биомедицины дало толчок для появления наномедицины, основная деятельность которой заключается в слежении, исправлении и конструировании живых систем на молекулярном уровне. К примеру, адресная доставка лекарств. Это не курьерская доставка от аптеки до дома, а передача препарата непосредственно к больной клетке организма.

Также развивается и биофармакология. Она изучает эффекты, которые оказывают вещества биологического или биотехнологического происхождения на организм. Исследования этой области знаний сосредоточены на изучении биофармацевтических препаратов и разработке способов для их создания. В биофармакологии лечебные средства получают из живых биологических систем или тканей организма.

Биоинформатика и бионика

Но биотехнологии - это не только учение о молекулах тканей и клеток живых организмов, это еще и применение компьютерных технологий. Таким образом, имеет место биоинформатика. Она включает в себя совокупность таких подходов, как:

• Геномная биоинформатика. То есть методы компьютерного анализа, которые применяются в сравнительной геномике.
• Структурная биоинформатика. Разработка компьютерных программ, которые предсказывают пространственную структуру белков.
• Вычисление. Создание вычислительных методологий, которые могут управлять биологическими системами.

В этой дисциплине вместе с биологическими методами используются методы математики, статистических вычислений и информатики. Как в биологии используются приемы информатики и математики, так и в точных науках сегодня могут использовать учение об организации живых организмов. Как в бионике. Это прикладная наука, где в технических устройствах применяются принципы и структуры живой природы. Можно сказать, что это своеобразный симбиоз биологии и техники. Дисциплинарные подходы в бионике рассматривают с новой точки зрения как биологию, так и технику. Бионика рассматривала сходные и отличительные черты этих дисциплин. Эта дисциплина имеет три подвида - биологический, теоретический и технический. Биологическая бионика изучает процессы, которые происходят в биологических системах. Теоретическая бионика строит математические модели биосистем. А техническая бионика применяет наработки теоретической бионики для решения различных задач.

Как видно, достижения биотехнологий широко распространены в современной медицине и здравоохранении, но это лишь вершина айсберга. Как уже было сказано, биотехнология начала развиваться с того момента, как человек стал готовить себе пищу, а после широко применялась в сельском хозяйстве для выращивания новых селекционных культур и вывода новых пород домашних животных.

Клеточная инженерия

Одним из самых важных методов в биотехнологии является генная и клеточная инженерия, которые сосредоточены на создании новых клеток. С помощью этих инструментов человечество получило возможность создавать жизнеспособные клетки из совершенно разных элементов, принадлежащих различным видам. Таким образом, создается новый не существующий в природе набор генов. Генная инженерия дает возможность человеку получить желаемые качества от модифицированных клеток растений или животных.

Особенно ценятся достижения генной инженерии в сельском хозяйстве. Это позволяет выращивать растения (или животных) с улучшенными качествами, так называемые селекционные виды. Селекционная деятельность основана на отборе животных или растений с ярко выраженными благоприятными признаками. После эти организмы скрещивают и получают гибрид с требуемой комбинацией полезных признаков. Конечно, на словах все звучит просто, но получить искомый гибрид достаточно сложно. В реальности можно получить организм только с одним или несколькими полезными генами. То есть к исходному материалу добавляется лишь несколько дополнительных качеств, но даже это позволило сделать огромный шаг в развитии сельского хозяйства.

Селекция и биотехнологии дали возможность фермерам повысить урожайность, сделать плоды более крупными, вкусными, а главное, стойкими к морозам. Не обходит селекция стороной и животноводческую сферу деятельности. С каждым годом появляются новые породы домашних животных, которые могут давать больше поголовья и продуктов питания.

Достижения

В создании селекционных растений ученые выделяют три волны:

1. Конец 80-х годов. Тогда ученые впервые начали выводить растения, устойчивые к вирусам. Для этого они брали один ген у видов, которые могли противостоять заболеваниям, «пересаживали» его в ДНК-структуру других растений и заставляли «работать».
2. Начало 2000-х годов. В этот период начали создаваться растения с новыми потребительскими свойствами. Например, с повышенным содержанием масел, витаминов и т. д.
3. Наши дни. В ближайшие 10 лет ученые планируют выпустить на рынок растения-вакцины, растения-лекарства и растения-биорекаткоры, которые будут производить компоненты для пластика, красителей и т. д.

Даже в животноводстве перспективы биотехнологии поражают. Уже давно создаются животные, которые имеют трансгенный ген, то есть обладают каким-либо функциональным гормоном, например гормон роста. Но это были лишь начальные эксперименты. В результате исследований были выведены трансгенные козы, которые могут вырабатывать белок, который останавливает кровотечение у больных, страдающих плохой свертываемостью крови.

В конце 90-х годов прошлого века американские ученые вплотную занялись клонированием клеток эмбрионов животных. Это позволило бы выращивать скот в пробирках, но сейчас этот метод все еще нуждается в доработке. Зато в ксенотрансплантации (пересадка органов одних видов животным другим) ученые в области прикладной биотехнологии достигли существенного прогресса. К примеру, в качестве доноров можно использовать свиней с геномом человека, тогда наблюдается минимальный риск отторжения.

Пищевая биотехнология

Как уже было упомянуто, первоначально методы биотехнологических исследований стали применять в пищевом производстве. Йогурты, закваски, пиво, вино, хлебобулочные изделия - это продукты, полученные при помощи пищевой биотехнологии. Этот сегмент исследования включает в себя процессы, направленные на изменение, улучшение или создание конкретных характеристик живых организмов, в частности бактерий. Специалисты этой области знаний занимаются разработкой новых методик по изготовлению различных продуктов питания. Ищут и улучшают механизмы и методы их приготовления.

Еда, которую человек ест каждый день, должна быть насыщена витаминами, минералами и аминокислотами. Однако по состоянию на сегодняшний день, согласно данным ООН, существует проблема обеспечения человека продуктами питания. Почти половина населения не имеет должного количества пищи, 500 миллионов голодают, четверть населения планеты питаются недостаточно качественными продуктами.

Сегодня на планете проживает 7,5 миллиарда человек, и если не принимать необходимых действий по повышению качества и количества продуктов питания, если этим не заниматься, то люди в развивающихся странах станут страдать от губительных последствий. И если можно заменить липиды, минералы, витамины, антиоксиданты продуктами пищевой биотехнологии, то заменить белок практически невозможно. Более 14 миллионов тонн белка каждый год не хватает, чтобы обеспечить потребности человечества. Но здесь на помощь приходят биотехнологии. Современное белковое производство строится на том, что искусственно формируются белковые волокна. Их пропитывают необходимыми веществами, придают форму, соответствующий цвет и запах. Этот подход дает возможность заменить практически любой белок. А вкус и вид ничем не отличаются от естественного продукта.

Клонирование

Важной областью знаний в современных биотехнологиях является клонирование. Вот уже на протяжении нескольких десятилетий ученые пытаются создать идентичных потомков, не прибегая к половому размножению. В процессе клонирования должен получиться организм, который похож на родительский не только внешне, но и генной информацией.

В природе процесс клонирования распространен среди некоторых живых организмов. Если у человека рождаются однояйцевые близнецы, то их можно считать естественными клонами.

Впервые клонирование провели в 1997 году, когда искусственно создали овцу Долли. И уже в конце ХХ века ученые стали говорить о возможности клонирования человека. Кроме того, исследовалось такое понятие, как частичное клонирование. То есть можно воссоздавать не целый организм, а его отдельные части или ткани. Если усовершенствовать этот метод, то можно получить «идеального донора». Кроме того, клонирование поможет сохранить редкие виды животных или восстановить исчезнувшие популяции.

Моральный аспект

Несмотря на то что основы биотехнологии могут оказать решающее влияние на развитие всего человечества, о таком научном подходе плохо отзывается общественность. Подавляющая часть современных религиозных деятелей (да и некоторые ученые) пытаются предостеречь биотехнологов от чрезмерного увлечения своими исследованиями. Особенно остро это касается вопросов генной инженерии, клонирования и искусственного размножения.

С одной стороны, биотехнологии представляются яркой звездой, мечтой и надеждой, которые станут реальными в новом мире. В будущем эта наука подарит человечеству множество новых возможностей. Станет возможным преодоление смертельных болезней, устранятся физические проблемы, и человек, рано или поздно, сможет достигнуть земного бессмертия. Хотя, с другой стороны, на генофонде может сказаться постоянное употребление генномодифицированных продуктов или появление людей, которых создали искусственно. Появится проблема изменения социальных структур, и, вполне вероятно, придется столкнуться с трагедией медицинского фашизма.

Вот что такое биотехнология. Наука, которая может подарить блестящие перспективы человечеству путем создания, изменения или улучшения клеток, живых организмов и систем. Она сможет подарить человеку новое тело, и мечта о вечной жизни станет реальностью. Но за это придется заплатить немалую цену.

Понятие биотехнологии

Определение 1

Биотехнологией называется наука, занимающаяся изучением возможности использования живых организмов либо продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач.

При помощи биотехнологий обеспечиваются определенные потребности, такие как разработка медицинских препаратов, создание новых видов животных и растений или их модификация, что позволяет увеличить качество пищевых продуктов.

В качестве науки биотехнология зародилась в начале 70-х годов ХХ века. Отправной точкой послужила генная инженерия, когда ученым удалось перенести генетический материал из одного организма к другому без половых процессов, с применением рекомбинантной ДНК или РНК. Этот метод используется для улучшения или изменения определенного организма.

Биотехнологии в современной медицине

Биотехнологии, применяемые в медицины, делятся на две группы:

• диагностические, которые бывают химическими и физическими
• лечебные

Производственные процессы, в которых создаются биообъекты или вещества медицинского назначения, также относятся к медицинским. Это могут быть витамины. Ферменты, антибиотики, полисахариды, аминокислоты.

В медицине биотехнологии применяются для производства инсулина, для чего используются генно-модифицированные бактерии. Также биотехнологии в медицине применяются для создания эритропоэтина.

Замечание 1

Эритропоэтин – это гормон, который стимулирует образование эритроцитов в костном мозге.

Биотехнологии в современной науке

Применение биотехнологий в современной науке играет важнейшую роль и приносит огромную пользу. В результате открытия генной инженерии появились возможности выведения новых сортов растений и пород животных, которые станут очень полезными для сельского хозяйства.

Изучение биотехнологий не связано исключительно только с биологическими науками. Например, биотехнологии используются в микроэлектронике, где разработаны ион-селективные транзисторы на основе полевого эффекта. Также биотехнологии применяются для увеличения нефтеотдачи нефтяных пластов. Особенно развитым направлением использования биотехнологий является их применение для очистки бытовых и сточных вод. Кроме перечисленных, в развитие биотехнологий внесли свой вклад и другие научные дисциплины. Таким образом, биотехнологии относят к комплексной науке.

Дефицит социально-экономических потребностей является еще одной причиной активного изучения биотехнологий. По мнению ученых, биотехнологии смогут помочь в решение таких проблем, как:

• дефицит в некоторых регионах пресной или очищенной воды
• загрязнение окружающей среды химическими веществами
• недостаток энергетических ресурсов
• необходимость в новых экологически чистых материалах
• повышение уровня медицины и т.д.

Современные биотехнологии: применение на практике, этические проблемы

Биотехнологии являются не только наукой, но и сферой практической деятельности человека, которая занимается производством разного вида продукции при помощи живых клеток или организмов.

Генетика является теоретической основой биотехнологии. Практической основой биотехнологии является микробиологическая промышленность. Она, в свою очередь, получила активное развитие после открытия антибиотиков.

Объектами биотехнологий являются бактерии, вирусы, грибы, а также изолированные клетки и органоиды.

Основными сферами современных биотехнологий являются генетическая и клеточная инженерия в сочетании с биохимией.

Клеточная инженерия – это процесс выращивания клеток различных живых организмов в специально созданных условиях, а также исследования над ними.

Клеточная инженерия растений является самым успешным направлением, она дала возможность ускорения селекционных процессов, в результате чего время выведения нового сорта сократилось с 11 до 3 лет.

Определение 2

Генетическая инженерия – это область молекулярной биологии, которая изучает гены живых организмов, занимается выделением генов из клеток, а также проведением манипуляций над ними. Ферменты и векторы являются главными инструментами генной инженерии.

Клонированием называется процесс получения потомков, полностью идентичных прототипу. Первые опыты были проведены на растениях, клонирование происходило вегетативным путем.

Клонирование бактерий – это процесс искусственного размножения растений, которым управляет человек.

В конце ХХ ученые стали активно обсуждать возможность клонирования человека.

Генная инженерия проводит исследования микроорганизмов и человека. также она изучает заболевания, связанные с онкологией и иммунной системой.

Потенциал, открываемый биотехнологиями, огромен не только для науки, но и для других сфер деятельности. Использование биотехнологических методов предоставило возможность массового производства всех белков.

В будущем предполагается, что биотехнологии позволят улучшать растения и животных. При помощи генной инженерии будут бороться с наследственными заболеваниями.

Генная инженерия, являясь основным направлением в биотехнологии, ускоряет решение проблемы аграрного, энергетического, продовольственного кризиса.

Замечание 2

Самое большое влияние биотехнологии оказывают на медицину и фармацевтику. Ожидается, что в будущем станет возможным лечение неизлечимых заболеваний.

В современной биотехнологии активно развивается отрасль микробного синтеза веществ, ценных для человека. еще одним важным направлением современных биотехнологий является получение экологически чистой энергии.

Однако существует ряд проблем, связанных с этической стороной исследования в области биотехнологий. После того, как информация о проведении опытов над эмбрионами человека и попытками клонирования стала достояние общественности, возникли бурные дискуссии на эту тему среди ученых и обычных людей. Поэтому подобные исследования подвергаются строгому регламентированию. следования этому регламенту является обязательным для всех ученых и исследователей. Стоит ли клонировать человека - это сложный вопрос. С одной стороны, это открывает новые возможности, а с другой - ни один ученый не может со стопроцентной уверенностью предсказать возможные последствия.

История биотехнологии

Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году

Отдельные элементы биотехнологии появились достаточно давно. По сути, это были попытки использовать в промышленном производстве отдельные клетки (микроорганизмы) и некоторые ферменты , способствующие протеканию ряда химических процессов.

Огромный вклад в дело практического использования достижений биохимии внёс академик А. Н. Бах, создавший важное прикладное направление биохимии - техническую биохимию. А. Н. Бах и его ученики разработали множество рекомендаций по улучшению технологий обработки самого различного биохимического сырья, совершенствованию технологий хлебопечения, пивоварения, виноделия, производства чая и табака и т. п. , а также рекомендации по повышению урожая культурных растений путём управления протекающими в них биохимическими процессами.

Все эти исследования, а также прогресс химической и микробиологической промышленности и создание новых промышленных биохимических производств (чая, табака и т. п. ) были важнейшими предпосылками возникновения современной биотехнологии.

В производственном отношении основой биотехнологии в процессе её формирования стала микробиологическая промышленность. За послевоенные годы микробиологическая промышленность приобрела принципиально новые черты: микроорганизмы стали использовать не только как средство повышения интенсивности биохимических процессов, но и как миниатюрные синтетические фабрики, способные синтезировать внутри своих клеток ценнейшие и сложнейшие химические соединения. Перелом был связан с открытием и началом производства антибиотиков .

Использование ферментов - биологических катализаторов - очень заманчивая вещь. Ведь они по многим своим свойствам, прежде всего активности и избирательности действия (специфичности), намного превосходят катализаторы химические. Ферменты обеспечивают осуществление химических реакций без высоких температур и давлений, а ускоряют их в миллионы и миллиарды раз. При этом каждый фермент катализирует только одну определённую реакцию.

В пищевой и кондитерской промышленности ферменты применяются уже давно: многие из первых патентов ещё начала века касались производства ферментов именно для этих целей. Однако требования к этим препаратам тогда были не очень высокие - по существу, в производстве использовались не чистые ферменты, а различные вытяжки или полуразрушенные и высушенные клетки дрожжей или низших грибов. Ферменты (вернее, содержащие их препараты) использовали и в текстильной промышленности для отбеливания и обработки пряжи и хлопковых нитей.

Возможные способы применения массовой культуры водорослей.

Биологические катализаторы можно использовать также не извлекая их из живых организмов, прямо в бактериальных клетках, например. Этот способ, собственно, есть основа всякого микробиологического производства, и применяется он издавна.

Гораздо заманчивее использовать чистые препараты ферментов и избавиться таким образом от побочных, сопутствующих жизнедеятельности микроорганизмов реакций. Создание производства, в котором используется биологический катализатор в чистом виде как реактив, сулит очень большие выгоды - повышается технологичность, возрастают во много тысяч раз производительность и чистота процессов. Но здесь возникает принципиальное затруднение: многие ферменты после их извлечения из клетки очень быстро инактивируются, разрушаются. Ни о каком многократном их использовании не может быть и речи.

Учёные нашли решение проблемы. Для того чтобы стабилизировать, или, как говорят, иммобилизовать, ферменты, сделать их устойчивыми, пригодными для многократного, длительного промышленного использования, ферменты присоединяют с помощью прочных химических связей к нерастворимым или растворимым носителям - ионообменным полимерам, полиорганосилоксанам, пористому стеклу, полисахаридам и т. п. В результате ферменты становятся устойчивыми и могут быть использованы многократно. (Эта идея была затем перенесена в микробиологию - возникла мысль иммобилизовать живые клетки. Иногда очень нужно, чтобы они в процессе микробиологического синтеза не загрязняли среду, не смешивались с синтезируемыми ими продуктами и вообще были бы больше похожи на химические реактивы. И такие иммобилизованные клетки были созданы; они успешно применяются, например, при синтезе стероидных гормонов - ценных лекарственных препаратов).

Разработка способа повышения устойчивости ферментов значительно расширяет возможности их использования. С помощью ферментов можно, например, получать сахар из растительных отходов, и этот процесс будет экономически рентабельным. Уже создана опытная установка для непрерывного производства сахара из клетчатки.

Иммобилизованные ферменты находят применение и в медицине. Так, в нашей стране для лечения сердечно-сосудистых заболеваний разработан препарат иммобилизованной стрептокиназы (препарат получил название «стрептодеказа»). Этот препарат можно вводить в сосуды для растворения образовавшихся в них тромбов . Растворимая в воде полисахаридная матрица (к классу полисахаридов относятся, как известно, крахмал и целлюлоза , близким к ним по строению был и подобранный полимерный носитель), к которой химически «привязана» стрептокиназа, значительно повышает устойчивость фермента, снижает его токсичность и аллергическое действие и не влияет на активность, способность фермента растворять тромбы.

Субстраты для получения белка одноклеточных для разных классов микроорганизмов.

Создание иммобилизованных ферментов, так называемая инженерная энзимология , - одно из новых направлений биотехнологий. Достигнуты лишь первые успехи. Но они существенно преобразили прикладную микробиологию, техническую биохимию и ферментную промышленность. Во-первых, в микробиологической промышленности сейчас актуальными стали разработки производства ферментов самой различной природы и свойства. Во-вторых, возникли новые области производства, связанные с получением именно иммобилизованных ферментов. В-третьих, создание новых ферментных препаратов открыло возможность организации ряда новых производств для получения нужных веществ с помощью биологические катализаторов.

Плазмиды

Наибольшие успехи были достигнуты в области изменения генетического аппарата бактерий. Вводить новые гены в геном бактерии научились с помощью небольших кольцеобразных молекул ДНК - плазмид , присутствующих в бактериальных клетках. В плазмиды «вклеивают» необходимые гены, а затем такие гибридные плазмиды добавляют к культуре бактерий, например кишечной палочки . Некоторые из этих бактерий поглощают такие плазмиды целиком. После этого плазмида начинает реплицироваться в клетке, воспроизводя в клетке кишечной палочки десятки своих копий, которые обеспечивают синтез новых белков.

Генная инженерия

Сейчас созданы и создаются ещё более остроумные методы введения генов в клетку прокариотов (организмов, не имеющих оформленного ядра и хромосомного аппарата). На очереди разработка методов введения новых генов в клетки эукариотов, прежде всего высших растений и животных организмов.

Но и то, что уже достигнуто, позволяет сделать очень многое в практике народного хозяйства. Возможности микробиологического производства значительно расширились. Благодаря генетической инженерии область микробиологического синтеза различных биологически активных соединений, полупродуктов для синтеза, кормовых белков и добавок и других веществ стала одной из наиболее окупаемых наук: вложение средств в перспективные биотехнологические исследования обещает получение высокого экономического эффекта.

Для селекционной работы, независимо от того, проводится она методами мутагенеза или «индустрии ДНК», учёные должны располагать многочисленными коллекциями микроорганизмов. Но сейчас даже выделение нового штамма природных микроорганизмов, ранее неизвестных науке, обходится на мировом «рынке бактериальных культур» приблизительно в 100 долларов. А для того, чтобы получить хороший промышленный штамм обычными селекционными методами, надо иногда затратить миллионы.

Сейчас уже существуют способы ускорить и удешивить эти процессы. Например,во Всесоюзном научно-исследовательском институте генетики и селекции микроорганизмов Главмикробиопрома был получен промышленный штамм-сверхпродуцент микроорганизма, синтезирующего треонин - незаменимую аминокислоту, которая в кормах сельскохозяйственных животных содержится в недостаточном количестве. Добавка треонина в корм повышает привесы животных на килограммы, что в масштабах страны оборачивается миллионами рублей прибыли, а самое главное - приростом мясной продукции животноводства.

Коллектив учёных института под руководством директора В. Г. Дебабова за основу для получения промышленного штамма взял обыкновенную кишечную палочку - повсеместно распространённый микроорганизм. Сначала были получены мутантные клетки, способные накапливать в среде избыток треонина. Затем в клетке были вызваны генетические изменения, которые привели к усилению биосинтеза аминокислот. Таким путём удалось получить штамм, который производил треонин, но в 10 раз меньше того количества, которое требовалось по соображениям рентабельности производства. Тогда в дело были выпущены методы генетической инженерии. С их помощью была увеличена «доза треонинового гена» в молекуле бактериальной ДНК. Причём количество генов, обусловливающих синтез треонина, было в молекуле ДНК клетки увеличено в несколько раз: одинаковые гены оказались как бы нанизанными один за другим в молекуле ДНК. Естественно, биосинтез треонина пропорционально увеличился и достиг уровня, достаточного для промышленного производства.

Правда, после этого штамм пришлось ещё улучшать, причём снова генетически. Сначала для того, чтобы культуру бактерий очистить от клеток, в которых плазмиды с «треониновым геном» исчезали в процессе размножения культуры. Для этого в клетки был «вшит» ген, содержащий закодированный сигнал к «самоубийству» клеток, в которых плазмид с «треониновым геном» после деления не оказывалось. Таким путём культура клеток самоочищалась от балластных микроорганизмов. Затем в клетки был введён ген, благодаря которому она могла развиваться на сахарозе (а не дорогих глюкозе и фруктозе, как раньше) и производить рекордные количества треонина.

По существу, полученный микроорганизм уже не был кишечной палочкой: манипуляции с его генетическим аппаратом привели к появлению принципиально нового организма, сконструированного вполне сознательно и целенаправленно. И эта сложнейшая многоступенчатая работа, имеющая огромное практическое значение, была проведена с помощью новых оригинальных методов генетической инженерии за очень короткий срок - всего за три года.

К 1981 г. в ряде институтов страны, и прежде всего в Институте биоорганической химии им. М. М. Шемякина АН СССР под руководством академика Ю. А. Овчиникова, были выполнены ещё более впечатляющие работы. Эти исследования приобрели сейчас форму чётких долгосрочных программ, по которым их развивают дальше ряд академических и отраслевых институтов. Эти исследования были направлены на то, чтобы осуществить поистине чудо - ввести в бактериальную клетку ген, выделенный из человеческого организма.

Работа велась сразу с несколькими генами: геном ответственным за синтез гормона инсулина, геном, обеспечивающим образование интерферона, и геном, контролирующим синтез гормона роста.

Прежде всего учёные поставили перед собой задачу «обучения» бактерии синтезу ценнейшего медицинского препарата - гормона инсулина. Инсулин необходим для лечения сахарного диабета. Этот гормон надо вводить больным постоянно, а производство его традиционным способом (из поджелудочных желез убойного скота) сложно и дорого. К тому же молекулы инсулина свиньи или крупного рогатого скота отличаются от молекул инсулина человека, и естественно, что активность их в организме человека ниже, чем активность человеческого инсулина. Кроме того, инсулин - хотя и небольшой по размерам, но всё же белок, и в организме человека со временем накапливаются антитела к нему: организм борется против чужеродных белков, отторгает их. Поэтому введённый бычий или свиной инсулин может начать необратимо инактивироваться, нейтрализовываться этими антителами и в результате может исчезнуть прежде, чем успеет оказать лечебное действие. Чтобы этого не произошло, необходимо вводить в организм вещества, предотвращающие этот процесс, но они сами по себе не безразличны для организма.

Человеческий инсулин можно было бы получать с помощью химического синтеза. Но этот синтез настолько сложен и дорог, что его проводили только в экспериментальных целях, а полученные количества инсулина были недостаточны даже для одной инъекции. Это был, скорее, символической синтез, доказательство того, что химики могут синтезировать в пробирке настоящий белок.

Учитывая всё это, учёные и поставили перед собой такую сложную и очень важную задачу - наладить биохимическое производство человеческого инсулина. Был получен ген, обеспечивающий синтез инсулина. С помощью методов генетической инженерии этот ген был введён в бактериальную клетку, которая в результате приобрела способность синтезировать гормон человека.

Столь же большой интерес и не меньшее (а может быть, и большее) значение имела работа, выполненная в том же институте, по введению методами генетической инженерии в бактериальную клетку гена, ответственного за синтез интерферона человека. (Интерферон - это белок, играющий исключительно важную роль в борьбе организма против вирусных инфекций.) Ген интерферона также был введён в клетку кишечной палочки. Созданные штаммы отличались высоким выходом интерферона, обладающего мощным противовирусным действием. Сейчас уже получены первые промышленные партии человеческого интерферона. Осуществление промышленного производства интерферона - очень важное достижение, так как предполагают, что интерферон обладает также и противоопухолевой активностью.

В институте АН СССР были проведены работы по созданию бактериальных клеток, продуцирующих соматотропин - гормон роста человека. Ген этого гормона был выделен из гипофиза и методами генетической инженерии встроен в более сложную молекулу ДНК, которую затем ввели в генетический аппарат бактерии. В результате бактерия приобрела способность синтезировать человеческий гормон. Эта бактериальная культура, так же как и культура бактерий с введённым геном инсулина, апробируется для промышленного получения человеческих гормонов в микробиологическом производстве.

Это лишь отдельные примеры работ по введению генов высших организмов в клетки бактерий. Есть ещё немало подобных интересных и перспективных работ.

Вот ещё один пример. Английские биохимики из плодов одного африканского кустарника выделили довольно крупный белок (около 200 аминокислотных остатков) - тауматин. Этот белок оказался в 100 тыс. раз слаще сахарозы. Сейчас во всём мире думают над созданием заменителей сахара, который при большом потреблении далеко не безвреден для организма. Поэтому тауматин - природный продукт, не требующий специальных токсикологических испытаний, - привлёк пристальное внимание: ведь ничтожные его добавки в кондитерские изделия позволяют просто исключить использование сахара. Учёные решили, что получать тауматин проще и выгоднее не из естественного источника, а микробиологическим синтезом с помощью бактерий, в которые введён ген тауматина. И эту работу выполнили, введя этот ген во всё ту же кишечную палочку. Сейчас пока заменитель сахара тауматин (под названием «талин») производят из природного источника, но не за горами и его микробиологическое производство.

Пока речь шла о введении генов в клетки бактерий. Но это не означает, что не ведётся работа и по введению искусственных генов в высшие организмы - растения и животных. Здесь не меньше, а гораздо больше привлекательных идей. Практическое воплощение некоторых из них будет иметь для человечества исключительно важное значение. Так, известно, что высшие растения не могут усваивать азот атмосферы: они получают его из почвы в виде неорганических солей или в результате симбиоза с клубеньковыми бактериями. Осуществление идеи - ввести гены этих бактерий в растения - может привести к коренным революционным изменениям в сельском хозяйстве.

Как же обстоят дела с введением генов в генетический аппарат эукариотов? Основная трудность здесь заключается в том, что изменить генотип всех клеток многоклеточного организма невозможно. Поэтому надежды связывают с созданием методов генетической инженерии, предназначенных для работы с культурами клеток растений и с одноклеточными растениями.

Введение синтетических генов в искусственно культивируемые клетки может привести к получению модифицированного растения: при определённых условиях изолированные клетки могут превращаться в целые растения. И в таком растении должны действовать и передаваться по наследству искусственно введённые в исходную клетку гены.

Здесь помимо перспектив успешного использования методов генетической инженерии вырисовывается ещё одно преимущество биотехнологии - методом клеточной биотехнологии из одного растения можно получить миллионы одинаковых растений, а не десятки, как при использовании семян. Клеточная технология не требует больших площадей, не зависит от погодных условий и отличается огромной производительностью.

Советские учёные сейчас исследуют ещё один путь введения генов в клетки растений - создают симбиотическое сообщество, где в протопласты растений (они лишены целлюлозной оболочки) пытаются внедрить цианобактерии, которые способны и к фотосинтезу, и к азотфиксации.

Определённые перспективы имеются и в области использования методов генетической инженерии в работе с животными, во всяком случае существует принципиальная возможность переноса генетического материала в клетки животных. Особенно убедительно это показано на гибридомах. Гибридома - это клетка, образованная из лимфоцита, вырабатывающего антитела, и опухолевой клетки, способной к неограниченному размножению, и сочетающая оба эти свойства. С помощь гибридом можно получать высокоспецифичные антитела. Метод гибридом - это ещё один биотехнологический приём получения ценных белков.

Космическая биотехнология При реализации программ пилотируемых полетов в бывшем СССР сложился научно-технический потенциал в области космической биотехнологии с участием головных организаций Росавиакосмоса, Минмедпрома, РАН и РАМН, которые создали аппаратурно-методическую базу, необходимую для осуществления биотехнологических экспериментов в условиях орбитального полета.За 15 летний период выполнен ряд программ биотехнологических экспериментов, их результаты внедрены в технологии по производству различных биологически активных веществ (антибиотиков, иммунностимуляторов и др.). С использованием методов космической биотехнологии создан целый ряд новейших лечебных и диагностических препаратов. Накопленный опыт позволил определить наиболее перспективные направления развития космической биотехнологии:· получение высококачественных кристаллов биологически значимых веществ в целях определения их пространственной структуры и создания новых препаратов для медицины, фармакологии, ветеринарии, других отраслей народного хозяйства и различных областей науки;· получение и отбор в условиях микрогравитации улучшенных, а также рекомбинантных промышленных штаммов микроорганизмов, продуцентов биологически активных веществ для медицины, фармакологии, сельского хозяйства и экологии; электрофоретическое разделение биологических субстанций, в частности, тонкая высокопроизводительная очистка генно-инженерных и вирусных белков, преимущественно медицинского назначения, а также выделение специфических клеток, характеризующихся требуемыми секреторными функциями;· исследование влияния факторов космического полета на биологические объекты и физико-химические характеристики биотехнологических процессов с целью расширения фундаментальных знаний в области биологии и биотехнологии. В 1989 году РКК "Энергия" им. С.П. Королёва и РАО "Биопрепарат", объединив усилия в исследованиях по одной из перспективных областей космической деятельности, создали лаборатории космической биотехнологии. Научное руководство работами в области биотехнологии в рамках российской национальной программы на орбитальной станции "Мир" и российском сегменте международной космической станции осуществляет председатель секции "Космическая биотехнология" КНТС Росавиакосмоса и РАН, Заслуженный деятель науки Российской Федерации, профессор Юрий Тихонович Калинин. Координация работ, обеспечение создания и предполетной подготовки бортовой научной аппаратуры, биологических материалов при реализации биотехнологических проектов, а также обработка и анализ полученных результатов осуществляются специализированными лабораториями космической биотехнологии в РАО "Биопрепарат" (на базе АООТ "Биохиммаш") и в РКК "Энергия" им. С.П. Королёва. Для непосредственной реализации экспериментов на борту орбитальных станций разработан комплекс мероприятий по их организации, обеспечению и сопровождению на всех стадиях проведения:· подготовка научных экспериментов и аппаратуры, тренировка экипажей совместно с Российским государственным научно-исследовательским и испытательным центром подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина;· доставка научной аппаратуры на орбитальный комплекс; материально-техническое обеспечение экспериментов на борту орбитального комплекса; планирование, подготовка и сопровождение экспериментов в Центре Управления Полетами;· возвращение результатов экспериментов с орбиты и их доставка с места посадки спускаемого аппаратам лабораторию. Вышеупомянутыми лабораториями космической биотехнологии разработаны пакеты документов, необходимых для реализации космических экспериментов, в т. ч. методики предполетной подготовки, паспорта и сертификаты и др. разрешительная документация.Мы готовы, по выбору заказчика, дать необходимые научные консультации в данной области, а также подготовить и провести космические эксперименты с любыми биологическими объектами.Очевидна неоднократно подтвержденная нами в коммерческих проектах с зарубежными фирмами перспективность получения в условиях микрогравитации высококачественных кристаллов биологических веществ. Они позволили с высокой точностью изучить пространственную структуру различных биополимеров и использовать результаты для создания качественно новых лечебных, профилактических и диагностических препаратов.Наш опыт работы с микробиологическими культурами биодеградантов нефти и нефтепродуктов, а также со штаммами, используемыми для препаратов средств защиты растений, культурами клеток высших растений, позволил получить варианты культур после их экспозиции в космосе, значительно превышающие по активности исходные штаммы. Эксперименты по рекомбинации микроорганизмов в условиях орбитального полета показали реальную возможность 100% передачи генетического материала между отдаленными видами, что позволяет получать уникальные гибриды с новыми заданными свойствами.Многочисленные результаты экспериментов, проведенных в условиях микрогравитации по электрофоретической очистке и разделению белковых и клеточных биообъектов, подтвердили возможность и эффективность использования электрофоретических методов в целях наработки опытных и опытно-промышленных партий особо чистых и высокооднородных хозяйственно-ценных биологически-активных веществ.Мы готовы по Вашим заказам на нашем или ином оборудовании обеспечить проведение исследований по кристаллизации биологических объектов в космосе, получению улучшенных или рекомбинантных штаммов, а также электрофорезу и другим направлениям исследований, как по Вашему заказу, так и в кооперации.По нашему мнению весьма перспективным направлением, как в научном так и в коммерческом плане может служить проект по созданию универсальной установки по выращиванию и получению кристаллических белков в условиях космического полета.Описание проекта прилагается.Мы рассмотрим также любые предложения от заинтересованных лиц по подготовке и проведению космических биотехнологических экспериментов, выполним экспертизу их реализуемости и обеспечим осуществление предложенных проектов на коммерческой основе.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТАПроект осуществляется усилиями РАО "Биопрепарат" и потенциальными участниками, заинтересованными в разработке перспективной биотехнологической научной аппаратуры и получении в условиях космического полета конкурентноспособной биопродукции.Основной целью проекта по кристаллизации биопрепаратов в условиях орбитального полета является создание и эксплуатация на международной космической станции (МКС) биокристаллизационной аппаратуры нового поколения, способной обеспечить получение крупных однородных кристаллов большого спектра биообъектов, а также оперативное получение на Земле видео и телеметрической информации об основных параметрах процесса и получаемых результатах.При организации работ в рамках проекта ставятся следующие задачи:· отработка механизмов взаимодействия между сторонами участниками проекта по организационно-методическим, техническим, научным и экономическим вопросам;· на базе российских биокристаллизаторов и зарубежной электронной и видео аппаратуры изготовить макетные и летные образцы биокристаллизационной аппаратуры с характеристиками, превышающими известные мировые аналоги по эффективности и надежности;· осуществлять на МКС эксплуатацию созданной аппаратуры; как по индивидуальным национальным программам сторон участников, так и по совместным научным или коммерческим проектам;· поиск путей и способов реализации научных результатов, полученных в ходе полетных экспериментов на основе взаимных интересов сторон участников проекта. КРАТКИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АППАРАТУРЫНиже представлены краткие технические характеристики аппаратуры для кристаллизации биообъектов, создаваемой на базе российских разработок.Универсальный биокристаллизаторФункционально аппаратура представляет собой комплект универсальных кристаллизационных кассет, позволяющих реализовать кристаллизацию белков (или др. биообъектов) различными методами.Аппаратура обеспечивает:· многоуровневую и высоконадежную герметизацию камер с рабочими растворами;· быстрое выполнение операций по раздельной заправке камер кристаллизационных кассет растворами белка (или другого биополимера) и осадителя;· реализацию нескольких методов кристаллизации в одной кассете;· высокую воспроизводимость характеристик процесса в различных кристаллизационных ячейках универсальной кассеты;· высокую степень взаимозаменяемости основных функциональных элементов биокристаллизатора; · удобное и быстрое выполнение операций стерилизации, сборки, проверки герметичности и заправки рабочими растворами;· удобное и неразрушающее извлечение полученных кристаллов;· высокую надежность и ремонтопригодность;· ручную и автоматическую активацию/деактивацию процесса кристаллизации;· измерение и регистрацию температуры кристаллизационных кассет на всех этапах транспортировки и эксплуатации;· высокий коэффициент использования массы полезного груза на этапах выведения на орбиту и возвращения на Землю;· низкая требовательность к средствам доставки и возвращения;· гибкость построения и использования научной программы при минимальных используемых ресурсах МКС;· возможность модульного наращивания кристаллизационных ячеек в зависимости от требований заказчиков. Доставка на борт МКС и возвращение на Землю кассет универсального биокристаллизатора осуществляется в термоизолирующем возвращаемом контейнере (ТВК) с автономным регистратором температуры.СОСТАВ АППАРАТУРЫПолная конфигурация аппаратуры имеет следующий состав:· комплект кассет универсального биокристаллизатора - 12 шт. (конфигурация кассет определяется постановщиком эксперимента);· термоизолирующий возвращаемый контейнер (ТВК) с автономным регистратором температуры;· ручной привод кассет;· термостат биотехнологический универсальный (ТБУ) для активного термостатирования кассет в полуавтоматическом режиме;· блок электропривода активации/деактивации кассет в ТБУ;· блок управления электроприводом;· система видеоконтроля кристаллизационных ячеек в ТБУ;· блок наблюдения и управления системой видеоконтроля и интерфейса (СВИ) с TV-системой МКС;· комплект соединительных кабелей. Каждая из универсальных кристаллизационных кассет конструктивно выполнена моноблочно. Кассета включает в себя 4 автономные кристаллизационные ячейки. Каждая кристаллизационная ячейка, в свою очередь, имеет от одной до трех кристаллизационных (белковых) камер и одну или несколько камер для раствора осадителя.

Биогидрометаллургия

Данное направление было ранее известно как Микробное выщелачивание металлов из руд. Изучает добычу металлов из их руд при помощи микроорганизмов. В 50-е - 60-е годы выяснилось, что существуют микроорганизмы, способные переводить металлы из рудных минералов в раствор. Механизмы такого перевода бывают разные. Например, некоторые выщелачивающие микроорганизмы непосредственно окисляют пирит : 4F e S 2 + 15O 2 + 2H 2 O = 2F e 2 (S O 4) 3 + 2H 2 S O 4

А ион трехвалентного железа служит сильным окисляющим агентом, способным переводить в раствор медь из халькоцинита: C u 2 S + 2F e 2 (S O 4) 3 = 2C u S O 4 + 4F e S O 4 + S или Уран из уранинита: U O 2 + F e 2 (S O 4) 3 = U O 2 S O 4 + 2F e S O 4

Реакции окисления являются экзотермическими, при их протекании выделяется энергия, используемая микроогранизмами в ходе своей жизнедеятельности.

Итак, какова же структура биотехнологии? Учитывая, что биотехнология активно развивается и структура её окончательно не определилась, можно говорить лишь о тех видах биотехнологии, которые существуют в настоящее время. Это клеточная биотехнология - прикладная микробиология , культуры растительных и животных клеток (об этом шла речь, когда мы говорили о микробиологической промышленности, о возможностях клеточных культур, о химическом мутагенезе). Это генетическая биотехнология и молекулярная биотехнология (они обеспечивают «индустрию ДНК»). И наконец, это моделирование сложных биологических процессов и систем, включающее инженерную энзимологию (об этом мы говорили, когда рассказывали об иммобилизованных ферментах).

Очевидно, что биотехнология имеет огромное будущее. И дальнейшее её развитие тесно связано с одновременным развитием всех важнейших отраслей биологической науки, исследующих живые организмы на разных уровнях их организации. Ведь как бы ни дифференцировалась биология, какие бы новые научные направления не возникали, объектом их исследования всегда будут живые организмы, представляющие собой совокупность материальных структур и разнообразнейших процессов составляющих физическое, химическое и биологическое единство. И этим - самой природой живого - предопределяется необходимость комплексного изучения живых организмов. Поэтому естественно и закономерно что биотехнология возникла в результате прогресса комплексного направления - физико-химической биологии и развивается одновременно и параллельно с этим направлением.

Всегда одной из основных практических задач клеточной и тканевой инженерии являлось создание на основе культивированных in vitro клеток живых эквивалентов тканей и органов с целью их использования в заместительной терапии для восстановления повреждённых структур и функций организма. Наибольшие успехи в этом направлении достигнуты при использовании выращенных in vitro кератиноцитов для лечения повреждений кожного покрова, и в первую очередь - при лечении ожоговых ран.

В заключение надо отметить ещё одно важное обстоятельство, которое отличает биотехнологию от других направлений науки и производства. Она исходно ориентирована на проблемы, которые тревожат современное человечество: производство продуктов питания (прежде всего белка), сохранение энергетического равновесия в природе (отход от ориентировки на использование невосполнимых ресурсов в пользу ресурсов восполнимых), охрана окружающей среды (биотехнология - «чистое» производство, требующее, правда, больших затрат воды).

Таким образом, биотехнология - закономерный результат развития человечества, признак достижения им важного, можно сказать поворотного, этапа развития.

Биотехнологическая промышленность

Биотехнологическую промышленность иногда разделяют на четыре направления:

• "«Красная» биотехнология" - производство биофармацевтических препаратов (протеинов, ферментов, антител) для человека, а также коррекция генетического кода.
• "«Зелёная» биотехнология" - разработка и внедрение в культуру генетически модифицированных растений.
• "«Белая» биотехнология" - производство биотоплив, ферментов и биоматериалов для различных отраслей промышленности.
• Академические и правительственные исследования - например, расшифровка генома риса.

"Микробиологическая индустрия" выпускает 150 видов продукции, крайне необходимой народному хозяйству. Её гордость - кормовой белок, получаемый на основе выращивания дрожжей. В год его производят более 1 млн. тонн. Другое важное достижение - выпуск ценнейшей кормовой добавки - незаменимой (то есть не образующейся в организме животного) аминокислоты лизина. Усвояемость белковых веществ, содержащихся в продукции микробиологического синтеза, такова, что 1 т кормового белка экономит 5-8 т зерна. Добавка 1 т биомассы дрожжей в рацион птиц, например, позволяет получить дополнительно 1,5-2 т мяса или 25-35 тыс. яиц, а в свиноводстве - высвободить 5-7 т фуражного зёрна. Дрожжи - не единственный возможный источник белка. Он может быть получен путём выращивания микроскопических зелёных водорослей, различных простейших и других микроорганизмов. Уже разработаны технологии их использования, проектируются и строятся предприятия-гиганты мощностью от 50 до 300 тыс. тонн продукции в год. Их эксплуатация позволит внести весомый вклад в решение народно-хозяйственных задач.

Если ген человека, отвечающий за синтез какого-либо фермента или другого важного для организма вещества, пересадить в клетки микроорганизмов, то в соответствующих условиях микроорганизмы будут продуцировать чуждое им соединение в промышленных масштабах. Учёные разработали и внедрили в производство способ получения интерферона человека эффективного при лечении многих вирусных заболеваний. Из 1 л культуральной жидкости извлекают такое же количество интерферона, какое раньше получали из многих тонн донорской крови. Экономия от внедрения нового способа составляет 200 млн. рублей в год.

Другой пример - получение с помощью микроорганизмов гормона роста человека. Совместные разработки учёных Института молекулярной биологии, Института молекулярной биологии, Института биохимии и физиологии микроорганизмов России и институтов России позволяют производить уже граммы гормона, тогда как прежде этот препарат получали миллиграммами. В настоящее время препарат проходит испытания. Методы генетической инженерии создали возможность получения вакцин против таких опасных инфекций, как гепатит В, ящур крупного рогатого скота, а также разработки способов ранней диагностики ряда наследственных заболеваний и различных вирусных инфекций.

Генетическая инженерия начинает активно воздействовать на развитие не только медицины, но и других сфер народного хозяйства. Успешное развитие методов генетической инженерии открывает широкие возможности для решения ряда задач, стоящих перед сельским хозяйством. Это и создание новых ценных сортов сельскохозяйственных растений, устойчивых к различным заболеваниям и неблагоприятным факторам внешней среды, и ускорение процесса селекции при выведении высокопродуктивных пород животных, и создание для ветеринарии высокоэффективных средств диагностики и вакцин, и разработка методов биологической фиксации азота. Решение этих проблем будет способствовать научно-техническому прогрессу сельского хозяйства, и ключевая роль в этом будет принадлежать методам генетической, а также, очевидно, и клеточной инженерии.

Клеточная инженерия - необычайно перспективное направление современной биотехнологии. Учёные разработали методы выращивания в искусственных условиях (культивирование) клеток растений животных и даже человека. Культивирование клеток позволяет получать различные ценные продукты, ранее добываемые в очень ограниченном количестве из-за отсутствия источников сырья. Особенно успешно развивается клеточная инженерия растений. Используя методы генетики, удаётся отбирать линии таких клеток растений - продуцентов практически важных веществ, которые способны расти на простых питательных средах и в то же время накапливать ценных продуктов в несколько раз больше, чем само растение. Выращивание массы клеток растений уже используется в промышленных масштабах для получения физиологически активных соединений. Налажено, например, производство биомассы женьшеня для нужд парфюмерной и медицинской промышленности. Закладываются основы производства биомассы лекарственных растений - диоскореи и раувольфии. Разрабатываются способы выращивания клеточной массы других редких растений - продуцентов ценных веществ (родиолы розовой и др.). Другое важное направление клеточной инженерии - клональное микроразмножение растений на основе культуры тканей. Основан это метод на удивительном свойстве растений: из отдельной клетки или кусочка ткани в определённых условиях может вырасти целое растение, способное к нормальному росту и размножению. Этим методом из небольшой части растения можно получить до 1 млн. растений в год. Клональное микроразмножение используется для оздоровления и быстрого размножения редких, хозяйственно ценных или вновь созданных сортов сельскохозяйственных культур. Таким путём из клеток, не заражённых вирусами, получают здоровые растения картофеля, винограда, сахарной свёклы, садовой земляники, малины и многих других культур. В настоящее время разработаны методы микроразмножения и более сложных объектов - древесных растений (яблони, ели, сосны). На основе этих методов будут созданы технологии промышленного получения исходного посадочного материала ценных древесных пород. Методы клеточной инженерии позволят значительно ускорить селекционный процесс при выведении новых сортов хлебных злаков и других важных сельскохозяйственных культур: срок их получения сокращается до 3-4 лет (вместо 10-12 лет, необходимых при использовании обычных методов селекции). Перспективных способом выведения новых сортов ценных сельскохозяйственных культур является также разработанный учёными принципиально новый метод слияния клеток. Этот метод позволяет получать гибриды, которые не могут быть созданы обычным путём скрещивания в силу барьера межвидовой несовместимости. Методом слияния клеток получены, например, гибриды различных видов картофеля, томатов, табака; табака и картофеля, рапса и турнепса, табака и белладонны. На основе гибрида культурного и дикого картофеля, который устойчив к вирусам и другим заболеваниям, создаются новые сорта. Аналогичным способом получают ценный селекционный материал томатов и других культур. В перспективе - комплексное использование методов генетической и клеточной инженерии для создания новых сортов растений с заранее заданными свойствами, например, ос сконструированными в них системами фиксации атмосферного азота. Большие успехи достигнуты клеточной инженерией в области иммунологии: разработаны методы получения особых гибридных клеток, производящих индивидуальные, или моноклональные, антитела. Это позволило создать высокочувствительные средства диагностики ряда тяжёлых заболеваний человека, животных и растений. Значительный вклад вносит современная биотехнология в решение такой важной проблемы, как борьба с вирусными заболеваниями сельскохозяйственных культур, наносящими большой ущерб народному хозяйству. Учёные разработали высокоспецифичные сыворотки для выявления более 20 вирусов, вызывающих заболевания различных сельскохозяйственных культур. Разработана и изготовлена система приборов и приспособлений для массовой автоматической экспресс-диагностики вирусных болезней растений в условиях сельскохозяйственного производства. Новые методы диагностики позволяют отбирать для посадки свободный от вирусов исходный материал (семена, клубни и др.), что способствует значительному повышению урожая. Важное практическое значение имеют работы по инженерной энзимологии. Первым важным успехом её была иммобилизация ферментов - закрепление молекул ферментов с помощью прочных химических связей на синтетических полимерах, полисахаридах и других носителях-матрицах. Закреплённые ферменты более стабильны, их можно использовать многократно. Иммобилизация позволяет осуществлять непрерывные каталитические процессы, получать продукцию, не загрязнённую ферментом (что особенно важно в ряде пищевых и фармакологических производств), значительно снизить её себестоимость. Это метод применяют, например, для получения антибиотиков. Так, учёными разработана и внедрена в промышленное производство технология получения антибиотиков на основе иммобилизованного фермента пенициллинамидазы. В результате применения этой технологии в пять раз снизился расход сырья, себестоимость конечного продукта уменьшилась почти вдвое, объём производства возрос в семь раз, а общий экономический эффект составил около 100 млн. рублей. Следующим шагом инженерной энзимологии была разработка методов иммобилизации клеток микроорганизмов, а затем - клеток растений и животных. Иммобилизованные клетки являются наиболее экономичными биокатализаторами, так как обладают высокой активностью и стабильностью, а главное - применение их полностью исключает затраты на выделение и очистку ферментов. В настоящее время на основе иммобилизованных клеток разработаны методы получения органических кислот, аминокислот, антибиотиков, стероидов, спиртов и других ценных продуктов. Иммобилизованные клетки микроорганизмов используются также для очистки сточных вод, переработки сельскохозяйственных и промышленных отходов. Биотехнология находит всё более широкое применение и во многих отраслях промышленного производства: разработаны методы использования микроорганизмов для извлечения цветных благородных металлов из руд и промышленных отходов, для повышения нефтеотдачи пластов, для борьбы с метаном в угольных шахтах. Так, для освобождения шахт от метана учёные предложили бурить скважины в угольных пластах и подавать в них суспензию из метаноокисляющихся бактерий. Таким образом удаётся удалить около 60% метана ещё до начала эксплуатации пласта. А недавно нашли более простой и эффективный способ: суспензией из бактерий опрыскивают породы выработанного пространства, откуда наиболее интенсивно выделяется газ. Разбрызгивание суспензии можно осуществлять с помощью специальных форсунок, устанавливаемых на крепях. Испытания, которые были проведены на шахтах Донбасса, показали, что микроскопические «работники» быстро уничтожают от 50 до 80 % опасного газа в выработках. А вот с помощью других бактерий, которые сами выделяют метан, можно повышать давление в нефтяных пластах и обеспечивать более полное извлечение нефти. Значительный вклад предстоит внести биотехнологии и в решение энергетической проблемы. Ограниченность запасов нефти и газа заставляет искать пути использования нетрадиционных источников энергии. Один из таких путей - биоконверсия растительного сырья, или, другими словами, ферментативная переработка целлюлозосодержащих отходов промышленности и сельского хозяйства. В результате биоконверсии можно получить глюкозу, а из неё - спирт, который и будет служить топливом. Всё шире развёртываются исследования по получению биогаза (в основном метана) путём переработки животноводческих, промышленных и коммунальных отходов с помощью микроорганизмов. При этом остатки после переработки являются высокоэффективным органическим удобрением. Таким образом, этим путём решаются сразу несколько проблем: охрана окружающей среды от загрязнений, получение энергии и производство удобрений. Установки по получению биогаза уже работают в разных странах. Возможности биотехнологии практически безграничны. Она смело вторгается в самые разные сферы народного хозяйства. И в недалёком будущем, несомненно, ещё более возрастёт практическая значимость биотехнологии в решении важнейших задач селекции, медицины, энергетики, охраны окружающей среды от загрязнений.

Трансгенные растения

Трансгенные растения - это те растения, которым пересажены гены.

• 1. Картофель устойчивый к колорадскому жуку, был создан путём введения гена выделенного из ДНК клетки почвенной тюрингской бациллы, вырабатывающий белок, ядовитый для колорадского жука (в желудке жука вырабатывается яд, а в человеке нет). Использовали посредника - клетки кишечной палочки. Листья картофеля стали вырабатывать белок, ядовитый для жуков.
• 2. Использует продукты из трансгенной сои, кукурузы, картофеля и подсолнечника.
• 3. В Америке решили вырастить помидор устойчивый к заморозкам. Взяли ген камбалы, отвечающий за терморегуляцию, и пересадили в клетки томата. Но помидор эту информацию понял по-своему, он не перестал бояться заморозков, а перестал портиться при хранении. Он может полгода лежать в комнате и не гнить.

Трансгенные животные

Трансгенные животные , экспериментально полученные животные, содержащие во всех клетках своего организма дополнительную интегрированную с хромосомами и экспрессирующуюся чужеродную ДНК (трансген), которая передаётся по наследству по законам Менделя.

Изредка трансген может реплицироваться и передаваться по наследству как экстрахромосомный автономно реплицирующийся фрагмент ДНК. Термин «трансгеноз» был предложен в 1973 для обозначения переноса генов одних организмов в клетки организмов других видов, в том числе далёких в эволюционном отношении. Получение трансгенных животных осуществляется с помощью переноса клонированных генов (ДНК) в ядра оплодотворенных яйцеклеток (зигот) или эмбриональных стволовых (плюрипотентных) клеток. Затем в репродуктивные органы реципиентной самки пересаживают модифицированные зиготы или яйцеклетки, у которых собственное ядро заменено на модифицированное ядро эмбриональных стволовых клеток, либо бластоцисты (эмбрионы), содержащие чужеродную ДНК эмбриональных стволовых клеток. Имеются отдельные сообщения об использовании спермиев для создания трансгенных животных, однако этот приём пока не получил широкого распространения.

Первые трансгенные животные были получены в 1974 в Кембридже (США) Рудольфом Янишем (Jaenisch) в результате инъекции в эмбрион мыши ДНК вируса обезьяны SV40. В 1980 американским учёным Жоржем Гордоном (Gordon) с соавторами было предложено использовать для создания трансгенных животных микроинъекцию ДНК в пронуклеус зиготы. Именно этот подход положил начало широкому распространению технологии получения трансгенных животных. Первые трансгенные животные в России появились в 1982. С помощью микроинъекций в пронуклеус зиготы в 1985 в США были получены первые трансгенные сельскохозяйственные животные (кролик, овца, свинья). В настоящее время для создания трансгенных животных, кроме микроинъекций, используются другие экспериментальные приемы: инфицирование клеток рекомбинантными вирусами, электропорация , «обстрел» клеток металлическими частицами с нанесёнными на их поверхности рекомбинантными ДНК.

В последние годы в результате появления технологии клонирования животных возникли дополнительные возможности для создания трансгенных животных. Уже есть трансгенные животные, полученные с помощью микроинъекции генов в ядра дифференциированных клеток.

Все имеющиеся методы переноса генов пока ещё не очень эффективны. Для получения одного трансгенного животного в среднем необходимы микроинъекции ДНК в 40 зигот мышей, 90 зигот козы, 100 зигот свиньи, 110 зигот овцы и в 1600 зигот коровы. Механизмы интеграции экзогенной ДНК или формирования автономных репликонов (единиц репликации, отличных от хромосом) при трансгенозе не известны. Встраивание трансгенов у каждого вновь получаемого трансгенного животного происходит в случайные участки хромосом, причём может происходить встраивание как единичной копии трансгена, так и множества копий, располагающихся, как правило, тандемно в единичном локусе одной из хромосом. Как правило, гомология между сайтом (местом) интеграции трансгена и самим трансгеном отсутствует. При использовании для трансгеноза эмбриональных стволовых клеток возможна предварительная селекция, что позволяет получать трансгенных животных с трансгеном, интегрированным в результате гомологичной рекомбинации с определённым участком генома хозяйского организма. С помощью этого подхода осуществляют, в частности, целенаправленное прекращение экспрессии определённого гена (это называют «нокаутом гена»).

Технология создания трансгенных животных является одной из наиболее бурно развивающихся биотехнологий в последние 10 лет. Трансгенные животные широко используются как для решения большого числа теоретических задач, так и в практических целях для биомедицины и сельского хозяйства. Некоторые научные проблемы не могли бы быть решены без создания трансгенных животных. На модели трансгенных лабораторных животных проводятся широкие исследования по изучению функции различных генов, регуляции их экспрессии, фенотипическому проявлению генов, инсерционному мутагенезу и др. Трансгенные животные важны для различных биомедицинских исследований. Существует множество трансгенных животных, моделирующих различные заболевания человека (рак, атеросклероз, ожирение и др.). Так, получение трансгенных свиней с изменённой экспрессией генов, определяющих отторжение органов, позволит использовать этих животных для ксенотрансплантации (пересадки органов свиньи человеку). В практических целях трансгенные животные используются различными зарубежными фирмами как коммерческие биореакторы, обеспечивающие производство разнообразных медицинских препаратов (антибиотиков, факторов свёртываемости крови и др.). Кроме того, перенос новых генов позволяет получать трансгенных животных, отличающихся повышенными продуктивными свойствами (например, усиление роста шерсти у овец, понижение содержания жировой ткани у свиней, изменение свойств молока) или устойчивостью к различным заболеваниям, вызываемым вирусами и другими патогенами. В настоящее время человечество уже использует множество продуктов, получаемых с помощью трансгенных животных: медицинские препараты, органы, пища.

У этого термина существуют и другие значения, см. Вектор. Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор» (ГНЦ ВБ «Вектор») Международное название англ. State Research Center of Virology and Biotechnology VECTOR … Википедия

ГНЦ ВБ «Вектор» один из крупнейших научных вирусологических и биотехнологических центров России, расположенный в наукограде Кольцово Новосибирской области, в нескольких километрах от Новосибирска. Полное название центра Федеральное… … Википедия

- (ИББР) Прежнее название Институт физиологии, генетики и биоинженерии растений Директор Жамбакин, Кабыл Жапарович Сотрудников 128 … Википедия

- (МГАВМиБ) Международное название Moscow state academy of veterinary medicine and biotechnology named K.I. Skryabin Год основания 1919 Тип … Википедия

Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии им. К. И. Скрябина (МГАВМиБ) Международное название Moscow state academy of veterinary medicine and biotechnology named K.I. Skryabin Год основания … Википедия

воздушный клапан (в биотехнологии) - входное отверстие (в биотехнологии) — Тематики биотехнологии Синонимы входное отверстие (в биотехнологии) EN vent …

нокдаун (в биотехнологии) - В биотехнологии относится к генам или организмам, в которых молекулярными методами изменена активность отдельных генов Тематики биотехнологии EN knockdown … Справочник технического переводчика

Преобразована в 1995 из Московской ветеринарной академии им. К. И. Скрябина (основана в 1919). Подготовка по ветеринарным, животноводческим, биологическим и другим специальностям. В 1998 свыше 3 тыс. студентов. * * * МОСКОВСКАЯ АКАДЕМИЯ… … Энциклопедический словарь

Федеральное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр прикладной микробиологии и биотехнологии (ФБУН ГНЦ ПМБ) научный центр, проводящий исследования в таких областях, как эпидемиология, бактериология и биотехнология в целях… … Википедия

Биотехноло́гия - дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов , их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии .

Биотехнологией часто называют применение генной инженерии в -XXI веках , но термин относится и к более широкому комплексу процессов модификации биологических организмов для обеспечения потребностей человека, начиная с модификации растений и животных путём искусственного отбора и гибридизации . С помощью современных методов традиционные биотехнологические производства получили возможность улучшить качество пищевых продуктов и увеличить продуктивность живых организмов.

До 1971 года термин «биотехнология» использовался, большей частью, в пищевой промышленности и сельском хозяйстве. С 1970 года учёные используют термин в применении к лабораторным методам, таким, как использование рекомбинантной ДНК и культур клеток , выращиваемых in vitro .

Биотехнология основана на генетике, молекулярной биологии, биохимии, эмбриологии и клеточной биологии, а также прикладных дисциплинах - химической и информационной технологиях и робототехнике.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Биотехнологии: генные, хромосомные, клеточные

✪ Александр Панчин - Возможности генной инженерии

✪ Биотехнология. Основные методы биотехнологии

✪ 10 ДОСТИЖЕНИЙ ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ 2017 и начала 2018 года

✪ Генетическая инженерия. Биотехнология. Биологическое оружие, особенности воздействия

Субтитры

История биотехнологии

Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году .

Использование в промышленном производстве микроорганизмов или их ферментов , обеспечивающих технологический процесс, известно издревле, однако систематизированные научные исследования позволили существенно расширить арсенал методов и средств биотехнологии.

Наномедицина

Слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя наноустройства и наноструктуры . В мире уже созданы ряд технологий для наномедицинской отрасли. К ним относятся адресная доставка лекарств к больным клеткам , лаборатории на чипе, новые бактерицидные средства.

Биофармакология

Бионика

Искусственный отбор

Образовательная биотехнология

Основная статья: Оранжевые биотехнологии

Оранжевая биотехнология или образовательная биотехнология применяется для распространения биотехнологий и подготовки кадров в этой области. Она разрабатывает междисциплинарные материалы и образовательные стратегии, связанные с биотехнологиями (например, производство рекомбинантного белка) доступными для всего общества, в том числе для людей с особыми потребностями, например нарушениями слуха и / или ухудшением зрения.

Гибридизация

Процесс образования или получения гибридов , в основе которого лежит объединение генетического материала разных клеток в одной клетке. Может осуществляться в пределах одного вида (внутривидовая гибридизация) и между разными систематическими группами (отдалённая гибридизация, при которой происходит объединение разных геномов). Для первого поколения гибридов часто характерен гетерозис , выражающийся в лучшей приспособляемости, большей плодовитости и жизнеспособности организмов. При отдалённой гибридизации гибриды часто стерильны .

Генная инженерия

Зелёные светящиеся свиньи - трансгенные свиньи, выведенные группой исследователей из Национального университета Тайваня путём введения в ДНК эмбриона гена зелёного флуоресцентного белка , позаимствованного у флуоресцирующей медузы Aequorea victoria . Затем эмбрион был имплантирован в матку самки свиньи. Поросята светятся зелёным цветом в темноте и имеют зеленоватый оттенок кожи и глаз при дневном свете. Основная цель выведения таких свиней, по заявлениям исследователей, - возможность визуального наблюдения за развитием тканей при пересадке стволовых клеток.

Биотехнологии – медицине будущего

Новый выпуск журнала «НАУКА из первых рук» вышел «по следам» всероссийской конференции с международным участием «Биотехнология – медицине будущего», состоявшейся в новосибирском Академгородке в июле 2017 г. Среди организаторов научного форума – Институт химической биологии и фундаментальной медицины и Институт цитологии и генетики СО РАН, а также Новосибирский национальный исследовательский государственный университет, где биомедицинские исследования ведутся в рамках стратегической академической единицы «Синтетическая биология», объединяющей ряд российских и зарубежных участников, в первую очередь институты СО РАН биологического профиля. В первой, вводной статье выпуска ее авторы дают обзор самых актуальных направлений и перспективных результатов исследований, связанных с разработкой и внедрением в практическую медицину новых генно-инженерных, клеточных, тканевых, иммунобиологических и цифровых технологий, часть из которых детально представлена в других статьях номера

Стремительное развитие биологической науки, обусловленное появлением высокопроизводительных приборов и созданием методов манипулирования информационными биополимерами и клетками, подготовило фундамент для развития медицины будущего. В результате исследований последних лет были разработаны эффективные диагностические методы, появились возможности для рационального конструирования противовирусных, противобактериальных и противоопухолевых препаратов, средств генотерапии и геномного редактирования. Современные биомедицинские технологии все в большей степени начинают влиять на экономику и определять качество жизни людей.

К настоящему времени детально исследованы строение и функции основных биологических молекул и разработаны методы синтеза белков и нуклеиновых кислот. Эти биополимеры по своей природе являются «интеллектуальными» материалами, так как способны высокоспецифично «узнавать» и воздействовать на определенные биологические мишени. Путем направленного «программирования» таких макромолекул можно создавать рецепторные молекулярные конструкции для аналитических систем, а также лекарственные препараты, избирательно воздействующие на конкретные генетические программы или белки.

«Интеллектуальные препараты», созданные методами синтетической биологии, открывают возможности для таргетной (целенаправленной) терапии аутоиммунных, онкологических, наследственных и инфекционных заболеваний. Это дает основание говорить о внедрении в медицинскую практику подходов персонализированной медицины, ориентированной на лечение конкретного человека.

С помощью современных медицинских технологий и фармпрепаратов сегодня удается излечивать многие болезни, представлявшие в прошлом огромную медицинскую проблему. Но с развитием практической медицины и ростом продолжительности жизни все более актуальной становится задача здравоохранения в самом прямом смысле этого слова: не просто бороться с болезнями, но поддерживать имеющееся здоровье, чтобы человек мог вести активный образ жизни и оставаться полноценным членом общества до глубокой старости.

Такую задачу можно решить, обеспечив постоянный эффективный контроль за состоянием организма, который позволил бы избегать действия неблагоприятных факторов и предупреждать развитие заболевания, выявляя патологический процесс на самом раннем этапе, и ликвидировать саму причину возникновения болезни.

В этом смысле основную задачу медицины будущего можно сформулировать как «управление здоровьем». Сделать это вполне реально, если иметь полную информацию о наследственности человека и обеспечить мониторинг ключевых показателей состояния организма.

«Умная» диагностика

Для управления здоровьем необходимо иметь эффективные и простые малоинвазивные методы ранней диагностики заболеваний и определения индивидуальной чувствительности к терапевтическим препаратам, а также факторам внешней среды. Например, должны быть решены (и уже решаются) такие задачи, как создание систем для генной диагностики и выявления возбудителей инфекционных заболеваний человека, разработка методов количественного определения белков и нуклеиновых кислот – ​маркеров заболеваний.

Отдельно стоит выделить создание методов ранней неинвазивной диагностики (жидкостная биопсия ) опухолевых заболеваний, основанных на анализе внеклеточной ДНК и РНК. Источником таких нуклеиновых кислот служат как погибшие, так и живые клетки. В норме их концентрация относительно низка, но обычно возрастает при стрессе и развитии патологических процессов. При возникновении злокачественной опухоли в кровоток попадают нуклеиновые кислоты, выделяемые раковыми клетками, и такие характерные циркулирующие РНК и ДНК могут служить маркерами заболевания.

Сейчас на основе подобных маркеров разрабатываются подходы к ранней диагностике рака, методы прогнозирования риска его развития, а также оценки степени тяжести течения болезни и эффективности терапии. Например, в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН было показано, что при раке предстательной железы повышается степень метилирования определенных участков ДНК. Был разработан метод, позволяющий выделить из образцов крови циркулирующую ДНК и проанализировать характер ее метилирования. Этот способ может стать основой точной неинвазивной диагностики рака простаты, которой на сегодня не существует.

Важным источником информации о состоянии здоровья могут служить так называемые некодирующие РНК , т. е. те РНК, которые не являются матрицей для синтеза белков. За последние годы было установлено, что в клетках образуется множество различных некодирующих РНК, участвующих в регуляции самых разных процессов на уровне клеток и целого организма. Изучение спектра микроРНК и длинных некодирующих РНК при различных состояниях открывает широкие возможности для быстрой и эффективной диагностики. В Институте молекулярной и клеточной биологии СО РАН (ИМКБ СО РАН, Новосибирск) и ИХБФМ СО РАН идентифицирован ряд микроРНК – ​перспективных маркеров опухолевых заболеваний.

С помощью современных технологий секвенирования РНК и ДНК может быть создана платформа для диагностики и прогноза онкологических заболеваний человека на основе анализа содержания микроРНК и генотипирования, т. е. установления конкретных генетических вариантов того или иного гена, а также для определения профилей экспрессии (активности) генов. Такой подход предполагает возможность быстрого и одновременного проведения множества анализов с помощью современных устройств – ​биологических микрочипов .

Биочипы представляют собой миниатюрные приборы для параллельного анализа специфических биологических макромолекул. Идея создания подобных устройств родилась в Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта Российской академии наук (Москва) еще в конце 1980-х гг. За короткое время биочиповые технологии выделились в самостоятельную область анализа с огромным спектром практических приложений, от исследования фундаментальных проблем молекулярной биологии и молекулярной эволюции до выявления лекарственно устойчивых штаммов бактерий.

Сегодня в ИМБ РАН производятся и используются в медицинской практике оригинальные тест-системы для идентификации возбудителей ряда социально значимых инфекций, в том числе таких как туберкулез, с одновременным выявлением их резистентности к антимикробным препаратам; тест-системы для оценки индивидуальной переносимости препаратов группы цитостатиков и многое другое.

Развитие биоаналитических диагностических методов требует постоянного повышения чувствительности  – ​способности давать достоверный сигнал при регистрации малых количеств детектируемого вещества. Биосенсоры  – ​это новое поколение устройств, позволяющих специфично анализировать содержание различных маркеров заболеваний в образцах сложного состава, что особенно важно при диагностике заболеваний.

ИХБФМ СО РАН в сотрудничестве с новосибирским Институтом физики полупроводников СО РАН разрабатывает микробиосенсоры на основе полевых транзисторов , являющихся одними из самых чувствительных аналитических устройств. Такой биосенсор позволяет в реальном времени отслеживать взаимодействие биомолекул. Его составной частью является одна из таких взаимодействующих молекул, которая играет роль молекулярного зонда. Зонд захватывает из анализируемого раствора молекулярную мишень, по наличию которой можно судить о конкретных характеристиках здоровья пациента.

«Комплементарное» лекарство

Расшифровка геномов человека и возбудителей различных инфекций открыла дорогу для разработки радикальных подходов к терапии болезней путем направленного воздействия на их первопричину – ​генетические программы, ответственные за развитие патологических процессов. Глубокое понимание механизма возникновения заболевания, в который вовлечены нуклеиновые кислоты, дает возможность сконструировать терапевтические нуклеиновые кислоты, восполняющие утраченную функцию либо блокирующие возникшую патологию.

Такое воздействие может быть осуществлено с помощью фрагментов нуклеиновых кислот – ​синтетических олигонуклеотидов , способных избирательно взаимодействовать с определенными нуклеотидными последовательностями в составе генов-мишеней по принципу комплементарности . Сама идея использовать олигонуклеотиды для направленного воздействия на гены была впервые выдвинута в лаборатории природных полимеров (впоследствии – ​отдел биохимии) Новосибирского института биоорганической химии СО РАН (ныне – ​Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН). В Новосибирске были созданы и первые препараты ген-направленного действия для избирательной инактивации вирусных и некоторых клеточных РНК.

Подобные ген-направленные терапевтические препараты сегодня активно разрабатываются на основе нуклеиновых кислот, их аналогов и конъюгатов (антисмысловых олигонуклеотидов, интерферирующих РНК, аптамеров, систем геномного редактирования). Исследования последних лет показали, что на основе антисмысловых олигонуклеотидов можно получить широкий спектр биологически активных веществ, действующих на различные генетические структуры и запускающих процессы, приводящие к временному «выключению» генов либо изменению генетических программ – ​появлению мутаций . Было доказано, что с помощью подобных соединений можно подавить функционирование определенных матричных РНК живой клетки, воздействуя на синтез белков, а также защитить клетки от вирусной инфекции.

Сегодня антисмысловые олигонуклеотиды и РНК, подавляющие функции мРНК и вирусных РНК, применяются не только в биологических исследованиях. Ведутся испытания ряда противовирусных и противовоспалительных препаратов, созданных на основе искусственных аналогов олигонуклеотидов, а некоторые из них уже начинают внедряться в клиническую практику.

Лаборатория биомедицинской химии ИХБФМ СО РАН, работающая в этом направлении, была создана в 2013 г. благодаря научному мегагранту Правительства РФ. Ее организатором стал профессор Йельского университета, Нобелевский лауреат С. Альтман. В лаборатории ведутся исследования физико-химических и биологических свойств новых перспективных искусственных олигонуклеотидов, на основе которых разрабатываются РНК-направленные противобактериальные и противовирусные препараты.

В рамках проекта, руководимого С. Альтманом, было выполнено масштабное систематическое исследование воздействия различных искусственных аналогов олигонуклеотидов на патогенные микроорганизмы: синегнойную палочку, сальмонеллу, золотистый стафилококк, а также вирус гриппа. Были определены гены-мишени, воздействием на которые можно наиболее эффективно подавить эти патогены; проводится оценка технологических и терапевтических характеристик самых действующих аналогов олигонуклеотидов, в том числе проявляющих антибактериальную и противовирусную активность.

В ИХБФМ СО РАН впервые в мире были синтезированы фосфорилгуанидиновые производные олигонуклеотидов. Эти новые соединения электронейтральны, устойчивы в биологических средах и прочно связываются с РНК- и ДНК-мишенями в широком диапазоне условий. Благодаря спектру уникальных свойств они перспективны для применения в качестве терапевтических агентов, а также могут быть использованы для повышения эффективности средств диагностики, основанных на биочиповых технологиях.

«Антисмысловое» воздействие на матричные РНК не ограничивается простым блокированием сплайсинга (процесса «созревания» РНК) или синтеза белка. Более эффективным является ферментативное разрезание мРНК, спровоцированное связыванием терапевтического олигонуклеотида с мишенью. При этом олигонуклеотид – ​индуктор расщепления – ​может в дальнейшем связаться с другой молекулой РНК и повторить свое действие. В ИХБФМ СО РАН исследовали действие олигонуклеотидов, образующих при связывании с мРНК комплексы, которые могут служить субстратами фермента РНКазы Р. Этот фермент и сам представляет собой РНК с каталитическими свойствами (рибозим ).

Чрезвычайно мощным средством подавления активности генов оказались не только антисмысловые нуклеотиды, но и двуцепочечные РНК, действующие по механизму РНК-интерференции . Суть этого явления в том, что, попадая в клетку, длинные дцРНК разрезаются на короткие фрагменты (так называемые малые интерферирующие РНК , siPНК), комплементарные определенному участку матричной РНК. Связываясь с такой мРНК, siPНК запускают действие ферментативного механизма, разрушающего молекулу-мишень.

Использование этого механизма открывает новые возможности для создания широкого спектра высокоэффективных нетоксичных препаратов для подавления экспрессии практически любых, в том числе вирусных, генов. В ИХБФМ СО РАН на основе малых интерферирующих РНК сконструированы перспективные противоопухолевые препараты, показавшие хорошие результаты в экспериментах на животных. Одна из интересных находок – ​двуцепочечные РНК оригинального строения, стимулирующие в организме производство интерферона , эффективно подавляющие процесс метастазирования опухолей. Хорошее проникновение препарата в клетки обеспечивают носители – ​новые катионные липосомы (липидные пузырьки), разработанные совместно со специалистами Московского государственного университета тонких химических технологий имени М. В. Ломоносова.

Новые роли нуклеиновых кислот

Разработка метода полимеразной цепной реакции, позволяющего в неограниченных количествах размножать нуклеиновые кислоты – ​ДНК и РНК, и появление технологий молекулярной селекции нуклеиновых кислот сделали возможным создание искусственных РНК и ДНК с заданными свойствами. Молекулы нуклеиновых кислот, избирательно связывающие определенные вещества, называются аптамерами . На их основе могут быть получены препараты, блокирующие функции любых белков: ферментов, рецепторов или регуляторов активности генов. В настоящее время получены уже тысячи самых разных аптамеров, находящих широкое применение в медицине и технике.

Один из мировых лидеров в этой области – ​американская компания Soma Logic Inc . – ​создает так называемые сомамеры , которые селективно отбирают из библиотек химически модифицированных нуклеиновых кислот по уровню сродства к тем или иным мишеням. Модификации по азотистому основанию придают таким аптамерам дополнительную «белковоподобную» функциональность, что обеспечивает высокую стабильность их комплексам с мишенями. Кроме того, это увеличивает вероятность успешного отбора сомамеров к тем соединениям, к которым подобрать обычные аптамеры не удалось.

Среди аптамеров, имеющих сродство к клинически значимым мишеням, к настоящему времени имеются кандидаты на терапевтические препараты, достигшие третьей, ключевой фазы клинических испытаний. Один из них – ​Macugen  – ​уже используется в клинической практике для терапии заболеваний сетчатки глаза; препарат для лечения возрастной макулярной дегенерации сетчатки Fovista успешно заканчивает испытания. И на очереди множество подобных препаратов.

Но терапия – ​это не единственное предназначение аптамеров: они вызывают огромный интерес у биоаналитиков в качестве распознающих молекул при создании аптамерных биосенсоров .

В ИХБФМ совместно с Институтом биофизики СО РАН (Красноярск) разрабатываются биолюминесцентные аптасенсоры с переключаемой структурой. Получены аптамеры, которые играют роль репортерного блока сенсора, к Са 2+ -активируемому фотопротеину обелину , представляющему собой удобную биолюминесцентную метку. Этот сенсор способен «улавливать» молекулы лишь определенных белков, которые необходимо детектировать в образце. В настоящее время по этой схеме конструируются переключаемые биосенсоры к модифицированным белкам крови, служащим маркерами диабета.

Новым объектом среди терапевтических нуклеиновых кислот является и сама матричная (информационная) РНК. Компания Moderna Therapeutics (США) сейчас проводит масштабные клинические исследования мРНК. При попадании в клетку мРНК действуют в ней как ее собственные. В результате клетка получает возможность производить белки, которые могут предотвратить или остановить развитие заболевания. Большая часть таких потенциальных терапевтических препаратов направлена против инфекционных (вирус гриппа, вирус Зика, цитомегаловирус и др.) и онкологических заболеваний.

Белки как лекарство

Огромные успехи синтетической биологии за последние годы отразились и в разработке технологий производства терапевтических белков, уже широко применяющихся в клинике. В первую очередь это относится к противоопухолевым антителам, с помощью которых стала возможной эффективная терапия целого ряда онкологических заболеваний.

Сейчас появляются все новые противоопухолевые белковые препараты. Примером может служить препарат лактаптин , созданный в ИХБФМ СО РАН на основе фрагмента одного из основных белков молока человека. Исследователи обнаружили, что этот пептид индуцирует апоптоз («самоубийство») клеток стандартной опухолевой клеточной культуры – ​аденокарциномы молочной железы человека. С использованием методов генной инженерии был получен ряд структурных аналогов лактаптина, из которых был выбран наиболее эффективный.

Испытания на лабораторных животных подтвердили безопасность препарата и его противоопухолевую и антиметастатическую активность в отношении ряда опухолей человека. Уже разработана технология получения лактаптина в субстанции и лекарственной форме, изготовлены первые экспериментальные партии препарата.

Терапевтические антитела все шире применяются и для лечения вирусных инфекций. Специалистам ИХБФМ СО РАН удалось генно-инженерными методами создать гуманизированное антитело против вируса клещевого энцефалита. Препарат прошел все доклинические испытания, доказав свою высокую эффективность. Оказалось, что защитные свойства искусственного антитела в сто раз выше, чем коммерческого препарата антител, получаемого из сыворотки доноров.

Вторжение в наследственность

Открытия последних лет расширили возможности генотерапии, которые до недавнего времени представлялась фантастикой. Технологии геномного редактирования , основанные на применении РНК-белковой системы CRISPR/Cas, способны распознавать определенные последовательности ДНК и вносить в них разрывы. При «ремонте» (репарации ) таких нарушений можно исправлять мутации, ответственные за заболевания, или вводить в терапевтических целях новые генетические элементы.

Редактирование генов открывает перспективы радикального решения проблемы генетических заболеваний путем модификации генома при использовании экстракорпорального оплодотворения . Принципиальная возможность направленного изменения генов эмбриона человека уже доказана экспериментально, и создание технологии, обеспечивающей появление на свет детей, свободных от наследственных заболеваний, задача ближайшего будущего.

С помощью геномного редактирования можно не только «исправлять» гены: этот подход можно использовать для борьбы с вирусными инфекциями, не поддающимися обычной терапии. Речь идет о вирусах, встраивающих свой геном в клеточные структуры организма, где он оказывается недоступным для современных противовирусных препаратов. К таким вирусам относятся ВИЧ‑1, вирусы гепатита В, папилломавирусы, полиомавирусы и ряд других. Системы геномного редактирования могут инактивировать вирусную ДНК внутри клетки, разрезав ее на безопасные фрагменты либо внеся в нее инактивирующие мутации.

Очевидно, что применение системы CRISPR/Cas в качестве средства коррекции мутаций человека станет возможным лишь после ее усовершенствования с целью обеспечения высокого уровня специфичности и проведения широкого спектра испытаний. Кроме того, для успешной борьбы с опасными вирусными инфекциями необходимо решить проблему эффективной доставки терапевтических агентов в целевые клетки.

Сначала была клетка – ​стволовая

Одним из наиболее быстро развивающихся направлений в медицине является клеточная терапия . В ведущих странах уже проходят клинические испытания клеточных технологий, разработанных для лечения аутоиммунных, аллергических, онкологических и хронических вирусных заболеваний.

В России пионерные работы по созданию средств терапии на основе стволовых клеток и клеточных вакцин были выполнены в Институте фундаментальной и клинической иммунологии СО РАН (Новосибирск). В результате исследований были разработаны методы лечения онкологических заболеваний, гепатита В и аутоиммунных заболеваний, которые уже начали применяться в клинике в экспериментальном режиме.

Чрезвычайно актуальными в наши дни стали проекты создания банков культур клеток пациентов с наследственными и онкологическими заболеваниями для тестирования фармакологических препаратов. В Новосибирском научном центре такой проект уже реализуется межинститутским коллективом под руководством проф. С. М. Закияна. Новосибирские специалисты отработали технологии внесения мутаций в культивируемые клетки человека, в результате чего были получены клеточные модели таких заболеваний, как боковой амиотрофический склероз, болезнь Альцгеймера, спинальная мышечная атрофия, синдром удлиненного интервала QT и гипертрофическая кардиомиопатия.

Разработка методов получения из обычных соматических клеток плюрипотентных стволовых , способных превратиться в любую клетку взрослого организма, привела и к появлению клеточной инженерии, позволяющей восстанавливать пораженные структуры организма. Удивительно быстро развиваются технологии получения трехмерных структур для клеточной и тканевой инженерии на основе биоразрушаемых полимеров: протезов сосудов, трехмерных матриксов для выращивания хрящевой ткани и конструирования искусственных органов.

Так, специалисты ИХБФМ СО РАН и Национального медицинского исследовательского центра им. Е. Н. Мешалкина (Новосибирск) разработали технологию создания протезов сосудов и сердечных клапанов методом электроспиннинга . С помощью этой технологии из раствора полимера можно получить волокна толщиной от десятков нанометров до нескольких микрон. В результате серии экспериментов удалось отобрать изделия с выдающимися физическими характеристиками, которые сейчас успешно проходят доклинические испытания. Благодаря высокой био- и гемосовместимости такие протезы со временем замещаются собственными тканями организма.

Микробиом как объект и субъект терапии

К настоящему времени хорошо изучены и расшифрованы геномы многих микроорганизмов, поражающих человека. Ведутся исследования и сложных микробиологических сообществ, постоянно связанных с человеком, – ​микробиомов .

Существенный вклад в эту область исследований внесли и отечественные ученые. Так, специалисты ГНЦ ВБ «Вектор» (Кольцово, Новосибирская обл.) впервые в мире расшифровали геномы вирусов Марбург и натуральной оспы, а ученые ИХБФМ СО РАН – ​геномы вируса клещевого энцефалита, возбудителей клещевого боррелиоза, распространенных на территории РФ. Также были изучены микробные сообщества, ассоциированные с различными видами опасных для человека клещей.

В развитых странах сегодня активно ведутся работы, направленные на создание средств регуляции микробиома организма человека, в первую очередь его пищеварительного тракта. Как оказалось, от состава микробиома кишечника в огромной степени зависит состояние здоровья. Методы воздействия на микробиом уже существуют: например, обогащение его новыми терапевтическими бактериями, использование пробиотиков , благоприятствующих размножению полезных бактерий, а также прием бактериофагов (вирусов бактерий), избирательно убивающих «вредные» микроорганизмы.

В последнее время работы по созданию средств терапии на основе бактериофагов активизировались во всем мире в связи с проблемой распространения лекарственно-устойчивых бактерий. Россия – ​одна из немногих стран, где применение бактериофагов в медицине разрешено. В РФ существует промышленное производство препаратов, разработанных еще в советское время, и чтобы получать более эффективные бактериофаги, необходимо их совершенствовать, и эта задача может быть решена методами синтетической биологии.

Решением ее занимаются в ряде научно-исследовательских организаций РФ, в том числе в ИХБФМ СО РАН. В институте охарактеризованы промышленно производимые в РФ фаговые препараты, расшифрованы геномы ряда бактериофагов, а также создана их коллекция, в которую вошли и уникальные вирусы, перспективные для применения в медицине. В клинике института отрабатываются механизмы оказания персонализированной помощи больным, страдающим от бактериальных инфекций, вызванных лекарственно-устойчивыми микроорганизмами. Последние возникают при лечении диабетической стопы, а также в результате пролежней или послеоперационных осложнений. Разрабатываются и методы коррекции нарушений состава микробиома человека.

Совершенно новые возможности использования вирусов открываются в связи с созданием технологий получения интеллектуальных систем высокоизбирательного действия на определенные клетки. Речь идет об онколитических вирусах , способных поражать только опухолевые клетки. В экспериментальном режиме несколько таких вирусов уже применяются в Китае и США. Работы в этой области ведутся и в России, в них принимают участие специалисты из московских и новосибирских научно-исследовательских организаций: ИМБ РАН, ГНЦ ВБ «Вектор», Новосибирского государственного университета и ИХБФМ СО РАН.

Быстрое развитие синтетической биологии дает основание ожидать в ближайшие годы важных открытий и появления новых биомедицинских технологий, которые избавят человечество от многих проблем и позволят реально управлять здоровьем, а не только лечить наследственные и «благоприобретенные» заболевания.

Фронт исследований в этой области чрезвычайно широк. Уже сейчас доступные гаджеты представляют собой не просто игрушки, но реально полезные приборы, ежедневно обеспечивающие человека информацией, необходимой для контроля и поддержания здоровья. Новые технологии быстрого углубленного обследования дают возможность предсказать или своевременно обнаружить развитие болезни, а персонализированные препараты на основе «умных» информационных биополимеров позволят радикально решить проблемы борьбы с инфекционными и генетическими заболеваниями в самом ближайшем будущем.

Литература

Брызгунова О. Е., Лактионов П. П. Внеклеточные нуклеиновые кислоты мочи: источники, состав, использование в диагностике // Acta Naturae. 2015. Т. 7. № 3(26). С. 54-60.

Власов В. В., еще две фамилии и др. Комплементарные здоровью. Прошлое, настоящее и будущее антисмысловых технологий // НАУКА из первых рук. 2014. T. 55. № 1. С. 38-49.

Власов В. В., Воробьев П. Е., Пышный Д. В. и др. Правда о фаготерапии, или памятка врачу и пациенту // НАУКА из первых рук. 2016. Т. 70. № 4. С. 58-65.

Власов В. В., Закиян С. М., Медведев С. П. «Редакторы геномов». От «цинковых пальцев» до CRISPR // НАУКА из первых рук. 2014. Т. 56. № 2. С. 44-53.

Лифшиц Г. И., Слепухина А. А., Субботовская А. И. и др. Измерение параметров гемостаза: приборная база и перспективы развития // Медицинская техника. 2016. Т. 298. № 4. С. 48-52.

Рихтер В. А. Женское молоко – источник потенциального лекарства от рака // НАУКА из первых рук. 2013. Т. 52. № 4. С. 26-31.

Kupryushkin M. S., Pyshnyi D. V., Stetsenko D. A. Phosphoryl guanidines: a new type of nucleic Acid analogues // Acta Naturae. 2014. V. 6. № 4(23). P. 116-118.

Nasedkina T. V., Guseva N. A., Gra O. A. et al. Diagnostic microarrays in hematologic oncology: applications of high- and low-density arrays // Mol Diagn Ther. 2009. V. 13. N. 2. P. 91-102.

Ponomaryova A. A., Morozkin E. S., Rykova E. Y. et al. Dynamic changes in circulating miRNA levels in response to antitumor therapy of lung cancer // Experimental Lung Research. 2016. V. 42 N. 2. P. 95-102.

Vorobyeva M., Vorobjev P. and Venyaminova A. Multivalent Aptamers: Versatile Tools for Diagnostic and Therapeutic Applications // Molecules. 2016. V. 21 N. 12. P. 1612-1633.