Когда возникла биотехнология. Понятие биотехнологии

25.09.2019

Учебный материал. Биотехнология как наука и сфера производства.

1. Понятие о биотехнологии, цели и задачи.

В последние десятилетия мы стали свидетелями своеобразного бума, связанного с рождением и становлением современной биотехнологии. Речь идет о создании мобильной, высокоэффективной, компактной отрасли производства, базирующейся на самых последних достижениях биологической науки, прежде всего на методах генетической и клеточной инженерии.

Термином биотехнология обозначают преимущественно новые, промышленно важные пути биотрансформации различных веществ и живых организмов.

Биотехнология в переводе означает производство с помощью живых существ или технология живого.

Биотехнология – это наука о применении биологических процессов и систем в производстве.

Биотехнология – это направление научно-технического прогресса, использующее биологические процессы и агенты для целенаправленного воздействия на природу, а также в интересах промышленного получения полезных для человека продуктов, в частности лекарственных средств.

Биотехнология – это объединение биохимической, микробиологической и инженерной наук с целью технологического использования микроорганизмов, культур клеток и тканей, а также составных частей клеток.

Таким образом, биотехнология представляет собой область знаний, которая возникла и оформилась на стыке микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, химической технологии и ряда других наук. Рождение биотехнологии обусловлено потребностями общества в новых, более дешевых продуктах для народного хозяйства, в том числе медицины и ветеринарии, а также принципиально новых технологиях.

Биотехнология (от греч. вios – жизнь, teken – искусство, мастерство, logos – наука, умение, мастерство) – это получение продуктов из биологических объектов или с применением биологических объектов.

В качестве биологических объектов могут быть использованы организмы животных и человека (например, получение иммуноглобулинов из сывороток вакцинированных лошадей или людей; получение препаратов крови доноров), отдельные органы (получение гормона инсулина из поджелудочных желез крупного рогатого скота и свиней) или культуры тканей (получение лекарственных препаратов).

Однако в качестве биологических объектов чаще всего используют одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки. Выбор этих объектов обусловлен следующими причинами:

Клетки являются своего рода «биофабриками», вырабатывающими в процессе своей жизнедеятельности разнообразные ценные продукты (белки, жиры, углеводы, витамины, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и др.). Эти продукты крайне необходимы в жизни человека, и пока недоступны для получения «небиотехнологическими» способами из-за сложности технологии процессов или экономической нецелесообразности, особенно в условиях крупномасштабного промышленного производства;

Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток;

Биосинтез сложных веществ (белков, антибиотиков, антигенов, антител и др.) значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. Коэффициент полезного действия «работы» клетки равен 70 %, а самого совершенного технологического процесса – значительно ниже;

Возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т.е. наличие соответствующего технологического оборудования и аппаратуры, доступность сырья, технологии переработки и др.

Клетки животных и растений, микробные клетки в процессе жизнедеятельности (ассимиляции и диссимиляции) образуют новые продукты и выделяют метаболиты, обладающие разнообразными физико-химическими свойствами и биологическим действием. Обычно продукты жизнедеятельности одноклеточных организмов делят на 4 категории:

сами клетки как источник целевого продукта . Например, выращенные бактерии или вирусы используют для получения живой или убитой корпускулярной вакцины; дрожжи – как кормовой белок или основу для получения гидролизатов питательных сред и т.д.;

макромолекулы, которые синтезируются клетками в процессе выращивания: ферменты, токсины, антигены, антитела, пептидогликаны и др.;

первичные метаболиты – низкомолекулярные вещества, необходимые для роста клеток (аминокислоты, витамины, нуклеотиды, органические кислоты);

вторичные метаболиты (идиолиты) – низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста клеток (антибиотики, алкалоиды, токсины, гормоны).

Задачи, стоящие перед биотехнологией.

Поддержание и активизация путей обмена клеток, ведущих к накоплению целевых продуктов при заметном подавлении других реакций обмена у культивируемого организма.

Получение клеток и их составных частей для направленного изменения сложных молекул.

Углубление и совершенствование генетической инженерии, включающей рДНК-биотехнологию и клеточную инженерию, с целью получения особо ценных результатов в фундаментальных и прикладных разработках.

Создание безотходных и экологически безопасных биотехнологических процессов.

Совершенствование и оптимизация аппаратурного оснащения биотехнологических процессов с целью достижения максимальных выходов конечных продуктов при культивировании лекарственных видов с измененной наследственностью, полученными методами клеточной и генной инженерии.

Повышение технико-экономических показателей биотехнологических процессов по сравнению с существующими параметрами.

Человек использовал биотехнологию на протяжении многих тысяч лет: люди занимались пивоварением, пекли хлеб, придумали способы хранения и переработки продуктов путем ферментации (производство сыра, уксуса, соевого соуса), научились делать мыло из жиров, изготавливать простейшие лекарства и перерабатывать отходы. Однако только разработка методов генетической инженерии, основанных на создании рекомбинантных ДНК, привели к тому «биотехнологическому буму», свидетелями которого мы сейчас и являемся.

Биотехнология как самостоятельная прикладная наука сформировалась в середине 50-х годов XX века, когда человечество осознало необходимость первоочередного решения на принципиально новых основах главнейших проблем современности – продовольственной, энергетической, ресурсной, загрязнения окружающей среды и др. Биотехнологические процессы базируются на использовании биосинтетического потенциала микроорганизмов, растительных и животных клеток, тканей и органов, культивируемых на искусственных питательных средах. В настоящее время во многих странах мира развитию биотехнологии придается первостепенное значение в силу ряда существенных преимуществ перед другими видами технологий : биотехнологические процессы обладают низкой энергоемкостью, почти безотходны, экологически чистые. Эти технологии предусматривают использование стандартного оборудования и реактивов, а также возможность проведения исследований круглый год, независимо от климатических условий, занимая при этом незначительные площади. Кроме того, биотехнологические процессы высокопроизводительны, для них характерен высокий уровень автоматизации и механизации. Данные процессы осуществляются при относительно низких температурах и атмосферном давлении.

Если век прошедший оставил за собой название космического, то нынешние времена характеризуются стремительным развитием новых технологий, внедрением в повседневную жизнь изобретений, которые еще не так давно считались выдумками писателей-фантастов. Наступает эра новых технологий. Молодые люди на пороге серьезного выбора профессии все чаще обращают внимание на перспективные специальности будущего. Именно к таким относится специальность "биотехнология". Что же именно изучает эта наука и чем предстоит заниматься специалисту, выбравшему такое заманчивое занятие?

Историческая справка

Название этой науки состоит из сложения трех греческих слов: "био" - жизнь, "текне" - искусство, "логос" - наука. Специальность "биотехнология" одновременно является новым перспективным направлением, и вместе с тем ее можно назвать древнейшей отраслью промышленного производства.

В справочниках и словарях биотехнология определяется как наука, изучающая возможность использования природных химико-биологических процессов и объектов в промышленном производстве и повседневной жизнедеятельности человека. Процессы брожения, использованные древними виноделами, хлебопекарями, поварами и лекарями, - не что иное, как применение биотехнологии на практике. Первое научное обоснование этим процессам дал в 19 веке Луи Пастер. Сам термин «биотехнология» впервые употребил в 1917 году инженер из Венгрии Карл Эреки.

Специальности "биотехнология" и "биоинженерия" получили ускорение в развитии после ряда открытий в микробиологии и фармакологии. Ввод в эксплуатацию герметизированного оборудования, биореакторов дал толчок для создания противомикробных и антивирусных препаратов.

Связь наук

Современная химическая технология и биотехнология (специальность) объединяют биологические, химические и технические науки. Основой для новых изысканий в данной области становятся микробиология, генетика, химия, биохимия, молекулярная и клеточная биология, эмбриология. Значительную роль играют инженерные направления: робототехника, информационные технологии.

Специальность - биотехнология: где работать?

Под общими названиями специальности "биотехнология" скрывается более двадцати специализаций и направлений. Выпускников вузов с такой профессией смело можно назвать специалистами широкого профиля. Во время учебы они получают знания в области медицины, химии, общей биологии, экологии, пищевых технологий. Биотехнологов ждут в парфюмерной и фармацевтической промышленности, на предприятиях по производству пищевых продуктов и биодобавок. Современность ждет новых разработок научных работников в сфере генной инженерии, бионики, гибридизации. Место работы инженера - биолога может быть связано с предприятиями по охране окружающей среды, с работой в области космонавтики и робототехники. Инженеры, биохимики, биофизики, экологи, фармацевты, медики - все эти профессии соединяет в себе специальность "биотехнология". Кем работать, каждый выпускник вуза решает в соответствии со своими способностями и по зову сердца. Трудовые обязанности технолога - биолога зависят от особенностей отрасли, в которой он работает.

Промышленная биотехнология

Эта отрасль практикует использование частиц микроорганизмов, растений и животных для производства ценных продуктов, необходимых для жизнедеятельности человека. В эту группу входят специальности "пищевая биотехнологи", "фармацевтика", парфюмерная отрасль. Промышленные биотехнологии работают над созданием новых ферментов, антибиотиков, удобрений, вакцин и т.д. Основное направление деятельности биотехнолога на таких предприятиях - разработка биопрепаратов и соблюдение технологий их производства.

Молекулярная биотехнология

Специальность "биотехнология молекулярная" требует от профессионала углубленных знаний как общебиологического, так и инженерного направлений, современных компьютерных технологий. Специалисты с такой спецификой становятся исследователями в сфере нанотехнологии, клеточной инженерии, медицинской диагностики. Их ждут также сельскохозяйственные, фармацевтические, биотехнологические предприятия и контрольно-аналитические лаборатории, центры сертификации.

Биотехнологи - экологи и энергетики

Население планеты все больше обеспокоено тем фактом, что запасы природных энергоносителей, нефти и газа, имеют свои пределы, масштабы их добычи со временем будут сокращаться. Помочь человечеству решить проблему энергоснабжения помогут люди, чья специальность - биотехнология. Кем работать в этой отрасли? Технологом по переработке отходов различного происхождения, специально выращенной биомассы в энергоносители и веществ, которые могут заменить синтетические вещества нефти и газа. Биотехнологи создают новые методы очищения воды, проектируют очистные сооружения и биореакторы, работают в области генной инженерии.

Перспективы специальности

Кто такой биотехнолог? Профессия биотехнолога - это профессия будущего. За его плечами судьба всего человечества. Это не просто красивый лозунг - это цель биоинженерии. Задача биологов-технологов - создать то, что сейчас кажется сказкой и фантастической мечтой. Некоторые ученые даже называют современную эпоху эрой биологии. Так, за последнюю сотню лет биологи из просто исследователей превратились в создателей. Раскрытие молекулярных секретов организмов, природы наследственности позволило использовать эти процессы в практических хозяйственных целях. Это стало толчком для развития нового направления - биологической инженерии.

Чем могут удивить генетики в скором будущем?

Уже сейчас биоинженерия оказывает значительное влияние на охрану окружающей среды, медицину, сельское хозяйство, пищевую промышленность, а в ближайших планах биотехнологов - новые методы и приемы. Те, кто планирует связать свою судьбу со специальностью "биотехнология", где работать, в каком направлении, могут узнать из представленной ниже информации:

В первую очередь революционные изменения могут произойти в сельскохозяйственном производстве. Есть возможность искусственно создавать новые растения с повышенным содержанием белка, что сократит, в свою очередь, потребление мяса.
Растения, которые сами будут выделять яды от насекомых и нитраты, позволят уменьшить загрязнение почвы удобрениями и химикатами.
Генетическая инженерия позволяет управлять наследственностью и бороться с наследственными заболеваниями.
Биологи-конструкторы планируют искусственно создавать организмы с заранее обусловленными качествами.

Направления биоинженерии, которые круто изменят мир

Они следующие:

Энергия и топливо из растений, грибов, бактерий, а также использование в этих целях энергии моря.
Генно-модифицированные зерновые культуры.
Безотходный производственный круг - переработка всех видов отходов.
Использование биоматериалов для регеративной медицины.
Новые виды биологических лекарств и вакцин.
Восстановление потенциала плодородных земель и пресной воды.
Исследования человеческого генома и наследственных болезней.

Издержки профессии

Говоря о преимуществах и перспективах биотехнологии, нельзя не упомянуть о некоторых минусах науки. Речь идет о моральных аспектах, связанных с открытиями генной инженерии. Многие ученые с мировым именем, религиозные деятели предупреждают о том, что использовать возможности нанотехнологий необходимо с умом и под особым контролем. Генно-модифицированные продукты питания могут привести к непоправимым изменениям в генофонде человечества. Клонирование человека, появление людей, рожденных «в пробирке», ведут к новым проблемам и, возможно, к человеческим катастрофам.

Кто может стать биотехнологом?

Прежде всего, это человек, который любит природу, биологию, интересуется тайнами генетики. Кроме того, биотехнологу необходимы умение креативно мыслить, логика, наблюдательность, терпение и любознательность. Пригодятся такие качества, как целеустремленность, умение анализировать и систематизировать, аккуратность и широкая эрудированность.

Так как биоиженерия предполагает тесную связь с другими науками, будущему технологу необходимы в равной мере хорошие знания химии, математики, физики.

Где учат профессии?

Профориентация определена, абитуриент выбрал профессию биотехнолога: где учиться? Особенности специальности предполагают соответствующие факультеты, в зависимости от выбранной отрасли народного хозяйства. Факультеты биотехнологии есть практически во всех государственных университетах в нашей стране и за рубежом. Биотехнологов готовят технические, сельскохозяйственные, пищевые, технологические университеты по различным направлениям и специализациям.

Факультеты биотехнологии специальности предлагают следующие:

Промышленная биотехнология.
Экобиотехнология и биоэнергетика.
Биотехника и инженерия.
Биоинформатика.
Молекулярная биотехнология.
Оборудование для биотехнологических производств.
Фармацевтическая биотехнология.
Химические технологии пищевых добавок и косметических средств.
Химические технологии и инженерия.

химическаябионика.

Бионика – это использование секретов живой природы с цельюсоздания более совершенных технических устройств. В широком смысле биотехнология – это использование живых организмов и биологических процессов в производстве,т.е. производство необходимых для человека веществ с использованием достижениймикробиологии, биохимии и технологии.

Вбиотехнологии используются бактерии, микроорганизмы и клетки различных тканей.На микробиологических заводах микроорганизмы выращиваются в огромныхколичествах в аппаратах «ферментерах » – цилиндр, сосуд из нержавеющейстали. В ферментер подаётся стерильная питательная среда, в которую вноситсякультура микроорганизма (например, дрожжей). Содержимое интенсивноперемешивается, в него подаётся кислород, поддерживается оптимальнаятемпература для роста клеток. Специальные датчики позволяют автоматам следитьза рН среды, содержанием химических веществ, температурой и т.д. Послеокончания процесса ферментации клетки отделяют от жидкости с помощью аппаратови используют их для выделения необходимых веществ.

Внастоящее время период развития биотехнологии можно охарактеризовать следующимичертами:

1) Всё чаще используются несами клетки микроорганизмов, а выделенные из них ферменты.

Например, дисахарид лактоза – молочный сахар –для большинства людей полезен, но некоторые взрослые люди вообще не могут питьмолоко из-за того, что содержащаяся в нём лактоза не расщепляется из-заотсутствия фермента b -галактозидазы .В Африке этим недугом страдают целые племена. Безлактозное молоко можнополучить с помощью фермента лактазы. Производство такого молока налажено,например, с Италии.

2) Вторая область – расширениедеятельности биотехнологии.

Сейчас биотехнологическими методами изготавливают нетолько пищевые продукты, но и витамины, антибиотики, гормоны, ряд другихлекарств, а также незаменимые аминокислоты. Человек, например, не можетсуществовать без триптофана, фенилаланина, лизина, треонина, валина,метионина, лейцина и изолейцина . Детям нужен и аргинин.

В последние годы появился новый источник пищи – белокодноклеточных, который получают из микроорганизмов. Его можно использовать накорм скоту вместо продуктов.

Биотехнология проникла в производство металлов. Внашей стране разработана технология бактериально-технического способаизвлечения золото и серебра из бедных этими металлами пород. Биометаллургияэкономически выгодна и исключает загрязнение окружающей среды.

Особое направление биотехнологии – медицина. Например,гормон роста секретируется передней долей гипофиза. При недостаткегормона – карликовость. Раньше этот гормон получали из гипофиза трупов, асейчас получают из кишечной палочки и по биологической активности этот гормонне уступает гормону гипофиза. Из несовершенных грибов получен препарат циклоспорин ,который используется при трансплантации органов для подавления иммунных реакций(отторжение тканей).

3) Третья область – геннаяинженерия.

Нужные штаммы микроорганизмов получаются не толькоотбором случайно возникающих мутаций, но и вставкой плазмид с соответствующимигенами. Биотехнология позволила получать бактерии со свойствами прежде небывалыми. Одно из достижений генной инженерии – это перенос генов, кодирующихсинтез инсулина у человека, в клетки бактерий. Раньше этот гормонполучали из поджелудочной железы животных, чаще свиней. В настоящее времяполучен инсулин с помощью кишечной палочки –это 1-й генно-инженерный белок.

Также удалось перенести в клетки бактерий ген интерферона ,который образуется в ответ на вирусную инфекцию. Возможно, что вместо бактерийможно использовать дрожжи.

С 30-х годов исследователи стали заниматься выделениемиз бактерий и грибов природных веществ с антибиотическими свойствами, т.е.способных либо подавлять рост, либо совсем убивать других микробов. Самыйбогатый источник антибиотиков – организмы, живущие в почве. Из грибовактиномицетов можно получить 1500 антибиотиков. Свыше 50 широко применяется впрактике. К их числу относятся стрептомицин, хлорамфеникол и антибиотикитетрациклинового ряда . В медицине используют метод гибридизации клеток –сливание разных клеток в одну. Например, раковые клетки и лимфоциты. Гибридспособен продуцировать антитела и быстро размножаться. Используют как сывороткув анализах и лечении.

Геннаяинженерия.

совокупностьметодов, позволяющих в пробирке переносить генетическую информацию из одногоорганизма в другой. Перенос генов даёт возможность преодолевать межвидовыебарьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмовдругим. ЦЕЛЬ получение клеток, в промышленных масштабах нарабатывать некоторыебелки.

1.Плазмиды.

Наиболеераспространённым методом генной инженерии является метод получениярекомбинантных (содержащих чужеродный ген) плазмид, которые представляют собойкольцевые, двухцепочечные молекулы ДНК, состоящие из нескольких парнуклеотидов. Каждая бактерия помимо основной, не покидающей клетку молекулы ДНК(5*106 пар нуклеотидов), может содержать несколько различныхплазмид, которыми она обменивается с другими бактериями. Плазмидыявляются автономными генетическими элементами, реплицирующимися в бактериальнойклетке не в то же время, что основная молекула ДНК. Плазмиды несут важные длябактерии гены, как гены лекарственной устойчивости. Разные плазмиды содержатразные гены устойчивости к антибактериальным препаратам.

Большаячасть таких препаратов (антибиотиков) используется в качестве лекарств прилечении заболеваний человека и домашних животных. Бактерия, имеющая разныеплазмиды, приобретает устойчивость к антибиотикам, солям тяжёлых металлов. Придействии определённого антибиотика на бактериальные клетки плазмиды, придающиеустойчивость к нему, быстро распространяются среди бактерий, сохраняя им жизнь.

Мощнымэлементом генной инженерии являются открытые в 1974 ферменты – рестрикционныеэндонуклеазы, или рестриктазы (ограничение). Бактериальные клетки вырабатываютрестриктазы для разрушения инородной (фаговой) ДНК, что необходимо дляограничения вирусной инфекции. Рестриктазы узнают определённыепоследовательности нуклеотидов (сайты – участки узнавания) и вносятсимметричные, расположенные наискось друг от друга разрывы в цепях ДНК наравных расстояниях от центра сайта. В результате на концах каждого фрагментарестриктированной ДНК образуются короткие одноцепочечные «хвосты», которыеназывают липкими концами.

2.Методы генной инженерии.

Дляполучения рекомбинантной плазмиды ДНК одной из плазмид расщепляется выбраннойрестриктазой. Ген, который нужно ввести в бактериальную клетку, расщепляют изДНК хромосом человека с помощью рестриктазы, поэтому его «липкие» концыявляются комплементарными нуклеотидным последовательностям на концах плазмид.Ферментом лигазой «склеивают» оба куска ДНК в результате получаетсярукомбинантная кольцевоя плазмида, которую вводят в бактерию E. coli. Все потомки этой бактерии (клоны) содержат в плазмидах чужеродный ген. Весьэтот процесс называют клонированием.

Условно можно выделить следующие основные направления биотехнологии:

1) биотехнология пищевых продуктов;

2) биотехнология препаратов для сельского хозяйства;

3) биотехнология препаратов и продуктов для промышленного и бытового использования;

4) биотехнология лекарственных препаратов;

5) биотехнология средств диагностики и реактивов.

Биотехнология также включает выщелачивание и концентрирование металлов, защиту окружающей среды от загрязнения, деградацию токсических отходов и увеличение добычи нефти.

Генная и клеточная инженерия - являются важнейшими методами (инструментами), лежащими в основе современной биотехнологии. Методы клеточной инженерии направлены на конструирование клеток нового типа. Они могут быть использованы для воссоздания жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток, для объединения целых клеток, принадлежавших различным видам с образованием клетки, несущей генетический материал обеих исходных клеток, и других операций.

Генно-инженерные методы направлены на конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов. В результате применения генно-инженерных методов можно получать рекомбинантные (модифицированные) молекулы РНК и ДНК, для чего производится выделение отдельных генов (кодирующих нужный продукт), из клеток какого-либо организма. После проведения определенных манипуляций с этими генами осуществляется их введение в другие организмы (бактерии, дрожжи и млекопитающие), которые, получив новый ген (гены), будут способны синтезировать конечные продукты с измененными, в нужном человеку направлении, свойствами. Иными словами, генная инженерия позволяет получать заданные (желаемые) качества изменяемых или генетически модифицированных организмов или так называемых «трансгенных» растений и животных.

Наибольшее применение генная инженерия нашла в сельском хозяйстве и в медицине.

Люди всегда задумывались над тем, как можно научиться управлять природой, и искали способы получения, например, растений с улучшенными качествами: с высокой урожайностью, более крупными и вкусными плодами или с повышенной холодостойкостью. С давних времен основным методом, который использовался в этих целях, была селекция. Она широко применяется до настоящего времени и направлена на создание новых и улучшение уже существующих сортов культурных растений, пород домашних животных и штаммов микроорганизмов с ценными для человека признаками и свойствами. Селекция строится на отборе растений (животных) с выраженными благоприятными признаками и дальнейшем скрещивании таких организмов, в то время как генная инженерия позволяет непосредственно вмешиваться в генетический аппарат клетки. Важно отметить, что в ходе традиционной селекции получить гибриды с искомой комбинацией полезных признаков весьма сложно, поскольку к потомству передаются очень большие фрагменты геномов каждого из родителей, в то время как генно-инженерные методы позволяют работать чаще всего с одним или несколькими генами, причем их модификации не затрагивают работу других генов. В результате, не теряя других полезных свойств растения, удается добавить еще один или несколько полезных признаков, что весьма ценно для создания новых сортов и новых форм растений. Стало возможным изменять у растений, например, устойчивость к климату и стрессам, или их чувствительность к насекомым или болезням, распространённым в определённых регионах, к засухе и т.д. Учёные надеются даже получить такие породы деревьев, которые были бы устойчивы к пожарам. Ведутся широкие исследования по улучшению пищевой ценности различных сельскохозяйственных культур, таких как кукуруза, соя, картофель, томаты, горох и др.

Исторически, выделяют «три волны» в создании генно-модифицированных растений:

Вторая волна начало 2000-х годов создание растений с новыми потребительскими свойствами: масличные культуры с повышенным содержанием и измененным составом масел, фрукты и овощи с большим содержанием витаминов, более питательные зерновые и т.д.

В наши дни ученые создают растения «третьей волны», которые в ближайшие 10 лет появятся на рынке: растения-вакцины, растения-биореакторы для производства промышленных продуктов (компонентов для различных видов пластика, красителей, технических масел и т.д.), растения - фабрики лекарств и т.д. Генно-инженерные работы в животноводстве имеют другую задачу. Вполне достижимой целью при современном уровне технологии является создание трансгенных животных с определённым целевым геном. Например, ген какого-нибудь ценного гормона животного (например, гормона роста) искусственно внедряется в бактерию, которая начинает продуцировать его в больших количествах. Еще один пример: трансгенные козы, в результате введения соответствующего гена, могут вырабатывать специфический белок, фактор VIII, который препятствует кровотечению у больных, страдающих гемофилией, или фермент, тромбокиназу, способствующий рассасыванию тромба в кровеносных сосудах, что актуально для профилактики и терапии тромбофлебита у людей. Трансгенные животные вырабатывают эти белки намного быстрее, а сам способ значительно дешевле традиционного.

В конце 90-х годов XX в. учёные США вплотную подошли к получению сельскохозяйственных животных методом клонирования клеток эмбрионов, хотя это направление нуждается еще в дальнейших серьезных исследованиях. А вот в ксенотрансплантации - пересадке органов от одного вида живых организмов другому, - достигнуты несомненные результаты. Наибольшие успехи получены при использовании свиней, имеющих в генотипе перенесенные гены человека, в качестве доноров различных органов. В этом случае наблюдается минимальный риск отторжения органа. В настоящее время все больше приобретают популярность идеи экологизации и в более широком смысле биологизации всей хозяйственной и производственной деятельности. Под экологизацией, как начальным этапом биологизации, можно понимать сокращение вредных выбросов производства в окружающую среду, создание малоотходных и безотходных промышленных комплексов с замкнутым циклом и т.п.

Биологизацию же следует понимать более широко, как радикальное преобразование производственной деятельности на основе биологических законов биотического круговорота биосферы. Целью подобного преобразования должно быть встраивание всей хозяйственно-производственной деятельности в биотический круговорот. Особенно наглядно эта необходимость видна на феномене стратегической беспомощности химической защиты растений: Дело в том, что в настоящее время нет в мире ни одного пестицида, к которому бы не приспособились вредители растений. Более того, теперь отчетливо выявилась закономерность подобного приспособления: если в 1917 г. появился один вид насекомых, приспособившихся к ДДТ, то в 1980 г. таких видов стало 432. Применяемые пестициды и гербициды крайне вредны не только для всего животного мира, но и для человека. Точно так же в настоящее время становится понятной и стратегическая бесперспективность применения химических удобрений. В этих условиях совершенно естествен переход к биологической защите растений и биоорганической технологии с минимумом

Сегодня перед биотехнологом стоит много нерешённых технологических задач. Можно изменять биологические организмы для обеспечения потребностей людей с помощью клеточных и генно-инженерных методов. Например, улучшать качество продуктов, получать новые виды растений и модифицировать животных, придавать живым организмам необходимые свойства и создавать новые лекарственные препараты методами генной инженерии, искусственного отбора, гибридизации.

Однако, чтобы работать биотехнологом, нужно знать не только генетику, молекулярную биологию, биохимию, клеточную биологию, но также ботанику, химию, математику, информационные технологии, физику и другое. Грубо говоря, биотехнологи - это инженеры в области естественных и точных наук. Генеральный директор инновационной биотехнологической Biocad Дмитрий Морозов рассказал об этой интересной профессии и будущем биотехнологий.

Biocad - это международная инновационная биотехнологическая компания. В ней есть научно-исследовательский центр, проводятся доклинические и клинические исследования собственных фармацевтических препаратов. Департамент перспективных исследований Biocad занимается разработкой лекарственных препаратов передовой генной и клеточной терапии, а, кроме того, поиском и анализом сигнальных путей, закономерностей и мишеней, которые позволяют разрабатывать препараты превентивной медицины.

Дмитрий Морозов,

генеральный директор компании Biocad

Что такое биотехнология?

Биотехнология - это использование живых систем, клеток, организмов для практических нужд человека. То есть использование современной науки для манипуляции с живыми объектами, чтобы получить некую выгоду и улучшить жизнь человека.

Биотехнология отталкивается от потребностей. Например, не зря люди ездят на север и изучают гейзеры. Они понимают, что 10 лет могут искать и ничего не найти. Но они всё равно это делают, потому что рано или поздно найдут какую-нибудь бактерию, которая позволит делать дешёвое биотопливо, используя один ген этой бактерии. Так или иначе каждый человек, когда занимается наукой, надеется её применить (кроме теоретических физиков, хотя, наверное, они тоже захотели бы в космос полететь). В компании Biocad мы используем микроорганизмы для создания лекарств.

В биотехнологии много дисциплин, и все успешные проекты и направления связаны с их комбинацией.

Говорят, все открытия происходят на стыке разных специальностей: математика, биология - биоинформатика; биология, химия - биохимия; медицина, информатика, биология - биомедицинская информатика. Это всё отдельные блоки, которыми занимаются разные люди. Биотехнология сегодня, наверное, более всего уделяет внимание созданию лекарств разных типов. Кроме фармацевтического направления биотехнологии интересно сельское хозяйство (улучшение свойств еды), экология, энергетика (получение биотоплива) и прочее. И, конечно, в будущем можно думать о коррекции человека.

Генная инженерия и биотехнология

В биотехнологии важное место занимает генная инженерия. Она широко распространена в исследованиях, однако вовсе не обязательно использовать её методы, чтобы получить полезные свойства у объекта. Например, можно разобраться в особенностях метаболизма организма: как он живёт в нормальной среде обитания и что получится, если мы переведём его в другую среду обитания, с другими питательными факторами, в другую атмосферу - возможно, это поможет ему в итоге, и это может быстрее размножаться. Но это же не генная инженерия.

Биотехнология - это манипуляции со знаниями, которые есть о данном объекте. Генная инженерия просто расширяет круг возможностей, разных комбинаций, даёт возможность совершать манипуляции на уровне молекул, поэтому более точна.

Биотехнология на самом деле существует столько, сколько сельское хозяйство. В сельском хозяйстве часто есть конкретная практическая цель - например, вывести породу быстрых лошадей или устойчивое к холоду растение. Этим люди занимаются уже сотни лет с помощью селекции, которая на самом деле является генетическим методом отбора.

Биотехнологическая этика: как общество относится к биотеху?

Люди по-разному воспринимают нововведения в биотехнологии. Есть негативные и позитивные примеры восприятия.

Негативные - это, например, мнение, что внедрение нового приведёт к появлению вирусов, которые будут распространяться по всему миру и от которых нет ни вакцины, ни лечения, и что периодические эпидемии именно с этим и связаны.

Из позитивных - например, можно создать вирус, который на время меняет цвет глаз. Постепенно они становятся своего цвета, и каплями антибиотиков можно снова сделать их голубыми. Это мало связано со здравоохранением в привычном смысле, но всё равно здорово. Подобные манипуляции уже в теории можно делать, и к таким технологиям общество относится позитивно и с улыбкой. Однако в целом люди боятся внедрения новых технологий. Да и чтобы внедрить новое, нужно на высшем уровне обсудить этические вопросы того или иного воздействия препарата, и обычно это происходит долго.

Биотехнология в Biocad: лечение нуклеиновой кислотой

Два года назад в Biocad мы открыли Департамент перспективных исследований, основная цель которого - создание лекарственных продуктов передовой генной терапии. Этот термин объединяет три группы лекарственных препаратов, которые не похожи на все остальные лекарства, к которым мы привыкли.

Во-первых, это препараты для генной терапии, во-вторых, это препараты, в основе которых лежит манипуляция с соматическими и стволовыми клетками человека, в-третьих, это препараты тканевой инженерии.

В основе действия классических лекарств лежит либо малая молекула химической природы, либо какой-то белок, например, антитело, который можно легко получить с помощью биотехнологических методов. В нашей разработке лекарственным веществом, то есть действующим фактором, является нуклеиновая кислота РНК или ДНК.

Это новый способ воздействия на организм человека. Это направление не так давно стало бурно развиваться, поэтому к нему пока что относятся с осторожностью.

Как работают препараты для генной терапии

Наше лекарство - это рекомбинантный вирус, наночастица на базе вируса, внутри которой находится ген, которого недостаёт больному человеку. Направлены эти продукты, как правило, на заболевания, которые плохо поддаются лечению (наследственные заболевания с тяжёлыми проявлениями вплоть до летального исхода в раннем возрасте: дистрофия, нарушение зрения, световосприятия, иммунодефициты). Это в основном моногенные заболевания, в которых проявление болезни обусловлено дефектом одного гена. В таких случаях они очень хорошо лечатся. В лаборатории мы создаем терапевтические вирусные частицы, а биоинформатики помогают нам моделировать их работу.

В случае полигенных заболеваний , например, рака, можно использовать методы генной терапии для модификаций клеток иммунной системы человека, чтобы получать иммунные клетки с высокой специфичностью к опухолевым клеткам. В лабораториях наши учёные осуществляют полный цикл разработки этих двух типов продуктов (от идеи до создания прототипов, готовых для тестирования на животных). Такого в России нет, наверное, нигде.

Перспективные исследования в биотехнологии

медицина будущего: Развитие новых типов лекарств

Наш департамент назван по аналогии с Управлением перспективных исследовательских проектов США (DARPA). Они пытаются внедрять достижения науки в целях увеличения обороноспособности страны - это ускоренная регенерация, универсальные доноры, оружие и прочее.

Возможно, в ближайшие 5-10 лет благодаря взаимосвязи кибернетики и биотехнологии действительно будут созданы умные лекарства. Например, создание очень маленьких чипов : это капсула или робот с частицами лекарственного средства, циркулирующие в крови, из которых в зависимости от состояния человека нужное вещество будет впрыскиваться в кровь. Подобным занимаются, например, в MIT. Уже есть успешные примеры: в зависимости от уровня глюкозы в организм вбрасывается инсулин, что минимизирует степень инвазивности лечебной процедуры. Человек один раз внедрил чип, сделал инъекцию и на очень длительное время забыл, что нужно принимать лекарство.

Даже известный футуролог Рэй Курцвелл говорит, что люди начнут жить дольше с помощью нанороботов к 2025 году. Скорее всего, он имеет ввиду препараты, которые будут бороться с онкологическими заболеваниями.

Нанороботы - новый формат препаратов, потому что с точки зрения веществ, из которых состоят лекарства, люди уже всё сделали. Мы ничего больше предложить не можем - типов химических соединений, которые можно использовать для терапии немного. Это либо белки, либо малые молекулы, либо нуклеиновые кислоты , которые теперь тоже применяются.

Вариантов и тех, и других, и третьих, конечно, можно сделать безграничное количество, но они имеют ограниченный потенциал применения, так как работают по общим химическим принципам. По-другому воздействовать на клетку уже никак невозможно.

Поэтому в будущем главным вопросом будет доставка нанороботами этих трёх «блоков», что приведет к появлению новых форматов терапии.

Конечно, большинство хочет просто принять таблетку, но не все лекарственные вещества можно в неё «вложить». Более простой вариант - капсула. Более эффективный - инъекция и суппозитории. И если был бы какой-то универсальный способ лечения, например, закалывать какой-то чип с концентратом лекарственного средства под кожу, но раз в год, думаю, многие бы на это пошли.

Фото предоставлено компанией Biocad.

Диагностика заболеваний

Развитие малоинвазивных методов диагностики будет нужно человеку, чтобы, грубо говоря, по капле крови можно было быстро определять состояние человека: есть ли у него онкологическое заболевание и, если да, то есть ли метастазы, что за рак и прочее.

Сейчас это можно делать по определённому количеству миллилитров крови с помощью высокопроизводительных методов, но пока это довольно дорого. Мы идём к индивидуальному профилированию человека, чтобы знать про себя всё до уровня молекулы. Человек будет понимать, что конкретно с ним происходит в данный момент.

Может возникнуть нечто вроде социальной сети профайлов, где будут храниться все данные - например, по экспрессии генов за последний месяц. Кажется, что здесь всё легко, но на самом деле это миллиарды последовательностей, сотни генов с разными мутациями, разной степени значимости. Поэтому нужен будет новый класс врачей-теоретиков, которые будут уметь интерпретировать это огромное количество данных.

Регенерация, искусственный интеллект

Наверное, в будущем мы научимся регенерировать ткани и органы. Уже сейчас выращивают органы с нуля до реального размера из клетки благодаря 3D-печати. Также пытаются восстанавливать спинной мозг после травмы - печатать нейроны в месте повреждения. Иными словами, прививать человеку его же клетки, размноженные в лабораторных условиях.

Также учёные будут больше использовать искусственный интеллект и нейросети, чтобы создавать новые лекарственные препараты. Самообучающийся ИИ должен будет сам накапливать достаточное количество знаний, которые позволят ему давать правильные ответы. Если это не контролировать, может, наверное, произойти катастрофа, но, с другой стороны, он сможет значительно развязать руки исследователям и дать возможность генерировать новые идеи, ведь ИИ будет брать на себя все рутинные процедуры.