Знаете ли вы, что такое биотехнология? Наверняка вы кое-что о ней слышали. Это важный раздел современной биологии. Она стала, как и физика, одним из основных приоритетов в мировой экономике и науке в конце 20 века. Еще полвека назад никто не знал, что такое биотехнология. Однако основы ее заложил ученый, живший еще в 19 веке. Биотехнология получила мощный толчок к развитию благодаря работам исследователя из Франции Луи Пастера (годы жизни - 1822-1895). Он является основоположником современной иммунологии и микробиологии.

В 20 веке бурно развивалась генетика и молекулярная биология с использованием достижений физики и химии. В это время важнейшим направлением была разработка методов, с помощью которых можно было бы культивировать клетки животных и растений.

Всплеск исследований

В 1980 годах произошел всплеск исследований в области биотехнологии. К этому времени были созданы новые методические и методологические подходы, которые обеспечили переход к применению биотехнологий в науке и практике. Появилась возможность извлечь из этого большой Согласно прогнозам, биотехнологические товары должны были составить уже в начале нового века четверть мировой продукции.

Работа, осуществленная в нашей стране

Активное развитие биотехнологии происходило в это время и в нашей стране. В России также было достигнуто значительно расширение работ в этой области и внедрение в производство их результатов в 1980 годы. В нашей стране в этот период была разработана и осуществлялась первая программа по биотехнологии общенационального масштаба. Были созданы специальные межведомственные центры, подготовлены специалисты-биотехнологи, основаны кафедры и сформированы лаборатории в вузах и научно-исследовательских учреждениях.

Биотехнология сегодня

Сегодня мы настолько привыкли к этому слову, что мало кто задает себе вопрос: "Что такое биотехнология?" А между тем познакомиться с ней подробнее было бы совсем не лишним. Современные процессы в этой области основаны на методах использования рекомбинантных ДНК и клеточных органелл или клеток. Современная биотехнология является наукой о клеточных и генноинженерных технологиях и методах создания и применения трансформированных генетически биологических объектов с целью интенсификации производства либо создания новых видов продуктов. Выделяются три основные направления, о которых мы сейчас расскажем.

Промышленная биотехнология

В этом направлении можно выделить как разновидность красную Она считается самой важной сферой применения биотехнологий. Все большую роль они играют при разработке медикаментов (в частности, для лечения рака). Большое значение биотехнологии имеют также в диагностике. Они применяются, например, при создании биосенсоров, чипов ДНК. В Австрии красная биотехнология сегодня пользуется заслуженным признанием. Она даже считается двигателем развития остальных отраслей.

Переходим к следующей разновидности промышленной биотехнологии. Это биотехнология зеленая. Она используется, когда осуществляется селекция. Биотехнология эта предоставляет сегодня особые методы, с помощью которых разрабатываются средства противодействия против гербицидов, вирусов, грибков, насекомых. Все это также очень важно, согласитесь.

Для области зеленой биотехнологии особое значение имеет генная инженерия. С помощью нее создаются предпосылки для переноса генов одного вида растений на другие, и таким образом ученые могут влиять на развитие устойчивых характеристик и свойств.

Серая биотехнология используется для охраны окружающей среды. Ее методы применяются для очистки канализационных стоков, санации почв, очистки газов и отработанного воздуха, для переработки отходов.

Но и это еще не все. Существует и белая биотехнология, которая охватывает сферу использования в химической промышленности. Биотехнологические методы в данном случае применяются для безопасного с экологической точки зрения и эффективного производства ферментов, антибиотиков, аминокислот, витаминов, а также алкоголя.

И наконец, последняя разновидность. Синяя биотехнология основана на техническом применении различных организмов, а также процессов морской биологии. В этом случае в центре исследований - биологические организмы, населяющие Мировой океан.

Переходим к следующему направлению - клеточной инженерии.

Клеточная инженерия

Она занимается получением гибридов, клонированием, изучением клеточных механизмов, "гибридными" клетками, составлением генетических карт. Начало ее относят к 1960 годам, когда появился метод гибридизации Уже были усовершенствованы к этому времени способы культивирования, возникли и способы выращивания тканей. Соматическую гибридизацию, при которой гибриды создаются без участия полового процесса, сегодня проводят, культивируя различные клетки линий одного вида или используя клетки разных видов.

Гибридомы и их значение

Гибридомы, то есть гибриды между лимфоцитами (обычными клетками иммунной системы) и опухолевыми, обладают свойствами клеточных линий родителей. Они способны, подобно раковым, делиться неограниченно долго на питательных искусственных средах (то есть являются "бессмертными"), а также могут, подобно лимфоцитам, вырабатывать однородные обладающие определенной специфичностью. Эти антитела используются в диагностических и лечебных целях, как чувствительные реагенты на органические вещества и др.

Еще одним направлением клеточной инженерии являются манипуляции с клетками, не имеющими ядер, со свободными ядрами, а также с иными фрагментами. Эти манипуляции сводятся к комбинированию частей клетки. Подобные эксперименты вместе с микроинъекциями красителей или хромосом в клетку проводят, чтобы выяснить, как цитоплазма и ядро влияют друг на друга, какие факторы регулируют активность тех или иных генов и проч.

С помощью соединения на ранних стадиях развития клеток различных зародышей выращивают так называемых мозаичных животных. Иначе их именуют химерами. Они состоят из 2-х видов клеток, различающихся генотипами. Путем данных экспериментов выясняют, как в ходе развития организма происходит дифференцировка тканей и клеток.

Клонирование

Современные биотехнологии немыслимы без клонирования. Опыты, связанные с пересадкой ядер различных соматических клеток в энуклеированные (то есть лишенные ядра) яйцеклетки животных с дальнейшим выращиванием во взрослый организм получившегося зародыша ведутся уже не одно десятилетие. Однако они получили очень широкую известность с конца 20 века. Сегодня мы называем такие опыты клонированием животных.

Мало кому не знакома сегодня овечка Долли. В 1996 году около Эдинбурга (Шотландия) в Рослинском институте было осуществлено первое клонирование млекопитающего, которое осуществилось из клетки взрослого организма. Именно овечка Долли стала первым таким клоном.

Генная инженерия

Появившись в начале 1970 годов, сегодня добилась значительных успехов. Ее методы преобразуют клетки млекопитающих, дрожжей, бактерий в настоящие "фабрики" для производства любого белка. Такое достижение науки предоставляет возможность детально изучить функции и структуру белков для того, чтобы использовать их как лекарственные средства.

Основы биотехнологии сегодня широко применяются. Кишечная палочка, например, стала в наше время поставщиком важных гормонов соматотропина и инсулина. Прикладная генная инженерия ставит перед собой цель конструирования рекомбинантных молекул ДНК. При внедрении в определенный генетический аппарат они могут придавать организму полезные для человека свойства. К примеру, можно получать "биологические реакторы", то есть животные, растения и микроорганизмы, которые продуцировали бы вещества, фармакологически важные для человека. Достижения биотехнологии привели к возможности выведения пород животных и сортов растений с признаками, ценными для людей. С помощью методов генной инженерии можно осуществлять генетическую паспортизацию, создавать ДНК-вакцины, диагностировать различные генетические заболевания и др.

Заключение

Итак, мы ответили на вопрос: "Что такое биотехнология?" Конечно, в статье приведены лишь основные сведения о ней, кратко перечислены направления. Эта ознакомительная информация дает общее представление о том, какие существуют современные биотехнологии и как они используются.

(Это "заготовка" для студенческого доклада по биотехнологии, которую следует самостоятельно дополнить и расширить.)

План

Определение понятия "биотехнология".

Исторические предпосылки биотехнологии.

История современной биотехнологии.

Основные методы биотехнологии.

Значение биотехнологии и перспективы.

Понятию "биотехнология" можно дать много близких друг другу по смыслу определений.

1. Определение понятия "биотехнология"

Варианты определений понятия "биотехнология"

1-е (принадлежит инженеру Эреки, впервые сформулировавшему понятие биотехнологии) : Это все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты.
2-е: Это совокупность промышленных методов, использующих живые организмы.
3-е: Это использование живых организмов или биологических процессов промышленным способом.
4-е: Это прикладная наука, использующая методы генной и клеточной инженерии для получения биологической продукции промышленным способом.

5-е. Биотехнология – это не производство, а исследования в области промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов (Б. Глик, Дж. Пастернак, 2002).

Биотехнология в широком смысле - это научная дисциплина и сфера практики, пограничная между биологией и техникой, которая использует технологические процессы в работе с биологическими объектами или, наоборот, использует биологические объекты в технологических процессах.

В целом, биотехнология изучает пути и методы изменения окружающей человека природной среды в соответствии с его потребностями с помощью биологических объектов, включённых в технологические процессы.

Биотехнология в узком смысле - это совокупность методов и приемов получения нужных для человека продуктов с помощью биологических объектов. В состав биотехнологии входят генная, клеточная и экологическая инженерии.

Биотехнология, или технология биопроцессов - это производственное использование биологических структур для получения пищевых и промышленных продуктов, а также для осуществления целевых превращений.

Биологические структуры (биологические объекты) - это микроорганизмы, растительные и животные клетки, клеточные компоненты: мембраны клеток, рибосомы, митохондрии, хлоропласты, а также биологические макромолекулы (ДНК, РНК, белки - чаще всего ферменты). Биотехнология использует также вирусную ДНК или РНК для переноса чужеродных генов в клетки.

В традиционном, классическом, понимании биотехнология - это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов.

Термин «новая» биотехнология в противоположность «старой» биотехнологии применяют для разделения биопроцессов, использующих методы генной инженерии, новую биопроцессорную технику, и более традиционные формы биопроцессов. Так, обычное производство спирта в процессе брожения – «старая» биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта - «новая» биотехнология.

Термин «биотехнология» впервые предложил венгерский инженер Карл Эреки (1917), когда описывал производство свинины (конечный продукт) с использованием сахарной свеклы (сырье) в качестве корма для свиней (биотрансформация).

Под биотехнологией К. Эреки понимал «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты». Все последующие определения этого понятия - всего лишь вариации пионерской и классической формулировки К. Эреки.

Современная биотехнология - это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов продуктов различного назначения.

Методы биотехнологии могут применяться на следующих уровнях: молекулярном (манипуляция с отдельными частями гена), генном, хромосомном, уровне плазмид, клеточном, тканевом, организменном и популяционном.

Стэнли Коэн и Герберт Бойер в 1973 г. разработали метод переноса гена из одного организма в другой. Коэн писал: «...есть надежда, что удастся ввести в Е. coli гены, ассоциированные с метаболическими или синтетическими функциями присущими другим биологическим видам, например, гены фотосинтеза или продукции антибиотиков». С их работы началась новая эра в молекулярной биотехнологии. Было разработано большое число методик, позволяющих 1) идентифицировать 2) выделять; 3) давать характеристику; 4) использовать гены.

В 1978 г. сотрудники фирмы «Genetech» (США) впервые выделили последовательности ДНК, кодирующие инсулин человека, и перенесли их в клонирующие векторы, способные реплицироваться в клетках Escherichia coli. Этот препарат мог использоваться больными диабетом, у которых наблюдалась аллергическая реакция на инсулин свиньи.

В настоящее время молекулярная биотехнология дает возможность получать огромное количество продуктов: инсулин, интерферон, «гормоны роста», вирусные антигены, огромное количество белков, лекарственных препаратов, низкомолекулярные вещества и макромолекулы.

Использование клеточных технологий для промышленного получения биологически активных веществ растительного происхождения

Институт физиологии растений им. К.А.Тимирязева РАН, Москва, 127276

Использование биологически активных веществ (БАВ) растительного происхождения часто ограничено доступностью растительных ресурсов и может представлять серьезную угрозу для редких видов лекарственных растений. Культуры клеток высших растений могут служить возобновляемым источником ценных вторичных метаболитов, однако до настоящего времени известны лишь единичные примеры их коммерческого применения. Основными причинами сложившейся ситуации являются недостаточная продуктивность культур клеток по вторичным метаболитам и высокая стоимость выращивания. Используя традиционные методы -селекцию продуктивных штаммов, оптимизацию сред, элиситацию, добавление предшественников синтеза - можно повысить продуктивность культур клеток растений на один-два порядка. Методы метаболической инженерии - суперэкспрессия или выключение генов белков, определяющих синтез целевого продукта - могут существенно изменять биосинтетические способности клеток in vitro. В то же время, многие вторичные соединения не удалось пока получить в культуре клеток, что может быть обусловлено спецификой клеточной культуры - экспериментально созданной популяции соматических клеток - как биологической системы. Для этих случаев может оказаться эффективным использование культур органов растений или трансформированных корней (hairy root). Проводятся работы по получению вторичных метаболитов растений в дрожжах и бактериях, трансформированных растительными генами.

Литература:

(Указать использованную для составления данного доклада литературу, включая сайты Интернета.)

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.

Биотехнология, ее объекты и основные направления. Биотехнология - это производство необходимых человеку продуктов и биологически активных соединений с помощью живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов.

С незапамятных времен биотехнология применялась преимущественно в пищевой и легкой промышленности, а именно - в виноделии, хлебопечении, сбраживании молочных продуктов, при обработке льна, кож и т.д., т.е. в процессах, основанных на применении микроорганизмов. В последние десятилетия возможности биотехнологии необычайно расширились.

Объектами биотехнологии служат вирусы, бактерии, протисты, дрожжи, а также растения, животные или изолированные клетки и субклеточные структуры (органеллы).

Основными направлениями биотехнологии являются: 1) производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток биологически активных соединений (ферментов, витаминов, гормонов), лекарственных препаратов (антибиотиков, вакцин, сывороток, высокоспецифичных антител и др.), а также ценных соединений (кормовых добавок, например незаменимых аминокислот, кормовых белков; 2) использование биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязнений почвы) и защита растений от вредителей и болезней; 3) создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных и т.п.

Задачи, методы и достижения биотехнологии. Главной задачей селекционеров в наше время стало решение проблемы создания новых форм растений, животных и микроорганизмов, хорошо приспособленных к индустриальным способам производства, устойчиво переносящих неблагоприятные условия, эффективно использующих солнечную энергию и, что особенно важно, позволяющих получать биологически чистую продукцию без чрезмерного загрязнения окружающей среды. Принципиально новыми подходами к решению этой фундаментальной проблемы является использование в селекции генной (генетической) и клеточной инженерии.

Генная инженерия - это раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием новых молекул ДНК, способных реплицироваться в клетке-хозяине и осуществлять контроль за синтезом необходимых метаболитов. Генная инженерия занимается расшифровкой структуры генов, их синтезом и клонированием, вставкой выделенных из клеток живых организмов или вновь синтезированных генов в клетки растений и животных с целью направленного изменения их наследственных свойств.

Для осуществления переноса генов (или трансгенеза) от одного вида организмов в другой, часто очень далекий по своему происхождению, необходимо выполнить несколько сложных операций:

выделение генов (отдельных фрагментов ДНК) из клеток бактерий, растений или животных. В отдельных случаях эту операцию заменяют искусственным син тезом нужных генов;

соединение (сшивание) отдельных фрагментов ДНК любого происхождения в единую молекулу в составе плазмиды;

введение гибридной плазмидной ДНК, содержащей нужный ген, в клетки хозяина;

копирование (клонирование) этого гена в новом хозяине с обеспечением его работы (рис. 8.11).

Клонированный ген путем микроинъекции вводят в яйцеклетку млекопитающего или протопласт растения (изолированная клетка, лишенная клеточной стенки) и выращивают из них целое животное или растение. Растения и животные, геном которых изменен путем генно-инженерных операций, получили названиетрансгенных растений и трансгенных животных.

Уже получены трансгенные мыши, кролики, свиньи, овцы, в геноме которых работают чужеродные гены различного происхождения, в том числе гены бактерий, дрожжей, млекопитающих, человека, а также трансгенные растения с генами других, неродственных видов.

На сегодняшний день методы генной инженерии позволили осуществить синтез в промышленных количествах таких гормонов, как инсулин, интерферон и соматотропин (гормон роста), которые необходимы для лечения генетических болезней человека - сахарного диабета, некоторых видов злокачественных опухолей и карликовости соответственно.

Клеточная инженерия - метод, позволяющий конструировать клетки нового типа. Метод заключается в культивировании изолированных клеток и тканей на искусственной питательной среде в регулируемых условиях, что стало возможным благодаря способности растительных клеток в результате регенерации формировать целое растение из единичной клетки. Условия регенерации разработаны для многих культурных растений, таких как картофель, пшеница, ячмень, кукуруза, томат и др. Работа с этими объектами делает возможным использование в селекции нетрадиционных методов клеточной инженерии, таких как соматическая гибридизация, гаплоидия, клеточная селекция, преодоление нескрещиваемости в культуре и др.

Соматическая гибридизация - это слияние двух различных клеток в культуре тканей. Сливаться могут разные виды клеток одного организма и клетки разных, иногда очень далеких видов, например, мыши и крысы, кошки и собаки, человека и мыши.

Культивирование клеток растений стало возможным, когда научились с помощью ферментов избавляться от толстой клеточной стенки и получать изолированный протопласт. Протопласты можно культивировать так же, как и клетки животных, обеспечивать слияние их с протопластами других видов растений и получать в соответствующих условиях новые гибридные растения.

Важное направление клеточной инженерии связано с ранними стадиями эмбриогенеза. Например, оплодотворение яйцеклеток в пробирке уже сейчас позволяет преодолевать некоторые распространенные формы бесплодия у человека. У сельскохозяйственных животных с помощью инъекции гормонов удается получить от одной коровы-рекордистки десятки яйцеклеток, оплодотворить их в пробирке спермой породистого быка, а затем имплантировать в матку других коров и таким путем получить от одного ценного экземпляра в 10 раз большее потомства, чем это было бы возможно обычным путем.

Культуру растительных клеток выгодно использовать для быстрого размножения медленно растущих растений - женьшеня, маслинной пальмы, малины, персика и др. Так, при обычном разведении куст малины может дать не более 50 отростков в год, в то время как с помощью культуры клеток можно получить более 50 тыс. растений. При таком разведении иногда возникают растения более продуктивные, чем исходный сорт.

У биотехнологии, генетической и клеточной инженерии многообещающие перспективы. Внедрение нужных генов в клетки растений, животных и человека позволит постепенно избавиться от многих наследственных болезней человека, заставить клетки синтезировать необходимые лекарства и биологически активные соединения, а затем - непосредственно белки и незаменимые аминокислоты, употребляемые в пищу. Используя методы, уже освоенные природой, биотехнологи надеются получать с помощью фотосинтеза водород - самое экологически чистое топливо будущего, электроэнергию, превращать в аммиак атмосферный азот при обычных условиях.

Биотехнология - это производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов. Основными направлениями биотехнологии являются: производство биологически активных соединений (витаминов, гормонов, ферментов), лекарственных препаратов и других ценных соединений, разработка и использование биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды, создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных и т.д. Решению этих сложных задач способствуют методы генной и клеточной инженерии.

Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности, базируясь на использовании каталитического потенциала биологических агентов и систем различной степени организации и сложности - микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ и компонентов клеток.

Развитие и преобразование биотехнологии обусловлено глубокими переменами, происшедшими в биологии в течение последних 25-30 лет. Основу этих событий составили новые представления в области молекулярной биологии и молекулярной генетики. В то же время нельзя не отметить, что развитие и достижения биотехнологии теснейшим образом связаны с комплексом знаний не только наук биологического профиля, но также и многих других.

Расширение практической сферы биотехнологии обусловлено также социально-экономическими потребностями общества. Такие актуальные проблемы, стоящие перед человечеством на пороге ХХ1 в., как дефицит чистой воды и пищевых веществ (особенно белковых), загрязнение окружающей среды, недостаток сырьевых и энергетических ресурсов, необходимость получения новых, экологически чистых материалов, развития новых средств диагностики и лечения, не могут быть решены традиционными методами. Поэтому для жизнеобеспечения человека, повышения качества жизни и ее продолжительности становится все более необходимым освоение принципиально новых методов и технологий.

Развитие научно-технического прогресса, сопровождающееся повышением темпов материальных и энергетических ресурсов, к сожалению, приводит к нарушению баланса в биосферных процессах. Загрязняются водные и воздушные бассейны городов, сокращается воспроизводительная функция биосферы, вследствие накопления тупиковых продуктов техносферы нарушаются глобальные круговоротные циклы биосферы.

Стремительность темпов современного научно-технического прогресса человечества образно описал швейцарский инженер и философ Эйхельберг: «Полагают, что возраст человечества равен 600 000 лет. Представим себе движение человечества в виде марафонского бега на 60 км, который где-то начинаясь, идет по направлению к центру одного из наших городов, как к финишу... Большая часть дистанции пролегает по весьма трудному пути -через девственные леса, и мы об этом ничего не знаем, ибо только в самом конце, на 58-59 км бега, мы находим, наряду с первобытным орудием, пещерные рисунки, как первые признаки культуры, и только на последнем километре появляются признаки земледелия.

За 200 м до финиша дорога, покрытая каменными плитами, ведет мимо римских укреплений. За 100 м бегунов обступают средневековые городские строения. До финиша остается 50 м, где стоит человек, умными и понимающими глазами следящий за бегунами, -это Леонардо да Винчи. Осталось 10 м. Они начинаются при свете факелов и скудном освещении масляных ламп. Но при броске на последних 5 м происходит ошеломляющее чудо: свет заливает ночную дорогу, повозки без тяглового скота мчатся мимо, машины шумят в воздухе, и пораженный бегун ослеплен светом прожекторов фото- и телекамер...», т.е. за 1 м человеческий гений совершает ошеломляющий рывок в области научно-технического прогресса. Продолжая этот образ, можно добавить, что в момент приближения бегуна к финишной ленточке оказывается прирученным термоядерный синтез, стартуют космические корабли, расшифрован генетически код.

Биотехнология - основа научно-технического прогресса и повышения качества жизни человека

Биотехнология как область знаний и динамически развиваемая промышленная отрасль призвана решить многие ключевые проблемы современности, обеспечивая при этом сохранение баланса в системе взаимоотношений «человек - природа - общество», ибо биологические технологии (биотехнологии), базирующиеся на использовании потенциала живого по определению нацелены на дружественность и гармонию человека с окружающим его миром. В настоящее время биотехнология подразделяется на несколько наиболее значимых сегментов: это «белая», «зеленая», «красная», «серая» и «синяя» биотехнология.

К «белой» биотехнологии относят промышленную биотехнологию, ориентированную на производство продуктов, ранее производимых химической промышленностью, - спирта, витаминов, аминокислот и др. (с учетом требований сохранения ресурсов и охраны окружающей среды).

Зеленая биотехнология охватывает область, значимую для сельского хозяйства. Это исследования и технологии, направленные на создание биотехнологических методов и препаратов для борьбы с вредителями и возбудителями болезней культурных растений и домашних животных, создание биоудобрений, повышение продуктивности растений, в том числе с использованием методов генетической инженерии.

Красная (медицинская) биотехнология - наиболее значимая область современной биотехнологии. Это производство биотехнологическими методами диагностикумов и лекарственных препаратов с использованием технологий клеточной и генетической инженерии (зеленые вакцины, генные диагностикумы, моноклональные антитела, конструкции и продукты тканевой инженерии и др.).

Серая биотехнология занимается разработкой технологий и препаратов для защиты окружающей среды; это рекультивация почв, очистка стоков и газовоздушных выбросов, утилизация промышленных отходов и деградация токсикантов с использованием биологических агентов и биологических процессов.

Синяя биотехнология в основном ориентирована на эффективное использование ресурсов Мирового океана. Прежде всего, это использование морской биоты для получения пищевых, технических, биологически активных и лекарственных веществ.

Современная биотехнология - это одно из приоритетных направлений национальной экономики всех развитых стран. Путь повышения конкурентности биотехнологических продуктов на рынках сбыта является одним из основных в общей стратегии развития биотехнологии промышленно развитых стран. Стимулирующим фактором выступают специально принимаемые правительственные программы по ускоренному развитию новых направлений биотехнологии.

Госпрограммы предусматривают выдачу инвесторам безвозмездных ссуд, долгосрочных кредитов, освобождение от уплаты налогов. В связи с тем что проведение фундаментальных и ориентированных работ становится все более дорогостоящим, многие страны стремятся вывести значительную часть исследований за пределы национальных границ.

Как известно, вероятность успеха осуществления проектов НИОКР в целом не превышает 12-20 %, около 60 % проектов достигают стадии технического завершения, 30 % - коммерческого освоения и только 12 % оказываются прибыльными.

Особенности развития исследований и коммерциализации биологических технологий в США, Японии, странах ЕС и России

США. Лидирующее положение в биотехнологии по промышленному производству биотехнологических продуктов, объемам продаж, внешнеторговому обороту, ассигнованиям и масштабам НИОКР занимают США, где уделяется огромное внимание развитию данного направления. В этом секторе к 2003 г. было занято свыше 198 300 чел.

Ассигнования в этот сектор науки и экономики в США значительны и составляют свыше 20 млрд дол. США ежегодно. Доходы биотехнологической индустрии США выросли с 8 млрд дол. в 1992 г. до 39 млрд дол. в 2003 г.

Эта отрасль находится под пристальным вниманием государства. Так, в период становления новейшей биотехнологии и возникновения ее направлений, связанных с манипулированием генетическим материалом, в середине 70-х гг. прошлого столетия конгресс США уделял большое внимание вопросам безопасности генетических исследований. Только в 1977 г. состоялось 25 специальных слушаний и было принято 16 законопроектов.

В начале 90-х гг. акцент сместился на разработку мер по поощрению практического использования биотехнологии для производства новых продуктов. С развитием биотехнологии в США связывают решение многих ключевых проблем: энергетической, сырьевой, продовольственной и экологической.

Среди биотехнологических направлений, близких к практической реализации или находящихся на стадии промышленного освоения, следующие:
- биоконверсия солнечной энергии;
- применение микроорганизмов для повышения выхода нефти и выщелачивания цветных и редких металлов;
- конструирование штаммов, способных заменить дорогостоящие неорганические катализаторы и изменить условия синтеза для получения принципиально новых соединений;
- применение бактериальных стимуляторов роста растений, изменение генотипа злаковых и их приспособление к созреванию в экстремальных условиях (без вспашки, полива и удобрений);
- направленный биосинтез эффективного получения целевых продуктов (аминокислот, ферментов, витаминов, антибиотиков, пищевых добавок, фармакологических препаратов;
- получение новых диагностических и лечебных препаратов на основе методов клеточной и генетической инженерии.

Роль лидера США обусловлена высокими ассигнованиями государства и частного капитала на фундаментальные и прикладные исследования. В финансировании биотехнологии ключевую роль играют Национальный научный фонд (ННФ), министерства здравоохранения и социального обеспечения, сельского хозяйства, энергетики, химической и пищевой промышленности, обороны, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), внутренних дел. Ассигнования выделяются по программно-целевому принципу, т.е. субсидируются и заключаются контракты на исследовательские проекты.

При этом крупные промышленные компании устанавливают деловые отношения с университетами и научными центрами. Это способствует формированию комплексов в той или иной сфере, начиная от фундаментальных исследований до серийного выпуска продукта и поставки на рынок. Такая «система участия» предусматривает формирование специализированных фондов с соответствующими экспертными советами и привлечение наиболее квалифицированных кадров.

При выборе проектов с высокой коммерческой результативностью стало выгодным использовать так называемый «анализ с учетом заданных ограничений». Это позволяет существенно сократить сроки реализации проекта (в среднем с 7-10 до 2-4 лет) и повысить вероятность успеха до 80 %. Понятие «заданные ограничения» включают потенциальную возможность успешной продажи продукта и получения прибыли, увеличения годового производства, конкурентоспособность продукта, потенциальный риск с позиций сбыта, возможности перестройки производства с учетом новых достижений и т.д.

Ежегодные общие государственные расходы США на генно-инженерные и биотехнологические исследования составляют миллиарды долларов. Инвестиции частных компаний существенно превосходят эти показатели. Только на создание диагностических и противоопухолевых препаратов ежегодно выделяется несколько миллиардов долларов. В основном это следующие направления: методы рекомбинации ДНК, получение гибридов, получение и применение моноклональных антител, культуры тканей и клеток.

В США стало обычным, когда компании, не связанные ранее с биотехнологией, начинают приобретать пакеты акций действующих компаний и строить собственные биотехнологические предприятия (табл. 1.1). Это, например, практика таких химических гигантов, как Philips Petrolium, Monsanto, Dow Chemical. Около 250 химических компаний имеют в настоящее время интересы в области биотехнологии. Так, у гиганта химической индустрии США - компании De Pont есть несколько биотехнологических комплексов стоимостью 85-150 тыс. дол. со штатом 700-1 000 чел.

Подобные комплексы созданы в структуре Monsanto, более того, в настоящее время до 75 % бюджета (свыше 750 млн дол.) направляется в сферу биотехнологии. В сфере внимания этих компаний - производство генно-инженерного гормона роста, а также ряда генно-инженерных препаратов для ветеринарии и фармакологии. Кроме этого, фирмы совместно с университетскими исследовательскими центрами подписывают контракты на проведение совместных НИОКР.

Таблица 1.1. Крупнейшие концерны и фармацевтические фирмы США, производящие медицинские биотехнологические препараты

Существует мнение, что все необходимые условия для становления и развития биотехнологии в США подготовил венчурный бизнес. Для крупных фирм и компаний венчурный бизнес является хорошо отработанным приемом, позволяющим за более короткий срок получить новые разработки, привлекая для этого мелкие фирмы и небольшие коллективы, нежели заниматься этим собственными силами.

Например, в 80-е гг. General Electric с помощью мелких фирм стал осваивать производство биологически активных соединений, только в 1981 г. его рисковые ассигнования в биотехнологии составили 3 млн дол. Риск с участием мелких фирм обеспечивает крупным компаниям и корпорациям механизм отбора экономически оправданных нововведений с большими коммерческими перспективами.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова