Экологический кризис - это такая стадия взаимодействия между обществом и природой, на которой до предела обостряются противоречия между экономикой и экологией, а возможности сохранения потенциального гомеостаза, т. е. способности саморегуляции экосистем в условиях антропогенного воздействия, серьезно подорваны.
Экологический кризис не является неизбежным и закономерным порождением научно-технического прогресса, он обусловлен как у нас в стране, так и в других странах мира комплексом причин объективного и субъективного характера, среди которых не последнее место занимают потребительское, а нередко и хищническое отношение к природе, пренебрежение фундаментальными экологическими законами.
Выход из глобального экологического кризиса - важнейшая научная и практическая проблема современности. Над ее решением работают тысячи ученых, политиков, специалистов-практиков во всех странах мира. Задача заключается в разработке комплекса надежных антикризисных мер, позволяющих активно противодействовать дальнейшей деградации природной среды и выйти на устойчивое развитие общества. Попытки решения этой проблемы только одними какими-либо средствами, например, технологическими (очистные сооружения, безотходные технологии и т. д.), принципиально неверны и не приведут к необходимым результатам. Преодоление экологического кризиса возможно лишь при условии гармоничного развития природы и человека, снятии антагонизма между ними. Это достижимо лишь на основе реализации «триединства естественной природы, общества и природы очеловеченной» на путях устойчивого развития общества. комплексного подхода к решению природоохранных проблем.
63. Биотехнологии и будущее человечества
В XXI в. биология выступает лидером естествознания. Это обусловлено прежде всего возрастанием ее практических возможностей, ее программирующей ролью в аграрной, медицинской, экологической и других сферах деятельности, способностью решать важнейшие проблемы жизнедеятельности человека, в конечном счете даже определять судьбы человечества (в связи с перспективами биотехнологий, генной инженерии) и т.п. Одной из важнейших форм связи современной биологии с практикой являются биотехнологии. Биотехнология - технологические процессы, реализуемые с использованием биологических систем - живых организмов и компонентов живой клетки. Другими словами, биотехнологии связаны с тем, что возникло биогенным путем. Биотехнологии основаны на последних достижениях многих отраслей современной науки: биохимии и биофизики, вирусологии, физико-химии ферментов, микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, селекционной генетики, химии антибиотиков, иммунологии и др. Сам термин «биотехнология» новый: он получил распространение в 1970-е гг., но человек имел дело с биотехнологиями и в далеком прошлом. Некоторые биотехнологические процессы, основанные на применении микроорганизмов, человек использует еще с древнейших времен: в хлебопечении, в приготовлении вина и пива, уксуса, сыра, различных способах переработки кож, растительных волокон и т.д. Современные биотехнологии основаны главным образом на культивировании микроорганизмов (бактерий и микроскопических грибов), животных и растительных клеток, методах генной инженерии. Основными направлениями развития современных биотехнологий являются медицинские биотехнологии, агробиотехнологии и экологические биотехнологии. Новейшим и важнейшим ответвлением биотехнологии является генная инженерия. Медицинские биотехнологии подразделяются на диагностические и лечебные. Диагностические медицинские биотехнологии в свою очередь разделяют на химические (определение диагностических веществ и параметров их обмена) и физические (определение особенностей физических процессов организма). Химические диагностические биотехнологии используются в медицине давно. Но если раньше они сводились к определению в тканях и органах веществ, имеющих диагностическое значение (статический подход), то сейчас развивается и динамический подход, позволяющий определять скорости образования и распада представляющих интерес веществ, активность ферментов, осуществляющих синтез или деградацию этих веществ, и др. Кроме того, современная диагностика разрабатывает методы функционального подхода, с помощью которого можно оценивать влияние функциональных воздействий на изменение диагностических веществ, а следовательно, выявлять резервные возможности организма. В будущем возрастет роль физической диагностики, которая дешевле и быстрее, чем химическая, и состоит в определении физико-химических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности клетки, а также физических процессов (тепловых, акустических, электромагнитных и др.) на тканевом уровне, уровне органов и организма в целом. На базе такого рода анализа в рамках биофизики сложных биологических систем будут развиваться новые методы физиотерапии, выяснится смысл многих так называемых нетрадиционных методов лечения, приемов народной медицины и т.д. Биотехнологии широко используются в фармакологии. В древности для лечения больных применяли животные, растительные и минеральные вещества. Начиная с XIX в. в фармакологии получают распространение синтетические химические препараты, а с середины XX в. и антибиотики - особые химические вещества, которые образуются микроорганизмами и способны оказывать избирательно токсическое воздействие на другие микроорганизмы. В конце XX в. фармакологи обратились к индивидуальным биологически активным соединениям и стали составлять их оптимальные композиции, а также использовать специфические активаторы и ингибиторы определенных ферментов, суть действия которых - в вытеснении патогенной микрофлоры невредной для здоровья людей микрофлорой (использование микробного антагонизма). Биотехнологии помогают в борьбе современной медицины с сердечно-сосудистыми заболеваниями (прежде всего с атеросклерозом), с онкологическими заболеваниями, с аллергиями как патологическим нарушением иммунитета (способность организма защищать свою целостность и биологическую индивидуальность), старением и вирусными инфекциями (в том числе со СПИДом). Так, развитие иммунологии (науки, изучающей защитные свойства организма) способствует лечению аллергии. При аллергии организм отвечает на воздействие некоторого специфического аллергена чрезмерной реакцией, повреждающей его собственные клетки и ткани в результате отека, воспаления, спазма, нарушений микроциркуляции, гемодинамики и др. Иммунология, изучая клетки, осуществляющие иммунный ответ (иммуноциты), позволяет создавать новые подходы к лечению иммунологических, онкологических и инфекционных заболеваний. Человек пока не умеет лечить СПИД и плохо лечит вирусные инфекции. Химиотерапия и антибиотики, эффективные в борьбе с бактериальной инфекцией, неэффективны в отношении вирусов (например, возбудителей атипичной пневмонии). Предполагается, что здесь существенный прогресс будет достигнут благодаря развитию иммунологии, молекулярной биологии вирусов, в частности изучению взаимодействия вирусов со специфическими для них клеточными рецепторами. Биотехнологическими способами производят витамины, диагностические средства для клинических исследований (тест-системы на наркотики, лекарства, гормоны и т.п.), биоразлагаемые пластмассы, антибиотики, биосовместимые материалы. Новая область биоиндустрии - производство пищевых добавок. Сельскохозяйственные и экологические биотехнологии. В XX в. произошла «зеленая революция» - за счет использования минеральных удобрений, пестицидов и инсектицидов удалось добиться резкого повышения продуктивности растениеводства. Но сейчас понятны и ее отрицательные последствия, например насыщение продуктов питания нитратами и ядохимикатами. Основная задача современных агробиотехнологий - преодоление отрицательных последствий «зеленой революции», микробиологический синтез средств защиты растений, производства кормов и ферментов для кормопроизводства и др. При этом упор делается на биологические методы восстановления плодородия почвы, биологические методы борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур, на переход от монокультур к поликультурам (что повышает выход биомассы с единицы площади сельхозугодий), выведение новых высокопродуктивных и обладающих другими полезными свойствами (например, засухоустойчивостью или устойчивостью к засолению) сортов культурных растений. Продовольственные сельскохозяйственные культуры служат сырьем для пищевой промышленности. Биотехнологии используются при изготовлении пищевых продуктов из растительного и животного сырья, их хранении и кулинарной обработке, при производстве искусственной пищи (искусственной икры, искусственного мяса из сои, бобы которой богаты полноценным белком), при производстве корма для скота из продуктов, полученных из водорослей и микробной биомассы (например, получение кормовой биомассы из микробов, растущих на нефти). Поскольку микроорганизмы чрезвычайно разнообразны, микробиологическая промышленность на их основе вырабатывает самые разные продукты, например ферментные препараты, находящие широкое применение в производстве пива, спирта и т.д. Биотехнологии выступают одним из важнейших способов решения экологических проблем. Они применяются для уничтожения загрязнений окружающей среды (например, очистка воды или очистка от нефтяных загрязнений), для восстановления разрушенных биоценозов (тропических лесов, северной тундры), восстановления популяций исчезающих видов или акклиматизации растений и животных в новых местах обитания. Так, с помощью биотехнологий решается проблема освоения загрязненных территорий устойчивыми к этим загрязнениям видами растений. Например, зимой в городах для борьбы со снежными заносами используются минеральные соли, от которых гибнут многие виды растений. Однако некоторые растения устойчивы к засолению, способны поглощать цинк, кобальт, кадмий, никель и другие металлы из загрязненных почв; конечно, они предпочтительнее в условиях больших городов. Выведение сортов растений с новыми свойствами - одно из направлений экологической биотехнологии. Важные направления экологических биотехнологий - ресурсная биотехнология (использование биосистем для разработки полезных ископаемых), биотехнологическая (с использованием бактериальных штаммов) переработка промышленных и бытовых отходов, очистка сточных вод, обеззараживание воздуха, генно-инженерные экологические биотехнологии. Биотехнологии успешно применяются в некоторых «экзотических» отраслях. Так, во многих странах микробная биотехнология используется для повышения нефтеотдачи. Микробиологические технологии исключительно эффективны и при получении цветных и благородных металлов. Если традиционная технология включает в себя обжиг, при котором в атмосферу выбрасывается большое количество вредных серосодержащих газов, то при микробной технологии руда переводится в раствор (микробное окисление), а затем путем электролиза из него получают ценные металлы. Использование метанотрофных бактерий позволяет снизить концентрацию метана в шахтах. А для отечественной угледобычи проблема шахтного метана всегда была одной из самых острых: по статистике, из-за взрывов метана в шахтах каждый добытый 1 млн т угля уносит жизнь одного шахтера. Созданные биотехнологическими методами ферментные препараты находят широкое применение в производстве стиральных порошков, в текстильной и кожевенной промышленности. Космическая биология и медицина изучают закономерности функционирования живых организмов, прежде всего человеческого, в условиях космоса, космического полета, пребывания на других планетах и телах Солнечной системы. Одним из важных направлений в этой области является разработка космических биотехнологий - замкнутых биосистем, предназначенных для функционирования в условиях длительного космического полета. Созданная отечественной наукой система такого рода способна обеспечить жизнедеятельность космонавтов в течение 14 лет. Этого вполне достаточно для реализации космической мечты человечества - полета к ближайшим планетам Солнечной системы, прежде всего к Марсу. Таким образом, современные биотехнологии исключительно разнообразны. Не случайно XXI в. нередко называют веком биотехнологии. Важнейшим ответвлением биотехнологии, открывающим самые ошеломляющие перспективы перед человечеством, является генная инженерия.
Почему биотехнологии?
Человечество входит в третье тысячелетие с громадными знаниями в области наук о жизни и колоссальным потенциалом их практического использования.
Достижения в области физико-химической биологии и биотехнологии заложили основы новой медицины. Стремительно развиваются новые методы диагностики труднодиагностируемых заболеваний и устойчивых к воздействию антибиотиков микроорганизмов. Фармакология получила множество ранее недоступных возможностей благодаря открытию новых генов и их белковых продуктов, что ведет к возникновению нового поколения лекарств с высокой избирательностью действия и малой токсичностью.
В последнее десятилетие отрасль привлекает все более пристальное внимание инвесторов по всему миру, а согласно прогнозам экспертов, биотехнологии способствующие улучшению человеческой жизни или самого организма, способны стать одним из наиболее динамично развивающихся и прибыльных бизнесов XXI века.
Основные тенденции на мировом рынке биотехнологий:
Адресная доставка лекарственных средств. Мировой рынок наномедицины,
достижения которой позволяют достичь существенных успехов в разработке систем
адресной доставки лекарственных средств, растет на 12,3% в год. Его объем составит 178 млрд долларов к 2019 году. Наиболее перспективными областями применения
наномедицины являются лечение онкологических и сердечнососудистых заболеваний.
Одной из тенденций современной медицины является активное внедрение биологических полимеров, способных длительно выполнять необходимые функции или разлагаться на простые метаболиты и выводиться организмом за установленный срок без вреда для человека, что зачастую сопровождается образованием новых тканей. Глобальное старение населения и растущее число хирургических вмешательств для замены тканей и органов создают основу для устойчивого долгосрочного роста спроса на биосовместимые и биодеградируемые медицинские материалы. По оценке аналитической компании GIA, объем этого рынка достигнет 106,7 млрд долларов к 2020 году.
Текущее состояние инновационной инфраструктуры в секторе
биотехнологий в России:
По итогам 2011–2013 годов в России в целом сформировался «инновационный лифт» - система созданных государством институтов развития, поддерживающих инновационные проекты на различных стадиях: от предпосевной и посевной до момента расширения и реструктуризации. Основными структурными элементами «инновационного лифта» выступают ОАО «РВК», ОАО «Роснано», Фонд «Сколково», Внешэкономбанк (ВЭБ), Российский банк поддержки малого и среднего предпринимательства (МСП Банк), Фонд содействия развитию малых форм предприятий
в научно-технической сфере («Фонд Бортника»), Российский фонд технологического развития (РФТР). Дополняют систему активно создаваемые региональные венчурные фонды, общественные организации («ОПОРА РОССИИ»), Российская ассоциация венчурного инвестирования, а также специализированная торговая площадка Московской биржи для высокотехнологичных компаний
«Рынок инноваций и инвестиций». В области биотехнологий особая роль отводится Кластеру биомедицинских технологий Инновационного центра «Сколково». Так, в рамках «Сколково» компании не только могут получить финансовые ресурсы в форме грантов, но также имеют доступ к упрощенным таможенным процедурам, менторской поддержке профессионалов, дискуссионным площадкам.
И в заключении хотелось бы подвести итог:
Если мы хотим оставаться цивилизованной страной, то мы обязаны развивать собственную биотехнологическую промышленность. Это выгодно, перспективно и приоритетно, что подтверждает и наблюдаемая тенденция роста интереса со стороны российского частного капитала к созданию фармацевтических и биотехнологических производств.
Институты развития уделяют этому сектору все больше внимания в своих инвестиционных стратегиях. Важная роль в развитии отрасли отводится Технологическим платформам («Медицина будущего», «Биотех 2030», «Биоэнергетика»), и площадкам для развития биотехнологий (www.ivao.com) которые призваны стать связующим звеном между бизнесом и наукой. Провозглашенная политика импортозамещения постепенно начинает приносить свои плоды. Так, многие крупнейшие биофармацевтические компании локализовали свое производство в кластерах Калужской, Ярославской области, в Санкт-Петербурге. Отечественные компании при поддержке Министерства промышленности и торговли создают аналоги зарубежных биопрепаратов. С ожидаемым истечением сроков патентной защиты на многие лекарства, в перспективе в России может появиться конкурентоспособный сектор биоаналогов (биосимиляров).
Марс давно перестал быть лишь красной точкой на звездном небе. Сегодня к нему летают зонды, собирают пробы почв и делают селфи. Американский инженер Элон Маск, руководитель Space X, всерьез намерен организовать первый пилотируемый полет и основать колонию людей. Хотя это вряд ли произойдет в ближайшие 10 лет, биотехнологии готовы облегчить жизнь космическим переселенцам уже сейчас.
Главная задача – обеспечить нормальное дыхание. Марс не курорт, и доля кислорода на Красной планете составляет всего 0,2%. В сто раз меньше, чем на Земле. Биотехнологи в качестве решения предложили собственный проект – фильтрующие маски, которые смогут преобразовать углекислый газ в кислород. Такие технологии уже есть – остается довести их до ума, чтобы генерировать вещество в нужном объеме.
Основой для маски послужат полимеры, что сделает ее необыкновенно легкой – не больше 100 граммов. При этом защита будет обеспечиваться от солнечного света, аэрозолей, жестоких марсианских ветров. Жизнь на планете потребует от космонавтов много движения, поэтому такая маска станет необходимостью. Чтобы каждый новый «сол» (марсианские сутки) встречать под открытым небом.
Искусственный врач
Но пока вернемся на Землю. До пилотированных полетов на Марс нужно еще дожить, а с современной экологией и комплексом заболеваний это становится проблемой. В этом отчасти и наша вина. Беспокойство возникает лишь тогда, когда болезнь поселилась в организме и методично уничтожает его. Хотя стоило бы отмотать время назад и вовремя диагностировать проблему. Как? Создав программу диагностики на основе «искусственного мозга».
Система построена на принципе искусственных нейронных сетей. Это грубая модель мозга, в которой вместо нервных клеток простые процессоры. Они взаимодействуют в соответствии с математическими моделями и лишены человеческой эмоциональности. И в этом их главный плюс. С большой точностью они способны предсказывать будущее состояние любого объекта, в том числе и человека. Без сомнительных диагнозов и роковых врачебных ошибок.
Система устроена так: в системе заполняются биометрические данные о пациенте, результаты ЭКГ, показатели роста, веса, возраста. Программа их анализирует и выдает результат: вероятность развития болезни, условия и сроки ее обострения, рекомендации.
Основное преимущество – такие нейронные сети самообучаемы. Это не просто компьютер, действующий по одному алгоритму. Сети собирают информацию, анализируют большие данные, прогрессируют, принимают решения. А в перспективе – заменяют врачей. Возможно, с их помощью можно будет за 5-10 лет предсказать развитие главной болезни века – рака.
Диагностика в пижаме
Биотехнологи предлагают в будущем сделать диагностику практически «нательной». Суть – в разработке универсального сканера для контроля состояния тела.
Реализована идея в виде костюма со множеством датчиков. Для мужчин это полосатая пижама, для женщин – домашний комбинезон в горошек. Собирать информацию с «умной» одежды будет сервер, тоже сделанный со вкусом: большой розовый шар самовольно катается по комнате и радует глаз. Потерять или забыть такой гаджет невозможно.
Однако это не просто дизайнерский авангард на любителя, а высокотехнологичная система диагностики. Представьте, что ваша пижама будет во время сна проводить сканирование живых тканей с разрешением в 1-2 микрона, что позволит изучить каждую клетку. Глубина сканирования – 25 см, это позволит просмотреть организм «насквозь».
Результатом проекта станет 3D-модель человеческого тела. Домашний сервер проанализирует тысячи генов, миллионы белков в каждой из триллионов клеток. От такого наблюдения не скроется ни одна патология.
Но это еще не все. Система включает также корректировщик организма. Это циркулярный душ с нанографеновыми форсунками по периметру кабинки. Они с помощью гидродинамический инъекций доставляют через кожу нужные белки на глубину до 30 см. В результате восстановить отдельные клетки станет не сложнее, чем позавтракать.
Слишком смело, чтобы быть правдой? Но прототип пижамы уже создан: правда, пока всего с двадцатью датчиками и доступом в верхние слои кожи. Это лишь первый шаг, но к десятому, возможно, весь проект станет реальностью.
Вечно молодой, вечно новый
На очереди век регенеративной медицины. Ученые уже нашли, из чего делать органы, используя главных генетических хамелеонов – стволовые клетки. Найдено решение, как это реализовать: разработаны технологии 3D-биопринтинга. Осталось свести знания воедино и войти в эпоху новой трансплантологии.
Молодые ученые придумали, как внести свою лепту в этой процесс. Биотехнологи предложили идею наноплазменного волоконного сервиса. Это устройство способно определить любые вещества на наноуровне. Если в воде, крови или любом техническом растворе затерялись чужие молекулы, прибор их найдет, идентифицирует и подсчитает.
Такие способности пригодятся в диагностике, но в еще большей степени – в 3D-биопринтинге. Мало «напечатать» новое сердце, нужно изучить его состояние и состав в динамике на уровне отдельных клеток. Пока на такое способен только наноплазменный сенсор.
Прибор состоит из оптического волокна с нанесенным на него слоем наночастиц золота, лазера и спектрометра. При прохождении квантов света наблюдаются провалы, характер которых зависит от состояния окружающей среды. Используя рекордную чувствительность сенсора, можно в разы повысить безопасность искусственных органов. А пациенты будут уверены, что сменное сердце станет билетом в новую жизнь, а не на тот свет.
Чип в теле
Очевидно, что проникновение информационных технологий в медицину стало тотальным. Бесконтактные методы диагностики, компьютерные модели патологий, моделирование реакций на лекарства – далеко не полный перечень того, что ждет человечество. Живые ткани и электроника станут единым целым, а управление телом – делом техники.
Можно будет «выключить» боль, настроить сердце, договориться с мозгом, в режиме онлайн ремонтировать органы. Или даже в прямом смысле улучшать людей. Эмбриологи научились редактировать геном на самых ранних стадиях развития, что в перспективе избавит человечество от вредных мутаций и целого ряда наследственных болезней. Если, конечно, общество сможет принять такую эволюцию человечества.
Пока же биотехнологи думают о более насущных проблемах. Предлагается максимально использовать чиповые технологии и гаджеты в медицинской практике. Причем не снаружи, а внутри – путем вживления прямо в органы и ткани-мишени.
Биоэлектроника станет карт-бланшем на глобальное оздоровление населения. Гаджеты будут настолько маленькими, что смогут без труда путешествовать по нашему организму. Сердце, легкие или желудок оснастят беспроводными датчиками, которые 24 часа будут отправлять данные о состоянии организма. Такие технологии упростят жизнь пациентам, а главное – смогут мгновенно найти первопричины сложных патологий.
Уже не фантазия
Эти проекты можно было бы воспринимать как очередную смелую выдумку биотехнологов. Однако полвека назад лишь футуристы верили в беспроводные телефоны, искусственный интеллект и самоуправляемые автомобили. А сегодня эти технологии – часть нашей жизни. Поэтому верить ли в колонизацию Марса, пижамы-сканеры и сердца на замену? Ответ прост – будем футуристами.
18–19 сентября в Москве состоялась конференция «Постгеномные технологии», приуроченная к 100-летию со дня рождения академика Г.К. Скрябина. Организаторами мероприятия выступили Российская Академия наук, научный совет по биотехнологиям РАН, ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологий» РАН, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН.
Академик В.А. Тутельян, главный научный сотрудник ФГБУН «ФИЦ Питания и биотехнологий» сделал доклад на тему «Современная биотехнология в производстве пищи: проблема биобезопасности». В.А. Тутельян напомнил собравшимся, что наша страна в свое время стояла у истоков промышленной биотехнологии и была мировым лидером в этой части. В области медицины это направление возглавлял академик А.А. Покровский, в области сельского хозяйства и животноводства - академик Л.К. Эрнст, в области производства и создания производственных мощностей - академик В.А. Быков. А академику Г.К. Скрябину удалось объединить все усилия и создать колоссальный прорыв в развитии промышленной биотехнологии в Советском Союзе.
«В Институте питания, где я практически всю жизнь работаю, по указанию академика Скрябина была создана специальная лаборатория, которая объединяла порядка 70 человек, - рассказал В.А. Тутельян. - Это был очень масштабный проект, сопоставимый, не побоюсь сказать, с атомным проектом, потому что более 70 научно-исследовательских институтов всех ведомств объединились для решения этой задачи, и руководил всей этой работой Георгий Константинович Скрябин».
В период с 1964 по 1990 годы происходило интенсивное развитие промышленной биотехнологии. Работали 11 заводов, дающие 1,5 млн тонн кормового белка. Это обеспечивало 100% потребности, в первую очередь птицеводства и животноводства. Производство аминокислот, витаминов, других ингредиентов также обеспечивало 100%-ю потребность Советского Союза. При этом во главе угла всегда стояли проблемы безопасности, поэтому все научно-исследовательские институты медицинского профиля работали в этом направлении, в том числе, Институт питания.
«Сейчас трудно сказать, какое количество исследований было проведено, - рассказал В.А. Тутельян, - какое количество животных и людей участвовало в работе по доказательству безопасности. Один из них - это я, когда, будучи аспирантом, с удовольствием переходил из здания института на другую сторону, где тогда была столовая (сейчас её уже нет), и нас полгода кормили продукцией микробиологического синтеза, трансформированной через животных - кур, свиней и так далее. При этом нас детально изучали, изучали биохимические и все прочие параметры для того, чтобы доказать абсолютную безопасность. Пока, как видите, жив».
Упражнение с граблями. Заход третий
Но в начале 90-х, по словам докладчика, мы наступили на грабли второй раз. Первый раз - в 1948-м году, когда генетику объявили лженаукой, второй раз - в 1994 году, когда была уничтожена собственная биотехнология. «К чему мы пришли в уже ближайшее время? - напомнил академик. - Кормовой белок - ноль, и тут же упало все птицеводство, и мы начали закупать «ножки Буша». Полностью прекратилось производство витаминов, и сейчас ни одного грамма своих субстанций у нас не производится. Это преступление! Нет аминокислот - мы их полностью закупаем в Китае и Японии. А это что такое? Это, в первую очередь, парентеральное питание, необходимое при катастрофах, военных конфликтах - без этого мы просто не выживем. Стоит только санкциями или другими мерами перекрыть эти поставки, и мы останемся без всех этих жизненно необходимых продуктов».
Однако сейчас, по словам академика В.А. Тутельяна, мы переживаем эпоху Возрождения. Учреждена Комиссия РАН по генно-инженерной деятельности. Сформирована законодательная и нормативная база, принят целый ряд законов, которые позволяют проводить исследования и пытаться догнать зарубежных лидеров. «Авторские коллективы, принимавшие активные участие в разработке этих законов, - последователи и ученики Г.К. Скрябина», - подчеркнул В.А. Тутельян.
Многие технологии сегодня кажутся фантастикой. Так, начинаются интенсивные исследования по созданию ГМ-животных, птицы, рыбы с заданными полезными свойствами. Институт биологии гена выращивает ГМ-коз, вырабатывающих человеческий лактоферрин, а в Институте животноводства создаются гибриды животных, способные предотвращать многие человеческие заболевания. При этом на первом месте по важности стоит биологическая оценка безопасности ГМО-животного.
«Есть риск, что путем запрещений такого рода разработок мы в третий раз наступим на те же грабли, - подытожил В.А. Тутельян. - Нужно ли это делать? Мы активно работаем на уровне Государственной думы, там есть немало людей здравомыслящих, которые понимают, что если мы сейчас отстанем, то мы отстанем уже навсегда, и это будет преступление перед народом. Развитие современного сельского хозяйства, животноводства, медицины без использования биотехнологий бесперспективно. Это много шагов назад, и мы их делать не должны».
Питаться, чтобы выжить
Академик В.А. Быков сделал доклад на тему «Метаболомика и липидомика в постгеномной биотехнологии». Валерий Алексеевич напомнил собравшимся, что биотехнология во всем цивилизованном мире - это приоритетное направление научно-технического прогресса, использующее биообъекты и биопроцессы для целенаправленного воздействия на окружающую среду и получения полезных для человека продуктов, а также обеспечения контроля качества и оценки их безопасности.
«В базовые показатели качества жизни входит не только питание, но и воздух, и вода, и еда, в целом наше здоровье и среда обитания, - пояснил академик. - Биотехнология участвует в формировании всей совокупности этих проблем, направленных на улучшение качества и продолжительности жизни человека, повышение репродуктивного и трудового потенциала».
XX I век ознаменован замечательными событиями, связанными с развитием биотехнологии. Последняя волна революции здесь началась с 2000-го года, когда президент Клинтон выдвинул инициативу создания нанотехнологий, предполагающих манипуляции на атомарном и молекулярном уровне.
А для нас всё началось в 60-е годы прошлого века, когда возник вопрос, каким образом развиваться, чтобы обеспечить пропитание людям? Ведь в ХХ век человечество входит с народонаселением около миллиарда, а в ХХI век - 7,5, хотя на самом деле где-то 8. При этом сохранились все основные ресурсы земного шара. «О чем это говорит? - поставил вопрос В.А. Быков. - О том, что мы стоим на пороге нового технологического уклада, без которого разрешить проблему комфортного существования человека, видимо, не удастся».
Для наглядности докладчик представил слайд: если взять за основу 500 килограммов веса коровы, которая дает примерно 500 граммов белка в сутки, то такое же количество дрожжей в сутки дает уже 50 тонн микробного белка. Это рост на порядки. Вот почему биотехнология, опирающаяся на микроорганизмы как средства производства, является возможностью перехода к новому технологическому укладу для человечества.
Мы живём в море микроорганизмов
Член-корреспондент А.М. Боронин вспомнил о том, как рождался пущинский Институт биохимии и физиологи микроорганизмов, сегодня носящий имя Г.К. Скрябина. Процессом руководил сам академик Скрябин, и воспоминания о нём как об ученом, руководителе и человеке у всех сотрудников остались самые светлые и позитивные. Докладчик напомнил о том, что как ученый академик Скрябин был прежде всего микробиологом, и в этом плане главной его заслугой является развитие микробиологии в нашей стране. «В связи с этим я хочу напомнить, что мы в буквальном смысле живем в океане микроорганизмов, - сказал А.М. Боронин. - Несметное количество микроорганизмов окружает нас, находясь в воде, в морях, на суше, в растениях, животных. В одном гектаре почвы находится до 5 тонн биомассы микроорганизмов. Общая биомасса микроорганизмов на нашей планете превышает биомассу растений, насекомых, животных вместе взятых».
Биоразнообразие микроорганизмов огромно и удивительно. Поэтому одной из задач микробиологической науки является систематизация этого мира. Для этого пытались применять разные системы, но все они оказывались не слишком удобными. В 1977 году появилась работа Карла Вёзе: он предложил филогенетическую систему классификации, основанную на сравнении рибосом путем сравнения структуры 16S рРНК, которую по многим показателям можно рассматривать как некий хронометр эволюции, в том числе живого микроорганизма. Это открыло возможности для изучения и систематизации мира микроорганизмов и, в частности, открытия суперцарства архей, которые обитают в самых разных экосистемах, начиная от морских глубин и термальных источников. Методами биоинформатики были открыты локиархеи, у которых обнаружен цитоскелет и другие признаки фагоцитоза.
Дальнейшее развитие технологий позволило расширить эти исследования, в результате чего в самое последнее время произошли существенные изменения в нашем представлении об эволюционном древе.
«Наверное, нас ожидает еще много сюрпризов, и некоторые ученые говорят, что не исключено появление новых доменов в древе жизни, связанных с нахождением других организмов, - подчеркнул А.М. Боронин. - Эти исследования дают пищу для попыток понять эволюционные процессы, которые происходили и происходят до сих пор, причем зачастую прямо на наших глазах».
Микробиология на переднем крае науки
Всё это имеет не только огромную фундаментальную, но и прикладную пользу. Одним из таких примеров является исследование причины возникновения полирезистентных микроорганизмов, перед которыми оказываются бессильными самые современные антибиотики. Это представляет собой громадную медицинскую проблему, справиться с которой пока не удается. Именно микробиологи здесь находятся на переднем крае работы по расшифровке механизмов такого рода проблем и поиске путей их преодоления.
Еще один пример работы микробиологов - это хорошо известная история с Helicobacter pylori , за открытие которой в 2005 году была получена Нобелевская премия. В результате этой работы было показано, что этот микроорганизм ответственен за возникновение у человека язвы желудка. Дальнейшие исследования подтвердили это предположение и, более того, показали, что эта бактерия ответственна не только за язву, но и за развитие рака желудка. Вот почему сегодня врачи рекомендуют практически всем пациентам с проблемами желудочно-кишечного тракта сдать соответствующий анализ: раннее обнаружение «враждебной» бактерии позволяет успешно предотвратить самые тяжелые последствия.
Но в то же время самые последние исследования выявили, что наличие Helicobacter pylori снижает риск возникновения астмы. А отсутствие его ведет к увеличению риска заболевания гастроэзофагеальным рефлюксом и аденокарциномой. То есть мы видим всю сложность поведения и многообразие свойств микроорганизмов.
Поэтому сегодня стоит вопрос о дальнейшем исследовании микробиома человека с целью выяснения всех его функций и определения роли отдельных микроорганизмов, влияющих на жизнь человека.
«Мы все знаем, что микроорганизмы способствуют перевариванию пищи, выделяют определенные витамины, участвуют в становлении, развитии и поддержании иммунной системы, - напомнил А.М. Боронин. - Они в известной мере пытаются оградить нас от заболеваний путём борьбы с патогенами либо путём простой конкуренции. Это сложный мир, намного более древний и, возможно, разнообразный, чем наш, и наша задача - попытаться в нем разобраться, чтобы на основе научных данных перейти к новому поколению пробиотиков, способствующих стабилизации микробиома или его поправкам в случаях, когда он выходит из равновесия под действием тех же самых антибиотиков. Ведь не секрет, что большое количество используемых антибиотиков и неумеренное их употребление становятся причиной ряда серьезных нарушений в работе ЖКТ. Можете представить себе, какой стресс испытывает наш микробиом и какие могут быть последствия. А последствия могут быть самыми тяжелыми. Скажем, в толстой кишке может появиться один из видов пластидов, который приводит к заболеванию, способному окончиться летальным исходом».
По словам докладчика, мы недооцениваем влияние на нас мира микроорганизмов. В последнее время появляются данные о том, что микробиология влияет не только на наше физическое здоровье, но и на поведение, и на психику, и даже на религиозность человека. Поэтому изучение биологии микроорганизмов - это ключ к пониманию природы глобальной экосистемы, подчеркнул А.М. Боронин.
Собравшиеся также вспомнили Г.К. Скрябина, его неоценимый вклад в развитие отечественной биологической науки, многолетнюю службу на посту Главного Ученого секретаря Академии наук, удивительную работоспособность, дружелюбие и неистощимую жизненную энергию, которой он обладал. По мнению всех собравшихся, именно такие люди, как Г.К. Скрябин, делают историю страны, приумножают её научное и человеческое достояние. По словам председателя конференции академика М.П. Кирпичникова, Г.К. Скрябин был не просто выдающимся ученым, но и выдающимся гражданином своей страны. Именно такие люди и делают свою страну по-настоящему великой.
Наталия Лескова
В последнее десятилетие термин «биотехнология» все чаще появляется в заголовках новостей, а открытия в этой области становятся причиной для жарких споров. Действительно, свое наибольшее развитие наука получила именно в последние годы, и этому в большей степени способствовал технический прогресс, но в повседневной жизни биотехнология используется на протяжении многих веков.
История развития биотехнологии
С древнейших времен биотехнология применялась человеком для изготовления вина, в сыроварении и других вариантах приготовления пищи. Биотехнологический процесс, а именно брожение, использовался еще в древнем Вавилоне для производства пива. Об этом свидетельствуют найденные при раскопках записи на дощечках. Но, несмотря на активное использование этих методов, процессы, лежавшие в основе этих производств, оставались загадкой.
Луи Пастер в 1867 году говорил, что такие процессы, как сквашивание и брожение, есть ничто иное, как итог жизнедеятельности микроорганизмов. Эдуард Бухнер дополнил эти предположения, доказав, что катализатором является бесклеточный экстракт, который содержит ферменты, вызывающие химическую реакцию.
Позже были сделаны сенсационные по тем временам открытия, которые помогли сформировать данную науку в современном ее понимании:
- 1865 год австрийский монарх Грегор Мендель представил свой доклад «Опыты над растительными гибридами», где были описаны закономерности передачи наследственности;
- в 1902 году Теодор Бовери и Уолтер Саттон высказали предположение о том, что передача наследственности напрямую связана с хромосомами.
Годом появления термина стал 1919, после публикации манифеста венгерским агроэкономистом Карлом Эреки. Основываясь на имеющиеся в то время данные, под термином биотехнология подразумевалось применение микроорганизмов для ферментации продуктов питания.
Но, как известно, самые интересные открытия совершаются на стыке знаний, в случае биотехнологии, объединились пищевая и нефтеперерабатывающая промышленность. В 1970 году на практике была опробована технология производства белка из отходов нефтепромышленности.
Что такое биотехнология: термин и основные виды
Биотехнология – наука о способах создания различных веществ с использованием естественных биологических компонентов, будь-то микроорганизмы, животные или растительные клетки. По сути, это манипулирование живыми клетками для получения определенных результатов.
Основными направлениями развития науки являются:
Биоинженерия – дисциплина, направленная на расширение знаний в области медицины (лечение, укрепление здоровья) и инженерии
Биомедицина – узкоспециализированный раздел медицины, который с теоретической точки зрения изучает строение человеческого организма, диагностику патологических состояний и возможности их коррекции. Раздел медицины, занимающийся контролем и лечением биологических систем живых организмов на молекулярном уровне, называется наномедициной.
Гибридизация — процесс получения гибридов (растений, животных). В основе лежит принцип получения одной клетки (устойчивой к тем или иным условиям) путем объединения других клеток.
Сейчас у нас уже есть средства необходимые для того, чтобы прожить достаточно долго до тех пор, пока мы не станем бессмертны. Можно агрессивно применять существующие знания, чтобы кардинально замедлить процессы старения, и оставаться в жизнеспособном состоянии до того момента, когда станут доступны совершенно радикальные терапии по продлению жизни с помощью био- и нанотехнологий.
Ray Kurzweil (изобретатель, футуролог)
Высшим достижением биотехнологии является генная инженерия. Генная инженерия – совокупность знаний и технологий получения РНК и ДНК, выделения генов из клеток, осуществление манипуляций с генами и введение их в другие организмы. Это «управление» геномом живого существа или растения с целью получения заданных свойств. Например, руководствуясь знаниями в области генной инженерии, китайские ученые планируют массово применять метод «исправления» генома людей с онкологическими заболеваниями. Однако, запускать полномасштабные проекты пока никто не спешит, т.к. на сегодняшний день невозможно спрогнозировать последствия для организма в долгосрочном периоде.
Особого внимания заслуживает клонирование. Под этим процессом понимают появление нескольких генетических идентичных организмов путем бесполого (в том числе вегетативного) размножения. На сегодняшний день были клонированы не только растения, но и несколько десятков видов животных (овцы, собаки, кошки, лошади). О фактах клонирования человека пока нет данных, хотя, по мнению ученых, с технической стороны – к процессу все готово. Именно эти разработки стали самыми противоречивыми и обсуждаемыми мировой общественностью. Дело не только в вероятности получения неполноценных людей, но и в этической и религиозной стороне вопроса.
Сфера применения
Принципы биотехнологических процессов внедряют в производство всех отраслей:
- пищевая промышленность. Производство алкоголя, аминокислот, ферментов безвредным для окружающей среды способом, называется белой биотехнологией.
- химическая или фармацевтическая. Это направление еще называют красной биотехнологией. Биотехнологи разрабатывают усовершенствованные лекарственные препараты, вакцины и сыворотки против болезней, которые ранее считались неизлечимыми. В западных странах и в частности в Австрии наука пользуется большой популярностью и активно используется для диагностики различных заболеваний (биосенсоры, чипы ДНК).
- переработка и утилизация отходов (биоремедиация). Методы серой биотехнологии используются для санации почв, очистки канализационных стоков и отработанного воздуха.
- сельское хозяйство. Зеленая биотехнология позволяет ученым создавать образцы культурных растений, которые способны противостоять болезням и грибкам, с высоким уровнем урожайности вне зависимости от климатических условий (во время засухи). Кроме того, ученые научились использовать определенные ферменты, которые превращают целлюлозные отходы сельского хозяйства в глюкозу, а после в топливо.
Основной целью клеточной инженерии является культивирование животных и растительных клеток. Открытия в области клеточной инженерии позволили контролировать и регулировать продуктивность, качество, устойчивость к заболеваниям новых форм и линий животных и растений.
Инвестиции и развитие
Хотя биотехнологию сложно назвать «молодой» наукой, именно сегодня она находится в начале своего развития. Направления и возможности, которые открываются благодаря развитию этих знаний, могут быть бесконечными. Могут, если получат должное финансирование и поддержку. Основными инвестиционными участниками направления являются сами инженеры и биотехнологии, и это вполне объяснимо. Сегодня предлагается не сам продукт, а скорее идея, и возможные методы ее реализации.
И для осуществления этой задумки нужны десятки и сотни экспериментов, опыты и дорогостоящее оборудование. Не каждый инвестор готов идти только за идеей, рискуя своими вложениями. Но ведь не все верили и в мобильную связь, а сегодня она повсюду.
На данный момент число крупных компаний, занимающихся биотехнологическими разработками, невелико. К таковым относятся:
- Illumina (генетические исследования, анализы, технология ДНК-микрочипов),
- Oxford Nanopore (разработка и продажа продукции для взаимодействия с ДНК),
- Roche (фармацевтическая компания),
- Editas Medicine (адаптацией лабораторных методик редактирования генов к широкомасштабному применению в больницах),
- Counsyl (предложила недорогой метод автоматизированного анализа ДНК для последующего использования данных в лечении).
По мнению экспертов, наиболее привлекательным направлением для инвестиций в биотехнологию являются компании, занимающиеся секвенированием. Это общее название методов, которые позволяют установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Расшифровка ДНК данных (секвенирование), дает возможность идентифицировать участки, которые отвечают за наследственные заболевания, и устранять их. Как только процесс будет доведен до совершенства, люди смогут не лечить симптомы, а избавляться от болезни. Это перевернет наше представление о диагностике, и принесет большие дивиденды тем, кто сумеет рассмотреть потенциал компании еще на этапе идеи.
Биотехнология: добро или зло?
Уже сегодня население планеты сталкивается с проблемой нехватки продуктов питания, и если численность людей продолжит расти, то в ближайшем будущем ситуация может стать критической. Знания о том, что такое биотехнология и как ее применять, помогают получать максимальные результаты урожайности, вне зависимости от внешних факторов. И эти достижения нельзя сбрасывать со счетов. Кроме того, неоспоримым доказательством пользы науки является изобретение антибиотиков, которые позволили контролировать, а в некоторых случаях и полностью искоренять, сотни болезней.
Но далеко не все оценивают науку однозначно. Существуют опасения, что отсутствие контроля может привести к необратимым последствиям. Например, уже сегодня продукты биотехнологии, такие как стероиды для спортсменов, становятся причиной для преждевременных сердечных патологий. В погоне за созданием супер-человека, победившего старость и болезни, общество рискует потерять свое естество.
Мы не остались жить в пещерах. Мы не остаемся в пределах нашей планеты. С помощью биотехнологии, генетического секвенирования, мы даже не собираемся ограничиваться рамками самой биологии.
Jason Silva (оратор, философ, телезвезда).
Развитие биотехнологии стало таким стремительным, что мировые государства столкнулись с проблемой отсутствия контроля на правовом уровне. Это стало причиной приостановления многих проектов, поэтому пока о клонировании человека и победе над смертью говорить преждевременно, и два конфронтационных лагеря могут беспрепятственно поддаваться философским размышлениям.