Биотехнологии в строительстве

Роль биотехнологии в современном мире

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.
Автор задает вопрос: не окажется ли судьба человечества судьбой бегуна и не путь ли к гибели человечества столь стремительное развитие научно-технического прогресса?

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

33. Биотехнология: достижения и перспективы развития

Вспомните!

Что такое биотехнология?

Какое значение для промышленности и сельского хозяйства имеет селекция микроорганизмов?

Биотехнология – это использование организмов, биологических систем или биологических процессов в промышленном производстве. Термин «биотехнология» получил широкое распространение с середины 70-х гг. XX в., хотя ещё с незапамятных времён человечество использовало микроорганизмы в хлебопечении и виноделии, при производстве пива и в сыроварении. Любое производство, в основе которого лежит биологический процесс, можно рассматривать как биотехнологию. Генная, хромосомная и клеточная инженерия, клонирование сельскохозяйственных растений и животных – это различные аспекты современной биотехнологии.

Биотехнология позволяет не только получать важные для человека продукты, например антибиотики и гормон роста, этиловый спирт и кефир, но и создавать организмы с заранее заданными свойствами гораздо быстрее, чем с помощью традиционных методов селекции. Существуют биотехнологические процессы по очистке сточных вод, переработке отходов, удалению нефтяных разливов в водоёмах, получению топлива. Эти технологии основаны на особенностях жизнедеятельности некоторых микроорганизмов.

Появляющиеся современные биотехнологии изменяют наше общество, открывают новые возможности, но одновременно создают определённые социальные и этические проблемы.

Генная инженерия. Удобными объектами биотехнологии являются микроорганизмы, имеющие сравнительно просто организованный геном, короткий жизненный цикл и обладающие большим разнообразием физиологических и биохимических свойств.

Одной из причин сахарного диабета является недостаток в организме инсулина – гормона поджелудочной железы. Инъекции инсулина, выделенного из поджелудочных желез свиней и крупного рогатого скота, спасают миллионы жизней, однако у некоторых пациентов приводят к развитию аллергических реакций. Оптимальным решением было бы использование человеческого инсулина. Методами генной инженерии ген инсулина человека был встроен в ДНК кишечной палочки. Бактерия начала активно синтезировать инсулин. В 1982 г. инсулин человека стал первым фармацевтическим препаратом, полученным с помощью методов генной инженерии.

Рис. 107. Страны, выращивающие трансгенные растения. Практически всю площадь посевов трансгенных культур занимают генетически модифицированные сорта четырёх растений: сои (62 %), кукурузы (24 %), хлопчатника (9 %) и рапса (4 %). Уже созданы сорта трансгенного картофеля, помидоров, риса, табака, свёклы и других культур

Аналогичным способом в настоящее время получают гормон роста. Человеческий ген, встроенный в геном бактерий, обеспечивает синтез гормона, инъекции которого используются при лечении карликовости и восстанавливают рост больных детей почти до нормального уровня.

Так же как у бактерий, с помощью методов генной инженерии можно изменять и наследственный материал эукариотических организмов. Такие генетически перестроенные организмы называют трансгенными или генетически модифицированными организмами (ГМО).

В природе существует бактерия, которая выделяет токсин, убивающий многих вредных насекомых. Ген, отвечающий за синтез этого токсина, был выделен из генома бактерии и встроен в геном культурных растений. К настоящему времени уже созданы устойчивые к вредителям сорта кукурузы, риса, картофеля и других сельскохозяйственных растений. Выращивание таких трансгенных растений, которые не требуют использования пестицидов, имеет огромные преимущества, потому что, во-первых, пестициды убивают не только вредных, но и полезных насекомых, а во-вторых, многие пестициды накапливаются в окружающей среде и оказывают мутагенное влияние на живые организмы (рис. 107).

Один из первых успешных экспериментов по созданию генетически модифицированных животных был произведён на мышах, в геном которых был встроен ген гормона роста крыс. В результате трансгенные мыши росли гораздо быстрее и в итоге были в два раза больше обычных мышей. Если этот опыт имел исключительно теоретическое значение, то эксперименты в Канаде имели уже явное практическое применение. Канадские учёные ввели в наследственный материал лосося ген другой рыбы, который активировал ген гормона роста. Это привело к тому, что лосось рос в 10 раз быстрее и набирал вес, в несколько раз превышающий норму.

Клонирование. Создание многочисленных генетических копий одного индивидуума с помощью бесполого размножения называют клонированием. У ряда организмов этот процесс может происходить естественным путём, вспомните вегетативное размножение у растений и фрагментацию у некоторых животных (§ 19). Если у морской звезды случайно оторвётся кусочек луча, из него образуется новый полноценный организм (рис. 108). У позвоночных животных этот процесс естественным путём не происходит.

Впервые успешный эксперимент по клонированию животных был осуществлён исследователем Гёрдоном в конце 60-х гг. XX в. в Оксфордском университете. Учёный пересадил ядро, взятое из клетки эпителия кишки лягушки-альбиноса, в неоплодотворённую яйцеклетку обычной лягушки, чьё ядро перед этим было разрушено. Из такой яйцеклетки учёному удалось вырастить головастика, превратившегося затем в лягушку, которая была точной копией лягушки-альбиноса. Таким образом, впервые было показано, что информации, содержащейся в ядре любой клетки, достаточно для развития полноценного организма.

Рис. 108. Регенерация морской звезды из одного луча

В дальнейшем исследования, проведённые в Шотландии в 1996 г., привели к успешному клонированию овцы Долли из клетки эпителия молочной железы матери (рис. 109).

Клонирование представляется перспективным методом в животноводстве. Например, при разведении крупного рогатого скота используется следующий приём. На ранней стадии развития, когда клетки эмбриона ещё не специализированы, зародыш разделяют на несколько частей. Из каждого фрагмента, помещённого в приёмную (суррогатную) мать, может развиться полноценный телёнок. Таким способом можно создать множество идентичных копий одного животного, обладающего ценными качествами.

Для специальных целей можно также клонировать отдельные клетки, создавая культуры тканей, которые в подходящих средах способны расти бесконечно долго. Клонированные клетки служат заменой лабораторным животным, так как на них можно изучать воздействие на живые организмы различных химических веществ, например лекарственных препаратов.

При клонировании растений используется уникальная особенность растительных клеток. В начале 60-х гг. XX в. впервые было показано, что клетки растений, даже после достижения зрелости и специализации, в подходящих условиях способны давать начало целому растению (рис. 110). Поэтому современные методы клеточной инженерии позволяют осуществлять селекцию растений на клеточном уровне, т. е. отбирать не взрослые растения, обладающие теми или иными свойствами, а клетки, из которых потом выращивают полноценные растения.

Рис. 109. Клонирование овцы Долли

Этические аспекты развития биотехнологии. Использование современных биотехнологий ставит перед человечеством много серьёзных вопросов. Не может ли ген, встроенный в трансгенные растения томата, при съедании плодов мигрировать и встраиваться в геном, например, бактерий, живущих в кишечнике человека? Не может ли трансгенное культурное растение, устойчивое к гербицидам, болезням, засухе и другим стрессовым факторам, при перекрёстном опылении с родственными дикими растениями передать эти же свойства сорнякам? Не получатся ли при этом «суперсорняки», которые очень быстро заселят сельскохозяйственные земли? Не попадут ли случайно мальки гигантского лосося в открытое море и не нарушит ли это баланс в природной популяции? Способен ли организм трансгенных животных выдержать ту нагрузку, которая возникает в связи с функционированием чужеродных генов? И имеет ли право человек переделывать живые организмы ради собственного блага?

Эти и многие другие вопросы, связанные с созданием генетически модифицированных организмов, широко обсуждаются специалистами и общественностью всего мира. Созданные во всех странах специальные контролирующие органы и комиссии утверждают, что, несмотря на существующие опасения, вредного воздействия ГМО на природу зафиксировано не было.

Рис. 110. Этапы клонирования растений (на примере моркови)

В 1996 г. Совет Европы принял Конвенцию о правах человека при использовании геномных технологий в медицине. Основное внимание в документе уделено этике применения таких технологий. Утверждается, что ни одна личность не может быть подвергнута дискриминации на основе информации об особенностях её генома.

Введение в клетки человека чужеродного генетического материала может иметь отрицательные последствия. Неконтролируемое встраивание чужой ДНК в те или иные участки генома может привести к нарушению работы генов. Риск использования генотерапии при работе с половыми клетками гораздо выше, чем при использовании соматических клеток. При внесении генетических конструкций в половые клетки может возникнуть нежелательное изменение генома будущих поколений. Поэтому в международных документах ЮНЕСКО, Совета Европы, Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) подчёркивается, что всякое изменение генома человека может производиться лишь на соматических клетках.

Но, пожалуй, наиболее серьёзные вопросы возникают в связи с теоретически возможным клонированием человека. Исследования в области человеческого клонирования сегодня запрещены во всех странах в первую очередь по этическим соображениям. Становление человека как личности базируется не только на наследственности. Оно определяется семейной, социальной и культурной средой, поэтому при любом клонировании воссоздать личность невозможно, как невозможно воспроизвести все те условия воспитания и обучения, которые сформировали личность его прототипа (донора ядра). Все крупные религиозные конфессии мира осуждают любое вмешательство в процесс воспроизводства человека, настаивая на том, что зачатие и рождение должны происходить естественным путём.

Эксперименты по клонированию животных поставили перед научной общественностью ряд серьёзных вопросов, от решения которых зависит дальнейшее развитие этой области науки. Овечка Долли не была единственным клоном, полученным шотландскими учёными. Клонов было несколько десятков, а в живых осталась только Долли. В последние годы совершенствование техники клонирования позволило увеличить процент выживших клонов, но их смертность всё ещё очень высока. Однако существует проблема, ещё более серьёзная с научной точки зрения. Несмотря на победное рождение Долли, остался неясным её реальный биологический возраст, связанные с ним проблемы со здоровьем и относительно ранняя смерть. По мнению учёных, использование ядра клетки немолодой шестилетней овцы-донора сказалось на судьбе и здоровье Долли.

Необходимо существенно повысить жизнеспособность клонированных организмов, выяснить, влияет ли использование конкретных методик на продолжительность жизни, здоровье и плодовитость животных. Очень важно свести к минимуму риск дефектного развития реконструированной яйцеклетки.

Активное внедрение биотехнологий в медицину и генетику человека привело к появлению специальной науки – биоэтики. Биоэтика – наука об этичном отношении ко всему живому, в том числе и к человеку. Нормы этики выдвигаются сейчас на первый план. Те нравственные заповеди, которыми человечество пользуется века, к сожалению, не предусматривают новых возможностей, привносимых в жизнь современной наукой. Поэтому людям необходимо обсуждать и принимать новые законы, учитывающие новые реальности жизни.

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое биотехнология?

2. Какие проблемы решает генная инженерия? С какими трудностями связаны исследования в этой области?

3. Как вы думаете, почему селекция микроорганизмов приобретает в настоящее время первостепенное значение?

4. Приведите примеры промышленного получения и использования продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.

5. Какие организмы называют трансгенными?

6. В чём преимущество клонирования по сравнению с традиционными методами селекции?

Подумайте! Выполните!

1. Какие перспективы в развитии народного хозяйства открывает использование трансгенных животных?

2. Может ли современное человечество обойтись без биотехнологии? Организуйте выставку или сделайте стенную газету «Биотехнология: прошлое, настоящее, будущее».

3. Организуйте и проведите дискуссию на тему «Клонирование: за и против».

4. Приведите примеры продуктов, входящих в ваш рацион, которые были созданы с использованием биотехнологических процессов.

5. Докажите, что биологическая очистка воды является биотехнологическим процессом.

6. Создайте рекламный видео ролик «Биотехнология: достижения и перспективы развития».

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.

Узнайте больше

Клеточная инженерия. В 70-х гг. прошлого века в биотехнологии стала активно развиваться клеточная инженерия. Клеточная инженерия позволяет создавать клетки нового типа на основе различных манипуляций, чаще всего гибридизации, т. е. слияния исходных клеток или их ядер. В одну из исследуемых клеток помещают ядро, принадлежащее клетке другого организма. Создают условия, при которых эти ядра сливаются, а затем происходит митоз, и образуются две одноядерные клетки, каждая из которых содержит смешанный генетический материал. Впервые такой опыт осуществил в 1965 г. английский учёный Г. Харрис, соединив клетки человека и мыши. Впоследствии были получены целые организмы, представляющие собой межвидовые гибриды, полученные методом клеточной инженерии. Такие гибриды отличаются от гибридов, полученных половым путём, тем, что в них находится цитоплазма обоих родителей (вспомним, что при обычном оплодотворении цитоплазма сперматозоида в яйцеклетку не проникает). Слияние клеток используют для получения гибридов с полезными свойствами между отдалёнными видами, которые обычным путём не скрещиваются. Удаётся также получать клеточные гибриды растений, несущие цитоплазматические гены (т. е. гены, находящиеся в митохондриях и пластидах), которые увеличивают устойчивость к различным вредным воздействиям.

Ваша будущая профессия

1. Что является предметом изучения науки геронтологии? Оцените, насколько развита эта наука в нашей стране. Есть ли в вашем регионе специалисты в этой области?

2. Как вы думаете, какими личными качествами должны обладать люди, работающие в медико-генетических консультациях? Объясните свою точку зрения.

3. Что вы знаете о профессиях, связанных с материалом этой главы? Найдите в Интернете названия нескольких профессий и подготовьте небольшое (не более 7–10 предложений) сообщение о той профессии, которая вас наиболее впечатлила. Объясните свой выбор.

4. Используя дополнительные источники информации, выясните, что является предметом изучения эмбриолога. Где можно приобрести такую специальность?

5. Какими знаниями должны обладать специалисты, занимающиеся селекционной работой? Объясните свою точку зрения.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

>Биотехнологические отрасли в России и в мире: типология и развитие

Типологии биотехнологий, применяемые в России

Сравним в данном разделе, какие типологии биотехнологий предлагают организации, занятые в данной сфере (госпрограммы, технологические платформы и бизнес) а также российские эксперты, исследующие биотехнологические рынки.

В первую очередь обратимся к «Комплексной программе развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года» () — основному документу, утвержденному Правительством России, в котором отражены желаемые качественные и количественные характеристики развития биотехнологий в стране. В соответствии с Программой можно выделить девять следующих отраслей биотехнологий:

  1. Биофармацевтика, включающая жизненно важные лекарственные препараты, вакцины нового поколения, антибиотики и бактериофаги;
  2. Биомедицина, подразделяющаяся на следующие подотрасли: диагностикумы ин витро, персонализированная медицина, клеточные биомедицинские технологии, биосовместимые материалы, системная медицина и биоинформатика, развитие банков биологических образцов;
  3. Промышленная биотехнология, включающая большое количество подотраслей, среди которых производство ферментов, аминокислот и полисахаридов; организация производства глюкозно-фруктозных сиропов; производство субстанций антибиотиков; производство биодеградируемых полимеров; создание биологических комплексов по глубокой переработке древесной биомассы, зерновых и других сельскохозяйственных культур; применение биогеотехнологии в горнодобывающей промышленности; развитие принципов биорефайнинга на основе производства целлюлозы и т.д.;
  4. Биоэнергетика, предполагающая производство электрической энергии и тепла из биомассы; утилизацию эмиссии парниковых газов и предотвращение и ликвидация последствий вредного антропогенного воздействия на окружающую среду энергетической отраслью методами биоконверсии;
  5. Сельскохозяйственная биотехнология подразделяется на биотехнологии для растениеводства (биологическая защита растений, создание сортов растений биотехнологическими методами, биотехнология почв и биоудобрения), биотехнологии для животноводства (технологии молекулярной селекции животных и птицы, трансгенные и клонированные животные, биопрепараты для животноводства, кормовой белок, биологические компоненты кормов и премиксов), а также включающая переработку сельскохозяйственных отходов;
  6. Пищевая биотехнология, включает производство пищевого белка, ферментных препаратов, пребиотиков, пробиотиков, синбиотиков, функциональных пищевых продуктов (лечебных, профилактических и детских), а также производство пищевых ингредиентов и глубокую переработку пищевого сырья;
  7. Лесная биотехнология делится на четыре направления: управление лесонасаждениями, сохранение и воспроизводство лесных генетических ресурсов, создание биотехнологических форм деревьев с заданными признаками и биологические средства защиты леса;
  8. Природоохранная (экологическая) биотехнология предполагает биоремедиацию, экологически чистое жиль, создание биологических коллекций и биоресурсных центров;
  9. Морская биотехнология фокусируется на создании сети аквабиоцентров, глубокой переработке гидробионтов и продукции аквакультур, производстве специализированного корма для аквакультур.

Данная классификация включает в себя наиболее подробный перечень отраслей, но упомянуты лишь основные подотрасли, стратегически важные. В третьем разделе настоящей работы расширим перечень подотрослей, существующих в российской экономике.

Н.В. Орлова1 , партнер исследовательской компании Abercade, один из крупнейших экспертов в области биотехнологий, в своих исследованиях разделяет биотехнологии на следующие 5 отраслей:

  1. Биофармацевтика
    1. Моноклональные антитела (онкопрепараты);
    2. Модифицированные биопрепараты;
    3. Системы доставки (альтернативы уколам, капельницам и т.д.);
    4. Терапевтические ферменты;
    5. Вакцины;
    6. Диагностика.
  2. Агробиотехнологии/ агропищевые биотехнологии (сельское хозяйство и пищевая промышленность вместе)
    1. Агротехнологии;
    2. Биопестициды;
    3. Инсектициды;
    4. Пробиотики вместо антибиотиков;
    5. Добавки к кормам2 ;
    6. Вакцины для животных;
    7. Тестсистемы, диагностика.
  3. Промышленные биотехнологии
    1. Производство ферментов;
    2. Кормовые добавки;
    3. Биодеграданты;
    4. Полисахариды для большей отдачи пластов;
    5. Биопластики.
  4. Биоэнергетика.
  5. Химические вещества из возобновляемых источников (renewable chemicals).

Данная классификация менее подробная, чем предыдущая, но, вероятно, она отвечает целям исследовательской компании Abercade. Несмотря на то, что Н.В. Орлова принимала участие в подготовке «Комплексной программы развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года», заметно, что типологии различаются. Кроме того, этот исследователь является членом правления Технологической Платформы «БиоТех2030″3 , однако типология биотехнологий, предложенная данной технологической платформой, также имеет свою специфику. Связана она в первую очередь с тем, что все отрасли биотехнологий в России «поделены» между тремя технологическими платформами: «БиоТех 2030», платформа «Медицина будущего»4 и платформа «Биоэнергетика»5 . Типология, представленная на Рисунке 1, отражает сферы деятельности только одной из технологических платформ. Третья техплатформа, как ясно из названия, занимается только проблематикой биоэнергетики, а вторая – биофармацевтикой и биомедициной.


Рисунок 1. Типология биотехнологий ТП «БиоТех2030»

Типология биотехнологий, предлагаемая компанией «Корпорация биотехнологий»6 , заметно отличается от трех указанных выше схем тем, что отсутствует промышленная биотехнология, но появляется химическая промышленность и строительство. С такой разбивкой на отрасли также можно согласиться. Н.В. Орлова среди основных направлений отрасли промышленной биотехнологии выделяет производство ферментов, которое может быть отнесено к химической промышленности, а также к сельскохозяйственной и пищевой биотехнологии; кормовые добавки, которые в чистом виде имеют сельскохозяйственное применение; биодеграданты, применяемые в экологической биотехнологии (не представлена в схеме, см. Рисунок 2); полисахариды для большей отдачи пластов, применяемые при добыче полезных ископаемых (также не учтены в типологии) и биопластики – продукт химической промышленности, применяемые в медицине, сельском хозяйстве, пищевой промышленности и т.д. Отсутствие некоторых подотрослей в классификации связано, видимо, с тем, что Корпорация сконцентрирована в основном на развитии биотоплива.


Рисунок 2. Типология биотехнологий компании «Корпорация биотехнологий»

1. Классификация биотехнологий по цветам

Существуют другие подходы к типологии биотехнологий, например, основанные на цветах . Идея такой типология зародилась в 2003 г. на американо-европейской встрече по биотехнологиям (US-EC Biotech meeting) и была предложена ученым Ритой Колвел (Dr. R. Colwell), директором Национального американского фонда (Director, US National Foundation): “If we could weave a Flag of Biotechnology, some say, it would feature three colours: red for medical applications, green for agricultural and white for industrial. In fact this flag may accrue even more colours over time as environmental and marine biotech and other applications add their stripes”. Таким образом, было предложено обозначать биотехнологию цветами. Первая классификация состояла всего из трех цветов: красного – биомедицина, зеленого – сельскохозяйственная биотехнология, белого – промышленная биотехнология, поэтому флаг Италии стал считаться также флагом биотехнологий (см. Рисунок 3).


Рисунок 3. Флаг биотехнологий

Постепенно количество цветов увеличивается. Декан биологического факультета МГУ М.П. Кирпичников7 выделяет четыре цвета биотехнологий: добавилась синяя – «морская» биотехнология (которую, на наш взгляд, точнее называть биотехнологией аквакультуры, так как она подразумевает использование не только морей, но и других водоемов, в том числе пресных, для ведения хозяйственной деятельности).

Часто в современных российских работах упоминают также желтую биотехнологию – «пищевую» и серую биотехнологию – «экологическую».8

Дальнейшее добавление цветов привело к тому, что самая широкая типология биотехнологий, представленная в большом количестве англоязычных научных работ9 , содержит десять отраслей, где среди традиционных отраслей появляются следующие: черная (или темная, dark) биотехнология, связанная с военными целями и терроризмом; фиолетовая биотехнология, связанная с патентованием биотехнологических открытий и разработок, а именно со всеми вопросами интеллектуальной собственности; золотая биотехнология, посвященная вопросам биоинформатики и нанобиотехнологиям; коричневая биотехнология, связанная с биотехнологическим решением проблем пустынных и аридных территорий (пространственная и геомикробиология).

Примером описанной выше расширенной типология биотехнологий является типология, опубликованная в одной из статей журнала Electronic Journal of Biotechnology (), (см. Рисунок 4). Стоит обратить особое внимание на серую и белую биотехнологии. Здесь, как и в некоторых других источниках, серая и белая биотехнологии не просто означают экологическую и промышленную биотехнологии соответственно, а делается акцент на том, что белая биотехнология — это все, что основано на исследованиях генов, а серая – это все биотехнологии, связанные с ферментами и классическими биопроцессами. В этом есть определенная логика, так как многие промышленные биотехнологии дают значительный положительный экологический эффект. Такой подход мог быть обусловлен желанием выделить «чистые» биотехнологические отрасли, а именно более или менее однозначно отнести ту или иную технологию к одному «цвету».

Может показаться, что биоэнергетика здесь не представлена, однако следует обратить внимание на зеленую биотехнологию: она содержит на самом деле экологическую биотехнологию в классическом смысле (то, что в российской литературе принято считать «серой» биотехнологией), а также биоэнергетику (которая не имеет цвета в российских источниках и часто «теряется» во многих типологиях).

2. Предлагаемая типология биотехнологий, развивающихся в России

На наш взгляд, типология биотехнологий – достаточно сложная вещь, так как биотехнологическую продукцию можно разделить по принципу «в какой отрасли осуществляется производство» и по принципу «какая отрасль нуждается, использует». Но и здесь не все однозначно, поэтому постараемся в предлагаемой типологии учесть сразу и процесс производства, и процесс использования. Это позволит более выпукло отразить связи между отраслями биотехнологий (играющие важную роль для их взаимного развития) в противоположность приведенным выше типологиям, которые представляют отрасли биотехнологий изолированно, стараются классифицировать их на основе различающихся признаков, не учитывая родство отраслей. Также постараемся раскрыть содержание биотехнологических отраслей более подробно и указать наиболее полный перечень их подотраслей, применительно к ситуации в России.

Построим предлагаемую типологию, основываясь на концепции межотраслевого баланса, а именно представим ее в виде таблицы, где строки содержат биотехнологические отрасли по принципу «где производится», а в столбцах указаны отрасли «где используется» (см. Таблицу 1).
Включим в типологию актуальные и более или менее развитые в России отрасли биотехнологий. Не будем включать черную, коричневую, золотую и фиолетовую отрасли: российские биотехнологии развиты только по 6 из 10 отраслей биоэкономики. Присвоим биоэнергетике зеленый цвет, выделим лесную биотехнологию и также присвоим ей зеленый цвет, а экологическую биотехнологию объединим с биотехнологией по переработке отходов и будем считать ее серой биотехнологией.

В ряде русскоязычных источников () к биоэнергетике относится получение энергии только с использованием возобновляемых биологических ресурсов и биологических процессов, тогда как в соответствии с «Комплексной программой развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года» в данную отрасль входят также меры, снижающие антропогенное воздействие традиционной энергетики на окружающую среду. По нашему мнению, второй подход (более широкий) предпочтительнее, так как в ближайшей перспективе только биологические источники энергии не смогут полностью заменить традиционные.

Среди отраслей, «производящих» биотехнологии, выделим отдельную отрасль «наука». Многие аспекты биотехнологий сейчас еще имеют только теоретическое значение, но это неотъемлемая и очень важная часть наукоемкого производства. К подобным биотехнологиям, несомненно, относится постоянное пополнение базы прочитанных геномов различных живых организмов, живущих на Земле в настоящее время или обитавших в ранние эпохи, а также создание банка биологических образцов и биологических коллекций.

Таким образом, еще раз отметим, что в практических целях технологические платформы и компании создают классификацию биотехнологий, отвечающую целям работы. Такие классификации не отличаются полнотой и подробностью, что в данном случае является не «минусом», а обоснованной необходимостью. Наиболее широкая и классически принятая классификация биотехнологий – это разделение отраслей по цветам. В данной работе также предложена типология биотехнологий, развивающихся в России, целью которой было отразить связи между отраслями.

Таблица 1. Предлагаемая типология биотехнологий в России

1 Доклад Надежды Орловой «Рынок биотехнологий в мире и в России. Перспективы развития» в цикле семинаров «Биотехнологии будущего»: http://www.youtube.com/watch?v=72VsxIYfsAw;
Лекция Надежды Орловой на Экономическом факультете МГУ имени М.В.Ломоносова в рамках межфакультетского курса «Биоэкономика и наукоемкий бизнес»:
http://www.youtube.com/watch?v=aYh8oE-FDzg;
Исследовательская компания Abercade:
http://www.abercade.ru/research/analysis/themeid_20.html.

2 Более подробная информация о некоторых добавках к кормам «Биотехнологии в сельском хозяйстве»: http://www.youtube.com/watch?v=bgIzT3vkJ-s

3 ТП «БиоТех2030»: http://xn--2030-93dyu2cwb5a.xn--p1ai/

4 ТП «Медицина будущего»: http://tp-medfuture.ru/members/

5 ТП «Биоэнергетика»: http://www.tp-bioenergy.ru/participants/business/

6 ОАО «Корпорация Биотехнологии»: http://www.corpbiotech.ru/company/index.phtml

7 Лекция академика РАН, д.б.н., проф., Михаила Кирпичникова:
http://tvkultura.ru/video/show/brand_id/20898/episode_id/156421

8 «Развитие биотехнологий в России» // Научно-информацинный журнал «Биофайл»:
http://biofile.ru/bio/16238.html

10 Препараты для свертывания крови

Философия школы Future Biotech

История школы Future Biotech началась в 2012 году, и с тех пор ее масштабы и география продолжают расти. На нашем сайте есть замечательная статья Веры Башмаковой (редактора «Биомолекулы»), в которой она подробно рассказала о самых главных вехах в истории школы, начиная с возникновения этой идеи у Александра Василевского и Дмитрия Кузьмина — отцов-основателей школы . Помимо истории, в статье есть ссылки на все лекции школ с 2013 по 2017 годы. В ней можно найти видеозаписи докладов и даже скачать эксклюзивные презентации спикеров. Разве не здорово?!

В прошлом году случилось важное изменение в структуре мероприятия — впервые зимняя школа Future Biotech прошла на английском языке (рис. 1). Благодаря этому множество иностранных ученых не только смогли выступить на школе (и быть понятыми), но и активно общались с участниками как в рабочей, так и в более расслабленной атмосфере, закладывая фундамент будущих коллабораций.

Мы искренне надеемся, что это подстегнет наших читателей, еще только начинающих свой карьерный путь, усиленно вкладывать силы и ресурсы в изучение английского языка. Именно незнание языка часто является ограничивающим фактором для участия в международных мероприятиях и препятствует развитию научного нетворкинга в целом. — Ред.

Рисунок 1. Зимняя школа Future Biotech 2018

Группа Future Biotech во «ВКонтакте»

В этом году школа пройдет 26–30 января в Санкт-Петербурге, и ее география будет обширна как никогда раньше: в ней примут участие ученые из США, Франции, Великобритании, Германии, Канады, Дании, Израиля и, конечно же, из России (рис. 2а–п). Кроме этого необходимо отметить, что в этом году у школы есть Программный комитет, в который входят деятельные российские ученые, работающие в России и за рубежом. Именно благодаря их авторитету и связям удалось сформировать столь весомую научную программу.

Рисунок 2а. Спикеры Зимней школы Future Biotech 2019, которая пройдет в Санкт-Петербурге с 26 по 30 января. Андрей Коростелёв (University of Massachusetts Medical School) и Блейк Виденхефт (Montana State University).

Рисунок 2б. Спикеры Зимней школы Future Biotech 2019, которая пройдет в Санкт-Петербурге с 26 по 30 января. Кира Макарова (NCBI Computational Biology Branch) и Мэтью Ганьон (The University of Texas Medical Branch).

Рисунок 2в. Спикеры Зимней школы Future Biotech 2019, которая пройдет в Санкт-Петербурге с 26 по 30 января. Павел Иванов (Brigham and Women’s Hospital, Harvard Medical School) и Сергей Разин (IGB RAS).

Рисунок 2г. Спикеры Зимней школы Future Biotech 2019, которая пройдет в Санкт-Петербурге с 26 по 30 января. Вадим Гладышев (Harvard Medical School and Moscow State University) и Юрий Павлов (University of Nebraska Medical Center).

Рисунок 2д. Спикеры Зимней школы Future Biotech 2019, которая пройдет в Санкт-Петербурге с 26 по 30 января. Амир Ориан (Rappaport Research Institute Faculty of Medicine Technion-TICC-IIT) и Тодд Друли (Center for Genome Sciences & Systems Biology, Division of Hematology & Oncology, Washington University in St. Louis).

Рисунок 2е. Спикеры Зимней школы Future Biotech 2019, которая пройдет в Санкт-Петербурге с 26 по 30 января. Райан Мохан (University of Missouri, Kansas City School of Biological Sciences Division of Cell Biology and Biophysics) и Иван Ломакин (Yale University, Center for Structural Biology, Department of Molecular Biophysics & Biochemistry).

Рисунок 2ж. Спикеры Зимней школы Future Biotech 2019, которая пройдет в Санкт-Петербурге с 26 по 30 января. Саманта Моррис (Washington University School of Medicine in St. Louis) и Константин Северинов (Skoltech).

Рисунок 2з. Спикеры Зимней школы Future Biotech 2019, которая пройдет в Санкт-Петербурге с 26 по 30 января. Сергей Недоспасов (IMB RAS) и Борис Скрябин (Faculty of Medicine of the Westfalian Wilhelms-University).

Рисунок 2и. Спикеры Зимней школы Future Biotech 2019, которая пройдет в Санкт-Петербурге с 26 по 30 января. Питер Беккер (Director of Biomedical Center, Faculty of Medicine, LMU) и Франческа Сторичи (Georgia Institute of Technology).

Рисунок 2к. Спикеры Зимней школы Future Biotech 2019, которая пройдет в Санкт-Петербурге с 26 по 30 января. Дэвид Лич (University of Edinburgh) и Адриан Трешер (University College London).

Рисунок 2л. Спикеры Зимней школы Future Biotech 2019, которая пройдет в Санкт-Петербурге с 26 по 30 января. Финн Вернер (University College London) и Димитрий Куллманн (Clinical & Experimental Epilepsy, UCL Institute of Neurology).

Рисунок 2м. Спикеры Зимней школы Future Biotech 2019, которая пройдет в Санкт-Петербурге с 26 по 30 января. Алексей Аравин (Caltech) и Фабиан Бломбах (University College London).

Рисунок 2н. Спикеры Зимней школы Future Biotech 2019, которая пройдет в Санкт-Петербурге с 26 по 30 января. Александр Габибов (IBCh RAS) и Дмитрий Мадера (Head of molecular genetics division, BIOCAD).

Рисунок 2о. Спикеры Зимней школы Future Biotech 2019, которая пройдет в Санкт-Петербурге с 26 по 30 января. Дмитрий Мордвинцев (Head of Sanofi Genzyme) и Екатерина Авилова (Sales Leader, Genomic & Cellular Research, GE Healthcare Life Sciences).

Рисунок 2п. Спикеры Зимней школы Future Biotech 2019, которая пройдет в Санкт-Петербурге с 26 по 30 января. Илья Ясный (Head of Scientific Due Diligence, Pharmstandard Ventures) и Дмитрий Потеряев (Chief Science Officer, IBC Generium).

«Что же такого значительного в этом событии?» — наверняка спросите вы.

Во-первых, на таких мероприятиях ученые рассказывают о топовых направлениях в своей области, а предприниматели и потенциальные организаторы стартапов могут узнать, какие тренды в науке наиболее актуальны, чтобы инвестировать в них в будущем, например на площадках бизнес-акселераторов, стремительно набирающих популярность в России.

Во-вторых, чтобы сделать российский биотех эффективным, инновационным и конкурентоспособным, представителям науки и бизнеса прежде всего необходимо наладить контакты с иностранными коллегами: коллаборировать, ездить на стажировки в ведущие научные центры и компании, вступать в международные консорциумы по решению конкретных задач. Возможно, вы удивитесь, но очень часто главным ограничивающим фактором являются даже не деньги, которые так или иначе можно получить через гранты или специальные фонды, а отсутствие нужных контактов и связей. Налаживание таких контактов (в научной и деловой среде это называется «нетворкинг») как раз и является одной из приоритетных задач школы Future Biotech (передружить всех между собой, как точно подметила Вера в своей статье ).

В-третьих, это безусловно беспрецедентный по своим масштабам научный контент! На лекциях можно будет узнать о самых последних открытиях из первых рук — непосредственно от ученых, ведущих исследования, — и обсудить с ними самые «горячие» подробности.

Таким образом, школа одновременно является тем самым связующим звеном между научными исследованиями и бизнесом, которое пока недостаточно развито в России, а также площадкой для развития профессионального нетворкинга и прокачивания своих знаний.

В этом году ключевой темой школы станут редактирование генома и генная терапия. Сегодня эти технологии — наиболее перспективные и финансируемые направления мировой медицины и фармацевтики. В 2016 году рынок препаратов для генной терапии оценивался в $584 млн. А к 2023 году, по прогнозам аналитиков, глобальная выручка от продажи таких препаратов превысит $4,4 млрд — это более 30% роста ежегодно!

Современные методы генной инженерии в комплексе с другими подходами на наших глазах совершают революцию в борьбе с ранее неизлечимыми генетическими, онкологическими и аутоиммунными заболеваниями. Генная инженерия приходит нам на помощь и в борьбе с устойчивыми к большинству известных антибиотиков бактериями, которые грозят стать главной причиной смертности в мире уже к 2050 году.

Истории и методам генной инженерии посвящены две статьи нашего спецпроекта «12 методов в картинках» . — Ред.

Сегодня на мировом рынке присутствуют лишь единичные препараты на основе генной терапии, десятки находятся на разных стадиях клинических испытаний. Как следует из отчета Allied Market Research, подавляющее большинство препаратов генной терапии производится для больных с онкологическими патологиями. И в ближайшее время — как минимум до 2023 года — эта ниша сохранит свое первенство на рынке. Следом за лекарствами от рака идут средства генной терапии редких заболеваний, сердечно-сосудистых болезней, неврологических расстройств и инфекций .

Ближайшее десятилетие пройдет под эгидой внедрения новых терапий, направленных на лечение агрессивных видов рака, генетических, нейродегенеративных, аутоиммунных патологий, а также внедрения в практику антибиотиков нового поколения. И в этот переломный момент российской науке и индустрии необходимо приложить все усилия, чтобы занять свое место на мировом биофармацевтическом рынке, стать активным участником перспективных исследований и, таким образом, обеспечить россиянам доступ к передовой медицине в будущем. Шагом на пути к достижению этой глобальной цели должна стать зимняя школа Future Biotech 2019. Для этого ее организаторы пригласили в Санкт-Петербург ведущих мировых ученых, работы которых охватывают наиболее перспективные направления биомедицины и биотехнологий. Об этих направлениях мы и поговорим в следующей главе.

Какие прорывы в медицине нас ожидают?

Рисунок 3. «Генетическая революция» сделала возможным переворот в медицине

Мир, в котором почти нет неизлечимых болезней, — уже не просто мечта фантастов: это мир, где методы генотерапии и редактирования генома стали главным оружием медицины (рис. 3). Уже сегодня благодаря этим подходам удалось достигнуть значительного прогресса в лечении нескольких ранее неизлечимых патологий, о которых мы и поговорим далее.

Генотерапия: на пути к миру без неизлечимых заболеваний

Рисунок 4. Схематическое изображение вирусных векторов, доставляющих фрагменты ДНК в клетку при генотерапии

Чтобы продолжить рассказ, давайте освежим в памяти терминологию. Наследственные заболевания, вызванные «поломками» в ДНК, называются генетическими. Если они спровоцированы мутацией в одном единственном гене — их принято называть моногенными. К таким болезням относятся, например, фенилкетонурия, болезнь Гоше и серповидноклеточная анемия. Существуют патологии, причиной которых является поломка сразу в нескольких генах (они называются полигенными) или дефект значительной части хромосомы (хромосомные болезни). К полигенным заболеваниям относятся некоторые виды рака, сахарный диабет, шизофрения, эпилепсия, ишемическая болезнь сердца и многое другое. Наибольшего успеха сегодня удалось добиться в лечении моногенных генетических заболеваний, так как исправить один-единственный ген — методически более простая задача, чем бороться с полигенными болезнями или хромосомными аномалиями (однако и здесь всё не безнадёжно!). В борьбе с генетическими болезнями генная терапия и редактирование генома — главные инструменты будущего в руках генного инженера.

Концепция генной терапии элегантна и красива, как всё гениальное. Она заключается в доставке в клетку здорового гена, который заменяет собой его «дефектный» вариант. Большинство прошедших клинические испытания и одобренных видов терапий использует вирусные векторные системы для доставки и встраивания здорового варианта гена в клетки (рис. 4). В ближайшем будущем ученые пророчат развитие невирусных систем доставки генов в клетку.

Существует два основных подхода: постнатальная генотерапия (иногда ее называют соматической) и генотерапия плода (иначе пренатальная, или фетальная генная терапия, о которой мы недавно писали в статье «Фетальная генная терапия: от теории — к практике» ).

В первом случае гены вводят в соматические клетки организма, что позволяет улучшить состояние пациента, однако отредактированный геном не передается потомкам, так как редактирование затрагивает лишь отдельные популяции клеток, не изменяя при этом геномы клеток, продуцирующих гаметы. Такой способ оправдан для борьбы, например, с онкологическими заболеваниями. Во втором случае ДНК вводят в эмбрион на ранней стадии развития, что позволяет отредактировать все, большинство или значительную часть клеток плода. При данном подходе изменения наследуются, так как половые клетки тоже будут нести эти изменения. Этот подход перспективен для борьбы с наиболее тяжелыми наследственными патологиями.

Американское Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) уже одобрило 16 препаратов на основе генной и клеточной терапии. Среди них есть средства для лечения агрессивных видов рака крови, предстательной железы и редкой наследуемой формы ретинальной слепоты.

Пренатальная терапия имеет ряд преимуществ перед постнатальной, самым большим из которых является помощь на ранней стадии развития болезни, когда патологический процесс еще не успел зайти далеко. Благодаря современным методам пренатальной диагностики исправлять дефектные гены можно на ранних сроках беременности, уже в 14–16 недель. Коррекция мутантных генов у развивающегося плода позволяет быстро увеличить популяцию стволовых клеток со «здоровым» вариантом гена, а значит, заболевание можно вылечить полностью или, по крайней мере, значительно облегчить его течение. Несмотря на радужные перспективы, на данный момент перед учеными стоит ряд нерешенных задач. Фетальная генная терапия увеличивает риск выкидыша и преждевременных родов из-за развития иммунных реакций у матери и ребенка. Кроме того, она может привести к неожиданным, а иногда и катастрофическим последствиям уже на постнатальной стадии развития. Вносимый ген может неспецифически встроиться в любое место генома и, таким образом, нарушить работу других генов, спровоцировав генетическое или онкологическое заболевание. Другой побочный эффект фетальной генотерапии — мозаицизм (явление, при котором часть клеток имеет «исправленный» ген, а остальные несут его «сломанную» версию), который может привести к весьма непредсказуемым последствиям в будущем.

С точки зрения потенциальных рисков очевидно, что фетальная генная терапия должна использоваться только для лечения тяжелых генетических заболеваний, других вариантов коррекции которых не существует. К таким патологиям относятся некоторые редкие генетические заболевания, например миодистрофия Дюшенна , спинальная мышечная атрофия , фатальная семейная бессонница, фенилкетонурия и фибродисплазия. Для их лечения сегодня активно разрабатывают варианты генных терапий, некоторые из которых находятся на финальных стадиях клинических испытаний. Среди редчайших генетических патологий, безусловно, есть и болезнь Гоше — нейродегенеративное заболевание, тяжелая форма которого на данный момент не поддается лечению и всегда летальна. Болезнь Гоше — самая частая форма среди редких наследственных ферментопатий , то есть болезней, связанных с дефектами ферментов. На ее примере была впервые продемонстрирована высокая эффективность фетальной генотерапии в экспериментах на мышах, а теперь ученые готовятся к испытаниям и на людях . Это значит, что будущее, где дети с вышеупомянутыми неизлечимыми генетическими заболеваниями смогут выздоравливать, наступит довольно скоро.

Генотерапия может быть чрезвычайно эффективна и в постнатальный период, в том числе для лечении взрослых пациентов. Спинальная мышечная атрофия (СМА) стала еще одним орфанным (то есть редким генетическим) заболеванием, долгожданную надежду на лечение которого подарила генная терапия . 23 декабря 2016 г. FDA зарегистрировало первое лекарство для СМАйликов (так ласково называют пациентов с этой болезнью) — нусинерсен (коммерческое название Spinraza). По результатам клинических испытаний у 51% пациентов улучшились моторные навыки, а также снизились риск смерти и постоянной вентиляции легких по сравнению с контрольной группой.

Крайне эффективна постнатальная генная терапия и при борьбе с онкологическими заболеваниями, которые являются одной из лидирующих причин смертности в странах с высоким уровнем жизни по данным ВОЗ (Всемирной организации здравоохранения). На данный момент одобрено два препарата: Yescarta и Kymriah, направленных на лечение высокоагрессивных видов В-клеточной лимфомы с использованием технологии CAR-T. Суть этой технологии заключается в искусственной «настройке» иммунитета пациента против опухолевых клеток. У больного берут T-лимфоциты и в лаборатории при помощи безвредного вирусного вектора вводят в их геном ген химерного антигенного рецептора (CAR) , который позволяет модифицированным Т-клеткам узнавать специфический антиген на поверхности злокачественных B-клеток. Затем модифицированные Т-лимфоциты вновь вводятся в кровь пациента. Там они начинают атаковать собственные B-лимфоциты, уничтожая злокачественных «перебежчиков». Однако при данной терапии высок риск развития аутоиммунных реакций. Это связано с тем, что антигены, по которым наши воины (модифицированные Т-лимфоциты) узнают «перебежчиков», могут иногда встречаться и на поверхности здоровых клеток. Исследователи активно работают над решением этой проблемы .

Терапии на основе CAR-T — пожалуй, самый успешный на сегодняшний день вариант лечения на стыке клеточной и генной терапий! Эта технология позволяет добиться полной ремиссии примерно в половине случаев лечения или продлить жизнь пациентов в большинстве остальных случаев.

Основная проблема при исправлении дефектного гена на уровне ДНК в постнатальный период такая же, как и в случае генотерапии плода, — высокий риск неспецифического встраивания гена в геном, что может привести к раковой трансформации клеток или апоптозу (их запрограммированной гибели). Все эти побочные эффекты потенциально летальны, однако их можно избежать, воздействуя на работу «сломанных» генов с помощью еще одного крайне перспективного для современной биомедицины метода — РНК-интерференции . Это защитный «антивирусный» механизм эукариот, направленный на разрушение двухцепочечных фрагментов РНК, которые чаще всего являются одной из стадий развития вирусов.

Несмотря на то, что с момента открытия РНК-интерференции прошло уже 20 лет, в медицину технология начала входить совсем недавно. Настраивая этот защитный механизм, ученые научились блокировать работу генов на уровне матричной РНК. Сегодня десятки препаратов на основе РНК-интерференции находятся на разных стадиях клинических испытаний. А совсем недавно (10 августа 2018 года) один из них — Patisiran — был одобрен FDA для лечения опасного наследственного нейродегенеративного заболевания — транстиретинового амилоидоза — и, таким образом, стал первым лекарством на основе РНК-интерференции .

Технологии, в основе которых лежат редактирование геномов собственных клеток пациента (CAR-T) и РНК-интерференция, помимо биологических и биоэтических ограничений имеют еще одну серьезную проблему: экстремальная дороговизна! Например, полный курс лечения препаратом Yescarta стоит $350 000, а годовой курс терапии, включающей в себя еженедельные инъекции Patisiran, обойдется пациенту в $450 000. Все эти проблемы ученым и фармацевтическим компаниям предстоит решить в самом ближайшем будущем.

Технология CRISPR-Cas9. Самый точный инструмент редактирования генома

Рисунок 5. Схематическое изображение комплекса CRISPR-Cas9 с ДНК

В последнее время в прессе постоянно пишут о разнообразных успехах этого подхода, и не зря: ведь технология редактирования генома с помощью системы CRISPR-Cas9 — это поистине эпохальная разработка (рис. 5)!

На «Биомолекуле» так много статей о великой и могучей технологии CRISPR-Cas9, что мы посвятили ей целый раздел! — Ред.

В природе системы CRISPR-Cas обеспечивают адаптивный иммунитет к вирусам у прокариот. Они обнаружены примерно у 50% бактерий и 90% архей . Однако люди научились использовать это оружие бактерий для своих нужд. Благодаря CRISPR-Cas9 сегодня мы можем не только «исправить» дефектный ген напрямую в живом органе, но и получить целый организм с полностью отредактированным геномом. И здесь нельзя не упомянуть об одном нашумевшем событии…

В ноябре 2018 года китайский ученый Хэ Цзянькуй заявил о рождении первых младенцев с отредактированным геномом, устойчивых к ВИЧ. Для удаления гена рецептора, который делает Т-клетки человека восприимчивыми к вирусу, группа ученых использовала широко известную технологию CRISPR-Сas9. Эта новость взбудоражила мировую общественность, вызвала множество споров и критику в адрес ученого. И это не удивительно, ведь вопрос редактирования генома человека пока остается нерешенной этической дилеммой. Кроме того, технология CRISPR-Cas9 еще не до конца отработана: ее применение может повлечь такие опасные побочные эффекты как мозаицизм (когда часть клеток организма несет исправленный ген, а часть — его «сломанную» версию) и «нецелевое» редактирование, часто приводящее к раковой трансформации. К моменту написания этой статьи не было проведено независимой экспертизы, поэтому нельзя сказать наверняка, правдиво ли заявление китайского ученого. Однако можно с полной уверенностью заявить, что технически это вполне осуществимо.

Давайте рассмотрим другой менее ангажированный пример, результаты которого подтверждены научными публикациями — главным «мерилом» значимости исследований. В 2017 году были опубликованы результаты экспериментов на человеческих эмбрионах по освобождению их от мутаций, вызывающих гипертрофическую кардиомиопатию . К слову, это первое исследование в США по редактированию человеческих эмбрионов. В 2018 году было проведено лечение мышечной дистрофии Дюшенна у собак (от этого заболевания страдают и люди) : уровень дистрофина удалось поднять до 92% от нормы. С помощью CRISPR/Cas9 можно будет лечить в первую очередь простые моногенные заболевания вроде бета-талассемии, муковисцидоза или гемофилии.

Как уже было сказано выше, редактирование геномов человеческих эмбрионов остается нерешенной этической дилеммой, однако правовой статус этого вопроса разнится в зависимости от страны. В начале 2016 года Министерство здравоохранения Великобритании разрешило редактирование генома эмбрионов человека в исследовательских целях; на тех же условиях оно разрешено и в США. Однако все полученные генномодифицированные эмбрионы должны быть уничтожены в течение 14 дней после их получения. И, конечно, их нельзя подсаживать женщине для вынашивания. В Китае из-за скандала, связанного с рождением близнецов, правительство ввело временный запрет на любые исследования, связанные с редактированием человеческого генома. В России подобные работы пока ограничены недавно принятым ретроградным законом о ГМО.

Пример с системой CRISPR/anti-CRISPR хорошо иллюстрирует тот факт, что все живые организмы участвуют в «гонке вооружений», и если у кого-то появилось новое оружие, вскоре природа обязательно «изобретет» и способ его обойти . Люди уже давно научились извлекать выгоду из этой «холодной войны», и самый яркий тому пример — антибиотики! Однако у этой медали есть и обратная сторона, имя которой — множественная антибиотикорезистентность.

Поиск новых антибиотиков — актуальнейшая задача современности

Рисунок 6. Мультирезистентные бактерии — одна из главных угроз человечеству

По расчетам британского исследования Review on Antimicrobial Resistance, человечество может остаться без эффективных лекарств против инфекций и погрузиться в постантибиотическую эпоху уже к 2050 году (рис. 6). Одна из главных угроз человечества сегодня — мультирезистентный золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus, MRSA) . Он с трудом поддается лечению, угрожает жизни человека и может привести к сепсису, пневмонии и инфекциям кровотока. Согласно статистике, от MRSA ежегодно умирает более 18 000 человек, заражается же им в пять раз больше (только инвазивно, при операциях) .

Проблема столь массового распространения резистентности среди бактерий имеет множество причин. Сам процесс приобретения устойчивости естественен и неизбежен, однако злоупотребление антибиотиками, их неправильная утилизация и массовое попадание в окружающую среду ускорили этот процесс настолько, что некоторые инфекции не поддаются лечению даже комплексами из новых препаратов. Поэтому поиск новых антибиотиков является приоритетной задачей для современной науки .

Самая распространенная мишень всех известных антибиотиков — аппарат синтеза белка бактерий. Аппарат трансляции прокариот отличается от нашего, что позволяет использовать специфические ингибиторы синтеза белка у бактерий без вреда для собственных клеток нашего организма. Из-за массового распространения генов устойчивости у бактерий ученые активно изучают их белоксинтезирующий аппарат и ищут новые мишени и ингибиторы трансляции. На Зимней школе Future Biotech направление по поиску новых рибосомных антибиотиков представят сразу несколько спикеров, среди которых есть и ученые с российскими корнями.

Данные исследования позволят облегчить разработку новых поколений антимикробных препаратов, а также найти клинические подходы для предотвращения распространения устойчивости к большинству применяемых в клинике антибиотиков среди патогенных бактерий.

Биотехнологии будущего: есть ли будущее у российских исследований?

Рисунок 7. Развитие российского биотеха — одна из самых приоритетных задач

Совсем недавно человечество шагнуло в новую эру — высокоэффективной генной терапии, редактирования геномов и продвинутых биотехнологий. Это вселяет надежду, что в ближайшие десятилетия будет побеждено множество ранее неизлечимых заболеваний. Однако на сегодняшний день мы имеем лишь единичные препараты на основе перспективных подходов генной инженерии и отсутствие устоявшейся клинической практики их использования. Перед нами лежит сложный путь по разработке лекарств и их внедрению в массовую медицину (рис. 7).

Это еще раз подчеркивает важность таких мероприятий как зимняя школа Future Biotech: на ней решается сразу несколько приоритетных для общества задач. Во-первых, школа является площадкой, на которой наука и бизнес находят точки пересечения. Это рождает понимание того, в каких направлениях стоит двигаться российской индустрии, чтобы занять сильные позиции на международном рынке и обеспечить гражданам доступ к передовой медицине. Во-вторых, школа выполняет образовательную функцию. Ученые из России могут узнать больше о работе своих иностранных коллег, а зарубежные исследователи, в свою очередь, о разработках, которые ведутся в России, но, к сожалению, недостаточно хорошо освещаются в мировой прессе. В-третьих, школа призвана «передружить всех между собой» и, таким образом, открывает широкие возможности для коллабораций, карьерного роста или поиска способов реализации своей идеи. На ней формируется сообщество, которое катализирует важные для российского общества процессы.

История буквально творится на наших глазах. За последние 2–3 года медицина получила возможность эффективно бороться с ранее неизлечимыми генетическими и онкологическими заболеваниями, такими как агрессивные формы B-клеточной лимфомы, болезнь Гоше и амилоидная полинейропатия. И это только начало! Крайне важно, чтобы о перспективных биомедицинских технологиях узнали «в нужное время в нужном месте». В случае России такой площадкой уже стала Зимняя школа Future Biotech.

Литература

  1. Зимняя школа «Современная биология и Биотехнологии будущего»: передружить всех между собой!;
  2. Петренко А. (2017). Борьба за выживание. Погибнет ли человечество из-за устойчивости к антибиотикам. Forbes;
  3. 12 методов в картинках: генная инженерия. Часть II: инструменты и техники;
  4. Шариффулина В. (2018). ДНК как лекарство: клеточная и генная терапия меняют фармацевтику. Forbes;
  5. Фетальная генная терапия: от теории — к практике;
  6. Геномная головоломка: открой в себе мозаика;
  7. Вылечить миодистрофию Дюшенна: конкуренция групп, единство методик;
  8. Надежда для СМАйликов;
  9. Болезнь Паркинсона: что изучать? как изучать?;
  10. CAR T-клетки, получаемые in situ (in vivo), — путь к удешевлению и широкодоступности технологии?;
  11. Лищук О. (2016). Химера против рака. N+1;
  12. Обо всех РНК на свете, больших и малых;
  13. Есть ли смысл в антисенсах?;
  14. Первый препарат на основе РНК-интерференции: смерть мРНК — жизнь пациенту!;
  15. CRISPR-системы: иммунизация прокариот;
  16. Dennis Normile. (2018). CRISPR bombshell: Chinese researcher claims to have created gene-edited twins. Science;
  17. Hong Ma, Nuria Marti-Gutierrez, Sang-Wook Park, Jun Wu, Yeonmi Lee, et. al.. (2017). Correction of a pathogenic gene mutation in human embryos. Nature. 548, 413-419;
  18. Leonela Amoasii, John C. W. Hildyard, Hui Li, Efrain Sanchez-Ortiz, Alex Mireault, et. al.. (2018). Gene editing restores dystrophin expression in a canine model of Duchenne muscular dystrophy. Science. 362, 86-91;
  19. Анти-CRISPR: ответ вирусов;
  20. Антибиотики и антибиотикорезистентность: от древности до наших дней;
  21. Nichols H. (2017). All you need to know about MRSA. Medical News Today;
  22. Антибиотикорезистентность: How to make antibiotics great again*?;
  23. Когда ослепшие прозреют?;
  24. Roope Männikkö, Zakhar O. Shenkarev, Michael G. Thor, Antonina A. Berkut, Mikhail Yu Myshkin, et. al.. (2018). Spider toxin inhibits gating pore currents underlying periodic paralysis. Proc Natl Acad Sci USA. 115, 4495-4500.

Проблемы биотехнологий в России

На биотехнологическом рынке России ситуация такова, что спрос значительно превышает предложение. При этом произошел существенный упадок инфраструктуры, а роль малого и среднего бизнеса пока еще весьма незначительна.

Примеров успешного развития биотехнологии в России немного, а основными производителями данного рода продукции по-прежнему остаются несколько научно-исследовательских институтов и небольших компаний, родившихся в их недрах. Так, в опытном производстве Института биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН производят инсулин (препарат инсуран, объем реализации 76 млн руб./год) и соматотропин — гормон роста (объем реализации 18 млн 200 тыс. руб./год).

Из всех синтетических пептидных препаратов, производящихся сейчас в мире, доля российских составляет более 25 % (11 препаратов из 40). Среди них — отечественные тимоген и тимодепрессин, регулирующие иммунную систему. Их производят и продают не только в России, но и за рубежом. Еще несколько пептидных препаратов находятся на разных стадиях клинических испытаний.

Что нужно для развития этого сектора биотехнологии? Гарантированная поддержка доли российских производителей на рынке, развитие отечественного оборудования для производства, подготовка кадров.

Биотехнология как наука и, особенно, её центральная часть — биоинженерия развивается быстрыми темпами во всём мире. Её достижения в больших масштабах используются во многих отраслях народного хозяйства. Вместе с тем, вмешательство учёных в структуру генома, молекул ДНК и генов вызывает серьёзное беспокойство в обществе. Проблемы безопасности биотехнологических исследований при получении генетически модифицированных организмов сегодня привлекают внимание всё более широких слоёв как научной, так и гражданской общественности.

На протяжении последнего времени тема непрекращающихся дебатов на страницах печати — преимущества, связанные с широким использованием генетически модифицированных организмов (ГМО), и потенциальный риск, обусловленный их применением.

Диапазон существующих на сегодняшний день трансгенных организмов охватывает множество сельскохозяйственных культур, животных и микро-организмов.

Один из первых вопросов, на который следует дать ответ, это определение понятия экологического риска. Одно из его наиболее широких определений — угроза окружающей среде, обусловленная присутствием ГМО, проявляющаяся в его негативном воздействии на экосистему (возрастание риска раковых заболеваний, пищевые аллергии, снижение качества и калорийности пищи, резистентность к антибиотикам, генетическое загрязнение, угроза полезным насекомым и плодородию почв, появление новых вирусов и бактерий, токсинов и ядов, генетическая «биоинтервенция», социально-экономические и этические последствия, изменение генотипа и фенотипа, наследственные заболевания, аллергия, снижение иммунной защиты).

Нельзя не согласиться с тем, что генетически модифицированные продукты имеют право на существование, но и потребитель имеет право выбора, а значит, и получения достаточной информации о природе покупаемых им продуктов питания. Это значит, что генетически модифицированная продукция должна быть выявлена, идентифицирована и соответствующим образом маркирована.

Учитывая, что для производителя ГМО является предпочтительным сокрытие природы продукта (ГМО должны быть более дешёвыми, т. к. они пользуются меньшим спросом), представителям контролирующих органов необходимо владеть инструментальными методами выявления и идентификации ГМО в соответствии с ГОСТ.

Обязательная маркировка продуктов, содержащих генетически модифицированное сырье, вводимая Минздравсоцразвития РФ, не означает, что данный продукт опасен для здоровья человека. Это лишь дополнительная информация для потребителей, которые имеют право выбора. Абсурдно считать, что российские врачи и учёные разрешили бы к широкой продаже продукты, наносящие вред здоровью человека, хотя во многих статьях и выступлениях такая маркировка трактуется как предупреждение потребителя об угрозе.

Наиболее острой и экономически важной для России проблемой является проблема вывода из глубокого экономического кризиса продовольственного цеха страны — сельского хозяйства, без чего практическое использование достижений биотехнологии невозможно. Решение проблемы биобезопастности может и должно строиться на основе углублённых научных исследований и высокой ответственности учёных и специалистов, а также практиков, работающих в области биотехнологии и биоинженерии.

В решении этих задач очень важным является развитие международного сотрудничества на уровне государств, научных организаций и учёных. Выполнение совместных международных проектов позволит нашей стране преодолеть отставание и стать в этой области науки и производства в ряд с высокоразвитыми государствами мира.