Лекция по биотехнологии №1

Введение в биотехнологию. Экологическая, сельскохозяйственная, промышленная биотехнология.

Биотехнологическое получение белков, ферментов, антибиотиков витаминов, интерферона.

Вопрос №1

Человек с древнейших времен использовал биотехнологии в виноделии, пивоварении или хлебопечении. Но процессы, лежащие в основе этих производств, долго оставались загадочными. Их природа прояснилась лишь в конце XIX - начале ХХ века, когда были разработаны методы культивирования микроорганизов, пастеризации, выделены чистые линии бактерий и ферменты. Для обозначения наиболее тесно связанных с биологией разнообразных технологий раньше использовали такие наименования, как «прикладная микробиология», «прикладная биохимия», «технология ферментов», «биоинженерия», «прикладная генетика», «прикладная биология». Это привело к возникновению новой отрасли - биотехнологической.

Французский химик Луи Пастер в 1867 году доказал, что брожение - это результат жизнедеятельности микроорганизмов. Немецкий биохимик Эдуард Бухнер уточнил, что оно вызывается и бесклеточным экстрактом, содержащим ферменты, катализирующие химические реакции. Использование чистых ферментов для переработки сырья послужило толчком к развитию зимологии. Например, альфа-амилаза требуется для расщепления крахмала.

В это же время сделаны важные открытия в области нарождавшейся генетики, без которой была бы немыслима биотехнология современного уровня. В 1865 году австрийский монах Грегор Мендель ознакомил Брюннское общество естествоиспытателей со своими «Опытами над растительными гибридами», в которых он описал законы передачи наследственности. В 1902 году биологи Уолтер Саттон и Теодор Бовери предположили, что передача наследственности связана с материальными носителями - хромосомами. Уже тогда было известно, что живой организм состоит из клеток. Немецкий патолог Рудольф Вирхов дополняет клеточную теорию принципом «каждая клетка - из клетки». А опыты ботаника Готлиба Хаберландта продемонстрировали, что клетка может существовать в искусственной среде и отдельно от организма. Эксперименты последнего привели к открытию роли витаминов, минеральных добавок и гормонов.

Потом было слово

Годом рождения самого термина «биотехнология» принято считать 1919-й, когда был опубликован манифест «Биотехнология переработки мяса, жиров и молока на больших сельскохозяйственных фермах». Его автор - венгерский агроэкономист, в то время министр продовольствия Карл Эреки. Манифест описывал переработку сельскохозяйственного сырья в другие пищевые продукты с помощью биологических организмов. Эреки предсказывал новую эпоху в истории человечества, сравнивая открытие этого метода с величайшими технологическими революциями прошлого: появлением производящего хозяйства в эпоху неолита и металлургии в бронзовом веке. Но до конца 1920-х годов под биотехнологией подразумевалось лишь использование микроорганизмов для ферментации. В 1930-е развивается медицинская биотехнология. Открытый в 1928 году Александером Флемингом пенициллин, производимый из грибков Penicillium notatum, уже в 1940-х годах начал выпускаться в промышленных масштабах. А в конце 1960-х - начале 1970-х годов была сделана попытка объединить пищевую промышленность с нефтеперерабатывающей. Компания British Petroleum разработала технологию бактериального синтеза кормового белка из отходов нефтепромышленности.

В 1953 году было совершено открытие, которое вызвало впоследствии переворот в биотехнологии: Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик расшифровали структуру ДНК. И в 1970-х годах к биотехнологическим приемам добавилось манипулирование наследственным материалом. Буквально за два десятилетия были открыты все необходимые для этого инструменты: выделена обратная транскриптаза - фермент, который позволяет «переписывать» генетический код из РНК обратно в ДНК, открыты ферменты для разрезания ДНК, а также полимеразная цепная реакция для многократного воспроизводства отдельных фрагментов ДНК.

В 1973 году создан первый генетически рекомбинантный организм: в бактерию был перенесен генетический элемент от лягушки. Началась эра генетической инженерии, которая едва сразу же не закончилась: в 1975 году в городе Асиломар (США) на Международном конгрессе, посвященном изучению рекомбинантных ДНК-молекул, впервые были высказаны опасения относительно применения новых технологий.

«Тревогу забили не политики, не религиозные группы и не журналисты, как можно было бы ожидать. Это были сами ученые, - вспоминал Пол Берг, один из организаторов конференции и пионер создания рекомбинантных молекул ДНК. - Многие ученые опасались, что общественные дебаты приведут к неоправданным ограничениям на молекулярную биологию, но они поощряли ответственную дискуссию, приведшую к консенсусу». Участники конгресса выступили за мораторий на ряд потенциально опасных исследований.

Тем временем от биотехнологии и генетической инженерии отпочковалась синтетическая биология, которая занимается дизайном новых биологических компонентов и систем и редизайном уже существующих. Первой ласточкой синтетической биологии стал искусственный синтез транспортной РНК в 1970 году, а сегодня возможен уже синтез целых геномов из элементарных структур. В 1978 году фирма Genentech сконструировала в лаборатории бактерию Е.coli, синтезирующую человеческий инсулин. С этого момента генетическая рекомбинация окончательно входит в арсенал биотехнологии и считается едва ли не ее синонимом. Одновременно был осуществлен первый перенос новых генов в геномы животной и растительной клетки. Нобелевский лауреат 1980 года Уолтер Гилберт заявил: «Мы можем получить для медицинских целей или для коммерческого применения фактически любой человеческий белок, способный влиять на важные функции человеческого тела».

В 1985 году проходят первые полевые испытания трансгенных растений, устойчивых к гербицидам, насекомым, вирусам и бактериям. Появляются патенты на растения. Начинается расцвет молекулярной генетики, бурно развиваются аналитические методы, такие как секвенирование, то есть определение первичной последовательности белков и нуклеиновых кислот.

В 1995 году на рынок было выпущено первое трансгенное растение (томат Flavr Savr), а уже к 2010 году трансгенные сельскохозяйственные культуры выращивали в 29 странах на 148 миллионах гектаров (10% от общей площади возделываемых земель). В 1996 году на свет появляется первое клонированное животное - овца Долли. К 2010 году было клонировано больше 20 видов животных: коты, собаки, волки, лошади, свиньи, муфлоны.

Направления биотехнологии и получаемые с ее помощью продукты

Технологии и биотехнологии

Технология - это способы и приемы, используемые для получения из исходного материала (сырья) некоторого продукта. Очень часто для получения одного продукта требуется не один, а несколько источников сырья, не один способ или прием, а последовательность нескольких. Все многообразие технологий можно подразделить на три основных класса:

Физико-механические технологии;

Химические технологии;

Биотехнологии.

В физико-механических технологиях исходный материал (сырье) в процессе получения продукта меняет форму или агрегатное состояние без изменения своего химического состава (например, технология переработки древесины для производства деревянной мебели, различные методы получения металлических изделий: гвоздей, деталей машин и др.).

В химических технологиях в процессе получения продукта сырье претерпевает изменения химического состава (например, получение полиэтилена из природного газа, спирта - из природного газа или древесины, синтетического каучука - из природного газа).

Биотехнология как наука может рассматриваться в двух временных и сущностных измерениях: современном и традиционном, классическом.

Новейшая биотехнология (биоинженерия) - это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных (модифицированных) растений, животных и микроорганизмов в целях интенсификации производства и получения новых видов продуктов различного назначения.

В традиционном, классическом смысле биотехнологию можно определить как науку о методах и технологиях производства, транспортировки, хранения и переработки сельскохозяйственной и другой продукции с использованием обычных, нетрансгенных (природных и селекционных) растений, животных и микроорганизмов, в естественных и искусственных условиях.

Высшим достижением новейшей биотехнологии является генетическая трансформация , перенос чужеродных (природных или искусственно созданных) донорских генов в клетки-реципиенты растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками.

Цель биотехнологических исследований - повышение эффективности производства и поиск биологических систем, с помощью которых можно получить целевой продукт.

Биотехнология дает возможность воспроизводить нужные продукты в неограниченных количествах, применяя новые технологии, позволяющие переносить гены в клетки-продуценты или в целый организм (трансгенные животные и растения), синтезировать пептиды, создавать искусственные вакцины.

Основные направления развития биотехнологии

Расширение сфер применения биотехнологии существенно влияет на повышение уровня жизни человека (рис. 1.2). Быстрее всего внедрение биотехнологических процессов дает результаты в медицине, но, по мнению многих специалистов, основной экономический эффект будет получен в сельском хозяйстве и химической промышленности.

Микрочипы, клеточные культуры, моноклональные антитела и белковая инженерия - это лишь небольшая часть современных биотехнологических приемов, используемых на разных стадиях разработки многих видов продукции. Понимание молекулярных основ биологических процессов дает возможность значительно сократить затраты на разработку и подготовку производства определенного продукта, а так-же повысить его качество. Например, сельскохозяйственныебиотехнологические компании, создающие устойчивые к насекомым сорта растений, могут измерять количество защитного белка в клеточной культуре и не тратить ресурсы на выращивание самих растений; фармакологические компании могут использовать клеточные культуры и микрочипы для проверки безопасности и эффективности препаратов, а также для выявления возможных побочных эффектов на ранних стадиях получения лекарственных средств.

Генетически модифицированные животные, в организмах которых происходят процессы, отражающие физиологию различных человеческих заболеваний, обеспечивают ученых вполне адекватными моделями для проверки действия того или иного вещества на организм. Это также позволяет компаниям выявлять наиболее безопасные и эффективные препараты на более ранних стадиях разработки.

Все это свидетельствует о важном значении биотехнологии и широких возможностях ее применения в различных отраслях народного хозяйства. Какие же направления являются наиболее приоритетными в этой области? Рассмотрим их.

1. Повышение безопасности биотехнологического производства для человека и окружающей среды . Требуется создание таких рабочих систем, которые будут функционировать только в строго контролируемых условиях. Например, штаммы кишечной палочки, используемые в биотехнологии, лишены надмембранных структур (оболочек); такие бактерии просто не могут существовать вне лабораторий или вне специальных технологических установок. Повышенной безопасностью обладают и многокомпонентные системы, каждая из которых не способна к самостоятельному существованию.

2. Снижение доли отходов производственной деятельности человека . Отходами производства называются его побочные продукты, которые не могут использоваться человеком или другими компонентами биосферы и применение которых нерентабельно или сопряжено с каким-то риском. Такие отходы накапливаются в пределах производственных помещений (территорий) или выбрасываются в окружающую среду. Следует стремиться к изменению соотношения «полезный продукт/отходы» в пользу полезного продукта. Этого достигают различными способами. Во-первых, отходам необходимо найти полезное применение. Во-вторых, их можно направить на вторичную переработку, создав замкнутый технологический цикл. И наконец, можно изменить саму рабочую систему так, чтобы уменьшить долю отходов.

3. Снижение энергетических затрат на производство продукта, т. е. внедрение энергосберегающих технологий. Принципиальное решение этой проблемы возможно в первую очередь за счет использования возобновляемых источников энергии. Например, годовое потребление энергии ископаемого топлива соизмеримо с объемом чистой валовой продукции всех фотосинтезирующих организмов на Земле. Для трансформации солнечной энергии в формы, доступные для современных силовых установок, создаются (в том числе методами клеточной инженерии) энергетические плантации быстрорастущих растений. Полученная биомасса используется для производства целлюлозы, биотоплива, а также биогумуса. Всесторонние выгоды подобных технологий очевидны. Использование методов клеточной инженерии для постоянного обновления посадочного материала обеспечивает получение в кратчайшие сроки большого количества растений, свободных от вирусов и микоплазм; при этом отпадает необходимость создания маточных плантаций. Снижается нагрузка на естественные насаждения древесных растений (в значительной мере они вырубаются для получения целлюлозы и топлива), уменьшаются потребнотси в ископаемом топливе (в общем-то, оно является экологически неблагоприятным, поскольку при его сжигании образуются недоокисленные вещества). При использовании биотоплива образуются углекислый газ и водяные пары, которые поступают в атмосферу, а затем вновь связываются растениями на энергетических плантациях.

4. Создание многокомпонентных растительных систем. Качество сельскохозяйственной продукции значительно ухудшается при применении минеральных удобрений и ядохимикатов, которые наносят колоссальный ущерб природным экосистемам. Преодолеть негативные последствия химизации сельскохозяйственного производства можно различными способами. Прежде всего необходимо отказаться от монокультур, т. е. от использования ограниченного набора биотипов (сортов, пород, штаммов). Недостатки монокультуры были выявлены еще в конце XIX столетия; они очевидны. Во-первых, в монокультуре возрастают конкурентные отношения между выращиваемыми организмами; в то же время монокультура оказывает лишь одностороннее воздействие на конкурирующие организмы (сорняки). Во-вторых, происходит избирательный вынос элементов минерального питания, что ведет к деградации почв. И наконец, монокультура неустойчива к патогенам и вредителям. Поэтому в течение XX в. она поддерживалась за счет исключительно высокой интенсивности производства. Разумеется, использование монокультур интенсивных сортов (пород, штаммов) упрощает разработку технологии производства продукции. Например, с помощью высоких технологий созданы сорта растений, устойчивые к определенному пестициду, который при возделывании именно данных сортов можно применять в высоких дозах. Однако в этом случае возникает вопрос безопасности такой рабочей системы для человека и окружающей среды. Кроме того, рано или поздно появятся расы патогенов (вредителей), устойчивые к данному пестициду.

Следовательно, необходим планомерный переход от монокультуры к многокомпонентным (поликлональным) композициям, включающим разные биотипы культивируемых организмов. Многокомпонентные композиции должны включать организмы с разным ритмом развития, с различным отношением к динамике физико-химических факторов среды, к конкурентам, патогенам и вредителям. В генетически гетерогенных системах возникают компенсаторные взаимодействия особей с различными генотипами, снижающие уровень внутривидовой конкуренции и автоматически увеличивающие давление культивируемых организмов на конкурирующие организмы других видов (сорняки). По отношению к патогенам и вредителям такая гетерогенная экосистема характеризуется коллективным групповым иммунитетом, который определяется взаимодействием множества структурных и функциональных особенностей отдельных био-типов.

5. Разработка новых препаратов для медицины . В настоящее время ведутся активные исследования в области медицины: создаются различные типы новых препаратов - целевые и индивидуальные.

Целевые препараты . Основными причинами онкологических заболеваний являются неконтролируемое деление клеток и нарушение процессов апоптоза. Действие препаратов, предназначенных для их устранения, может быть направлено на любую из молекул или клеточных структур, участвующих в этих процессах. Исследования, проведенные в области функциональной геномики, уже предоставили нам информацию о молекулярных изменениях, происходящих в предраковых клетках. На основе полученных данных можно создавать диагностические тесты для выявления молекулярных маркеров, сигнализирующих о начале онкологического процесса до того, как появляются первые видимые нарушения клеток или проявляются симптомы заболевания.

Большинство химиотерапевтических препаратов воздействует на белки, участвующие в процессе деления клетки. К сожалению, при этом погибают не только злокачественные клетки, но часто и нормальные делящиеся клетки организма, такие, как клетки системы кроветворения и волосяных фолликул. Чтобы предупредить появление этого побочного эффекта, некоторые компании начали разработку препаратов, которые останавливали бы клеточные циклы здоровых клеток непосредственно перед введением дозы химиотерапевтического агента.

Индивидуальные препараты . На сегодняшнем этапе развития науки начинается эпоха индивидуализированной медицины, в которой генетические различия пациентов будут учитываться для наиболее эффективного применения лекарств. Используя данные функциональной геномики, можно выявлять генетические варианты, отвечающие за предрасположенность конкретных пациентов к отрицательным побочным эффектам одних препаратов и за восприимчивость - к другим. Такой индивидуальный терапевтический подход, базирующийся на знании генома пациента, получил название фармакогеномики.

Биотехнология - это наука, изучающая возможность использовать живые организмы или продукты их жизнедеятельности для решения определенных технологических задач.

С помощью биотехнологий, происходит обеспечение определенных человеческих потребностей, например: разработка медицинских препаратов, модификация или создание новых видов растений и животных, что увеличивает качество пищевых продуктов.

Биотехнология в современной медицине

Биотехнология, как наука, зарекомендовала себя в конце ХХ века, а именно в начале 70-х годов. Все началось с генетической инженерия, когда ученые смогли перенести генетический материал из одного организма к другому без осуществления половых процессов. Для этого была использовано рекомбинантная ДНК или рДНК. Такой метод применяется для изменения или улучшения определенного организма.

Чтобы создать молекулу рДНК нужно:

• извлечь молекулу ДНК из клетки животного или растения;
• обработать изолированную клетку и плазмиду, а затем смешать их;
• затем, измененная плазмида переносится в бактерию, а та в свою очередь приумножает копии информации, что были внесены в нее.

Медицинские биотехнологии подразделяются на 2 большие группы:

1. Диагностические , которые, в свою очередь, бывают: химическими (определение диагностических веществ и параметров обмена); физическими (определение физических полей организма);
2. Лечебные .

К медицинской биотехнологии относят такие производственные процессы, в ходе которых создаются биообъекты или вещества медицинского назначения. Это ферменты, витамины, антибиотики, отдельные микробные полисахариды, которые могут применяться как самостоятельные средства или как вспомогательные вещества при создании различных лекарственных форм, аминокислоты.

Так, методы биотехнологий применяются:

• для производства человеческого инсулина путем использования генно-модифицированных бактерий;
• для создания эритропоэтина (гормона, стимулирующего образование эритроцитов в костном мозге.

Медицинская генетика в будущем сможет не только предотвращать появление на свет неполноценных детей путем диагностирования генетических заболеваний, но и проводить пересадку генов для решения существующей проблемы.

Биотехнология в будущем даст человечеству огромные возможности не только в медицине, но и в других направлениях современных наук.

Биотехнологии в современной науке

Биотехнологии в современной науке несет огромную пользу. За счет открытия генной инженерии стало возможным выведения новых сортов растений и пород животных, которые принесут пользу сельскому хозяйству.

Изучения биотехнологии связано не только лишь с науками биологического направления. В микроэлектронике разработаны ион-селективные транзисторы на основе полевого эффекта (HpaI). Биотехнология необходима для повышения нефтеотдачи нефтяных пластов. Наиболее развитым направлением является использование биотехнологии в экологии для очистки промышленных и бытовых сточных вод. В развитие биотехнологии внесли свой вклад многие другие дисциплины, именно поэтому биотехнологии стоит отнести к комплексной науке.

Еще одной причиной активного изучения и усовершенствования знаний в биотехнологии стал вопрос в недостатке (или будущем дефиците) социально-экономических потребностей.

В мире существуют такие проблемы, как:

• нехватка пресной или очищенной воды (в некоторых странах);
• загрязнение окружающей среды различными химическими веществами;
• дефицит энергетического ресурса;
• необходимость усовершенствования и получения совершенно новые экологически чистых материалов и продуктов;
• повышение уровня медицины.

Ученые уверенны, что решить эти и многие другие проблемы возможно при помощи биотехнологии.

Основные типовые технологические приемы современной биотехнологии

Биотехнологию можно выделить не только как науку, но еще и как сферу практической деятельности человека, которая отвечает за производство разного вида продукции при участии живых организмов или их клеток.

Теоретической основой для биотехнологии в свое время стала такая наука, как генетика, это случилось в ХХ веке. А вот практически биотехнология основывалась на микробиологической промышленности. Микробиологическая промышленность в свою очередь получила сильный толчок в развитии после открытия и активного производства антибиотиков.

Объектами, с которыми работает биотехнология, являются вирусы, бактерии, различные представители флоры и фауны, грибы, а также органоиды и изолированные клетки.

Наглядная биотехнология. Генная и клеточная инженерия

Генетическая и клеточная инженерия в сочетании с биохимией - это основные сферы современной биотехнологии.

Клеточная инженерия - выращивание в специальных условиях клеток различных живых организмов (растений, животных, бактерий), разного рода исследования над ними (комбинация, извлечение или пересадка).

Самой успешной считается клеточная инженерия растений. При помощи клеточной инженерии растений стало возможным ускорение селекционных процессов, что позволяет выводить новые сорта сельхоз культур. Теперь выведение нового сорта сократилось от 11 лет до 3-4.

Генетическая (или генная) инженерия - отдел молекулярной биологии, в котором занимаются изучением и выделением генов из клеток живых организмов, после чего над ними проводятся манипуляции для достижения определенной цели. Главными инструментами, которые используются в генной инженерии, являются ферменты и векторы.

Биотехнологии клонирования

Клонирование - это процесс получения клонов (то есть потомков полностью идентичных прототипу). Первый опыт клонирования был проведен на растениях, которые клонировались вегетативным путем. Каждое отдельное растение, которое получилось вследствие клонирования, называлось клоном.

В процессе развития генетики это термин начали применять не только к растениям, но и к генетическому выведению бактерий.

Уже в конце ХХ века ученые начали активное обсуждение клонирования человека. Таким образом, термин «клон» стал употребляться в СМИ, а позже и в литературе и искусстве.

Что касается бактерий, то у них клонирование - это практически единственный способ размножения. Именно «клонирование бактерий» употребляется в том случаи, когда процесс искусственный и им управляет человек. Этот термин не касается естественного размножения микроорганизмов.

Генетическая инженерия

Генная инженерия - это искусственные изменения в генотипе микроорганизма, вызванное вмешательством человека, для получения культур с необходимыми качествами.

Генная инженерия занимается исследованиями и изучением не только микроорганизмов, но и человека, активно изучает заболевания, связанные с иммунной системой и онкологией.

Клеточная биотехнология растений

Клеточная биотехнология основывается на применении клеток, тканей и протопластов. Чтобы успешно управлять клетками, необходимо отделить их от растения и создать им все необходимые условия для успешного существования и размножения вне организма растения. Такой метод выращивания и размножения клеток носит название «культуры изолированных тканей» и получил особое значение из-за возможности применения в биотехнологии.

Биотехнологии в современном мире и жизни человека

Потенциал, который открывает биотехнология для человека, велик не только в фундаментальной науке, но и в других сферах деятельности и областях знаний. При использовании биотехнологических методов стало возможно массовое производство всех необходимых белков.

Значительно проще стали процессы получения продуктов ферментации. В будущем биотехнологии позволят улучшать животных и растений. Учеными рассматриваются варианты борьбы с наследственными болезнями при помощи генной инженерии.

Генная инженерия, как основное направление в биотехнологии, значительно ускоряет решение проблемы продовольственного, аграрного, энергетического и экологического кризисов.

Самое большее влияние биотехнология оказывает на медицину и фармацевтику. Прогнозируется, что в будущем станет возможным диагностика и лечение тех заболеваний, которые имеют статус «неизлечимых».

Этические аспекты некоторых достижений в биотехнологии

После того, как стало известно, что некоторые научные лаборатории не только проводили опыты на человеческих эмбрионах, но и пытались произвести клонирование людей - пошла волна бурного обсуждения этого вопроса не только среди ученых, но и среди обычных людей.

В биотехнологии можно выделить две этические проблемы, связанные с клонированием человека:

• терапевтическое клонирование (культивация человеческих эмбрионов для применения их клеток с целью лечения);
• репродуктивное клонирование (создание человеческих клонов).

Современные достижения и проблемы биотехнологии

При помощи биотехнологии было и будет получено огромное количество продуктов для здравоохранения, сельского хозяйства продовольственной и химической промышленности. Стоит упомянуть, что многие из продуктов никаким другим способом не могли быть получены.

Что касается проблем, так основным образом - это этические аспекты, связанные с тем, что общество отрицает и считает негативным клонирование человека или человеческого эмбриона.

Современное состояние и перспективы биотехнологии

В биотехнологии активно начала развиваться отрасль микробного синтеза ценных для человечества веществ. Это может повлечь за собой смену распределения роли продовольственной базы, основанной на растениях и животных, в сторону микробного синтеза.

Получение экологически чистой энергии при помощи биотехнологий - еще одно важное и перспективное направление в науке.

Компании, разрабатывающие новые биотехнологии

Журнал «Forbes» представил список самых инновационных компаний мира по разработке биотехнологий, в него вошли такие компании, как: «Genentech», «Novartis International AG», «Merck & Co», «Pfizer», «Sanofi», «Perrigo». Все эти компании напрямую связаны с фармацевтикой и развиваются именно в этом направлении.

Многие из компаний успешно принимают активное участие в развитии российского рынка биотехнологий:

1. «Novartis International AG» - компания занимается выведением вакцин и производством препаратов в сфере онкологии, одно из предприятий работает в СПб.
2. «Pfizer» - производит безрецептурные препараты в разных отраслях медицины. Pfizer уже несколько лет реализует в России программу «Больше, чем образование» по соглашениям с МГУ им. М.В. Ломоносова и Санкт-Петербургской государственной химико-фармацевтической академией.
3. «Sanofi» - компания занимается производством препаратов для лечения сахарного диабета и склероза. В России успешно работает уникальное предприятие компании - завод полного цикла по производству инсулинов «Санофи-Авентис Восток».

В России особая роль отводится Кластеру биомедицинских технологий Инновационного центра «Сколково», ОАО «РВК» и ОАО «Роснано». Фармацевтическими и медицинскими биотехнологиями занимаются компании ОАО «Акрихин», ООО «Герофарм», НПФ «Литех». Центр высоких технологий «Химрар» объединяет высокотехнологичные организации, ведущие разработки и производство инновационных 14 компаний, которые занимаются разработкой лекарственных препаратов на основе новейших «постгеномных» технологий.

Помимо этого, существуют и молодые стартапы, разрабатывающие новые биотехнологии:

• «3Д Биопринтинг Солюшенс» на основе трёхмерной биопечати создает органы из стволовых клеток пациента;
• «БиоМикроГели» предлагает разработки по очистке воды и почвы с помощью микрогелей.
• биомедицинский холдинг «Атлас» проводит анализ микробиоты организма в рамках проекта «OhmyGut».

Читайте другие наши статьи:

Посетители конференции Startup Village, прошедшей на минувшей неделе в Сколково, имели уникальную возможность заглянуть в то недалекое будущее, когда человечество, вынужденное пересмотреть рацион питания, начнет получать значительную долю белков за счет насекомых

На одном из стендов на выставке стартапов расположились производители кормового протеина из личинок мух, представляющие липецкую компанию «Новые Биотехнологии». Пока корм предназначен для животных, но в будущем блюда из насекомых, как следует из многочисленных прогнозов, перестанут быть экзотикой и в человеческом меню. Попробовать продукт с исключительными питательными свойствами на Startup Village отважились пятеро смельчаков. Корреспондент сайт не рискнул последовать их примеру, но зато подробно расспросил дегустаторов, каков он, вкус еды будущего, а заодно узнал, что окруженные теплом и заботой селекционеров мухи из Липецка становятся гораздо плодовитее своих сородичей.

Алексей Истомин с продукцией "Новых Биотехнологий" на Startup Village. Фото: сайт

«Новые Биотехнологии» специализируются на производстве высокобелкового корма из высушенных и измельченных личинок зеленых мясных мух по аналогии с тем механизмом, над выработкой которого природа трудилась миллионы лет. «Животные, рыбы, птицы размножаются, питаются, оставляют после себя навоз и помет, умирают, а природа все это неустанно перерабатывает.. - Мухи откладывают на отходах яйца, из них появляются личинки, которые выделяют ферменты, ускоряющие процесс разложения и минерализации отходов. При этом личинки сами становятся кормом для животных, рыб и птиц. А оставшийся субстрат под воздействием дождей и солнца в виде органического удобрения попадает в почву и способствует бурному росту фитомассы, которая также является кормом для всего живого. Иными словами, происходит рециркуляция питательных веществ, причем безо всяких пестицидов и ядов. Только органика».

Этот природный процесс и заимствовали в компании «Новые Биотехнологии». Получившаяся в результате применения технологии биомасса, личинки мух, обладают высоким содержанием питательных веществ. На 50-70% биомасса состоит из сырого протеина, 20-30% приходятся на сырой жир, 5-7% - это сырая клетчатка.

При описании положительного эффекта применения кормового белка (коммерческое название - «Зоопротеин») в разных отраслях сельского хозяйства Алексей Истомин был весьма убедителен. «В свиноводстве применение в микродозах белково-липидного концентрата в качестве добавки в рацион поросят, свиней, хряков позволяет повысить усвояемость пищи и естественную резистентность организма болезням и вирусам, увеличить привес, активность и приплод, - перечисляет преимущества корма из личинок мух г-н Истомин. - Это происходит за счет содержания в «Зоопротеине» большого количества ферментов, хитина, меланина, иммуномодуляторов. В птицеводстве включение нашего кормового белка в состав рациона для цыплят-бройлеров, индеек, уток и другой птицы позволяет повысить ежедневный привес и снизить кормовой коэффициент. У кур-несушек наблюдается повышение яйценоскости, возрастает резистентность организма к болезням и вирусам, снижается смертность». В звероводстве добавление «Зоопротеина» в корм норок, песцов, лисиц приводит к улучшению качества меха и снижению процента брака. Животные имеют большую длину тела и обхват груди, следовательно, из них можно получить большее количество шкурок.

Слева направо: готовый корм, высушенные и живые личинки. Фото: сайт

Появление корма из мух обрадует и владельцев домашних питомцев. По словам Алексея Истомина, «у кошек и собак легче проходит течка и линька, повышается мышечный тонус и активность, шерсть становится более плотной; животные меньше болеют». Здоровее при добавлении белка из личинок мух в корм становятся и домашние птицы, их окрас становится ярче. Мальки аквариумных рыбок развиваются в два раза быстрее, причем выживаемость мальков приближается к 100%.

Чудодейственная технология возникла не на пустом месте - ее теоретические основы были заложены еще полвека назад во Всесоюзном научно-исследовательском институте животноводства, а также в Новосибирском государственном сельскохозяйственном институте. Там в лабораторных условиях всесторонне изучали кормовые добавки из личинок мух. Сейчас работы в этом направлении продолжаются Новосибирском государственном аграрном университете, ВНИИЖ им. Л.К. Эрнста, Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова. По словам Алексея Истомина, эффективность использования белкового корма, полученного в результате переработки отходов личинками мух, по сравнению с другими животными белками (рыбная и мясо-костная мука) подтверждена исследованиями, проведенными во Всероссийском научно-исследовательском институте животноводства и Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институт птицеводства. Примечательно, что со временем актуальность этой технологии лишь растет, ведь мир столкнулся с острым дефицитом белков животного происхождения.

«То, что нам мешает, плохо пахнет и требует больших затрат, может помочь и работать на благо отечественного сельского хозяйства, принося дополнительную прибыль и снижая нагрузку на окружающую среду»

В компании «Новые Биотехнологии» его оценивают в 25 млн тонн; в России аналогичный показатель - 1 млн тонн. С 1961 года население Земли выросло более чем в два раза, а мировое потребление мяса - в 4 раза. По прогнозам, до 2030 года глобальное потребление животного белка увеличится на 50%. Пока в сельском хозяйстве его основными источниками являются рыба (рыбная мука) и мясо-костная мука. «Самая качественная рыбная мука производится в Марокко, Мавритании и Чили, и ее стоимость увеличивается пропорционально издержкам на логистику. Цена рыбной муки за последние 15 лет выросла в 8 раз, - делится статистикой Алексей Истомин. - Многие производители сельскохозяйственной продукции отказываются от качественной импортной рыбной муки в пользу более дешевых и менее качественных аналогов, а также переходят на мясо-костную муку или растительные белки, в частности, сою. Использование растительных белков не позволяет достичь желаемого результата - такой протеин требует большого количества земельных ресурсов и не может в полной мере заменить животный белок по составу».

Проект "Новых Биотехнологий" вызвал интерес у вице-премьера Аркадия Дворковича и губернатора Ростовской области Василия Голубева. Фото: сайт

Кроме экономических, есть и экологические предпосылки смены кормовой парадигмы. Так, для изготовления 1 тонны муки требуется выловить 5 тонн промысловой рыбы. Учитывая, что потребность в животных белках велика, вылов рыбы достиг значительных показателей (170 млн тонн в 2015-м году). Экосистема не успевает воспроизвести рыбные запасы в морях. При изготовлении одной тонны рыбной муки в атмосферу выделяется почти 11 тонн углекислого газа. Дополнительные расходы на экологию в этом случае оценивается в 3,5 тысячи долларов. При производстве одной тонны муки из личинок мух в атмосферу попадает в 5 раз меньше СО2. То есть каждая произведенная тонна белка из личинок мух сохраняет 5 тонн рыбы в море.

«Вкус необычный, не похож ни на что. Зато этот белок укрепляет иммунитет и способствует росту мышечной массы»

Задумавшись об альтернативных источниках животного белка, исследователи обратили внимание на насекомых. На планете - более 90 тысяч видов мух, и каждый из них питается определенными отходами: растительными, навозом/пометом, пищевые отходы и т.д. «То, что нам мешает, плохо пахнет и требует больших затрат, - экологических, финансовых, энергетических - может помочь и работать на благо отечественного сельского хозяйства, принося дополнительную прибыль и снижая нагрузку на окружающую среду», - говорит Алексей Истомин. По крайне мере, опытное производство компании «Новые Биотехнологии» в Липецке доказывает перспективность использования технологии в промышленных условиях.

Фарш из Люси

Известные многим металлически-зелёные яркие мухи Lucilia caesar (в компании этот вид насекомым ласково именуют Люсей) на производстве в Липецке содержатся в специальных инсектариях. Там живет несколько десятков миллионов мух. Это во многом уникальные насекомые. Чтобы улучшить их репродукционные способности, ученые более двух лет вели кропотливую селекционную работу, по определенной методике скрещивая насекомых. Если в природе одна муха делает кладку в 60 яиц, то у липецких насекомых кладка (и, следовательно, количество личинок и получившегося из них корма) - в среднем в три раза больше. Никаких генетических манипуляций над мухами специалисты «Новых Биотехнологий» не производят, речь идет о «традиционной» селекции, уверяет г-н Истомин.Показывая на затянутую мелкой сеткой клетку-садок с роящимися насекомыми на стенде, он продолжает: «Еще вчера здесь было всего 6 мух; всего за сутки их количество достигло несколько сотен. Это стало возможным благодаря правильному подбору цикла развития кукол, называемых еще пупариями. Мы подгадали цикл таким образом, чтобы сегодня их стало намного больше. Завтра их количество еще подрастет». Отчасти этот процесс сдерживался не слишком подходящей погодой: оптимальная температура для превращения куколки в муху - около 30-ти градусов. Несмотря на то, что на Startup Village по ночам насекомых заносили в помещение, температура там была ниже.

На производстве в Липецке мухам - полное раздолье. Фото: "Новые Биотехнологии".

На производстве в Липецке мухам - полное раздолье, там их оберегают и от неблагоприятных условий, и от стресса. Мухи содержатся в специальных клетках-садках, в которых есть вода, сахар, сухое молоко и боксы с мясным фаршем, где мухи делают кладки яиц. Кладки вынимают ежесуточно. Контроль качества и чистоты популяции осуществляет главный технолог. Для этого отбирают личинки, которые в специальных условиях окукливаются и в виде куколок хранятся в холодильной камере. При необходимости куколки помещают в клетки инсектария, и через некоторое время из них появляются мухи.

Как только из яиц появились личинки, их перемещают в выростной цех. В специальных лотках на подстилке из опилок размещают кормовой субстрат и кладки яиц. Личинки очень прожорливы и быстро растут, увеличиваясь в размере до 350 раз за сутки. Период откармливания и активного роста составляет 3-4 суток. Затем выросшие личинки оказываются на выгонке. Так называют процесс отделения личинок от органического субстрата. После биомассу высушивают и отправляют на хранение.

Мухи растут на мясе с птицефабрики, которая находится недалеко от опытного производства компании «Новые биотехнологии». Личинки, выращенные на мясе птицы, обладают более высокими показателями содержания питательных веществ, чем те, которые культивировались на навозе и помёте. При этом запасов мяса должно быть много - чтобы произвести 1 кг «Зоопротеина», необходимо вырастить 3,5 кг живых личинок, для чего требуется 10 кг мясных отходов.

С 1961 года население Земли выросло более чем в два раза, а мировое потребление мяса - в 4 раза. По прогнозам, до 2030 года глобальное потребление животного белка увеличится на 50%

«Среднестатистический падеж на птицефабриках составляет 5% от общего поголовья. Такой вид отходов доставляет большое количество хлопот птицеводческим хозяйствам. Это и экологические вопросы (надо утилизировать), и финансовые (за утилизацию надо платить), и организационные (собирать, хранить, доставлять, учитывать). Поэтому применение нашего метода наиболее эффективно непосредственно на птицефабрике, что позволяет делать производство птицы безотходным, - пояснил Алексей Истомин. - В целом, рост объемов сельскохозяйственного производства неминуемо влечёт за собой увеличение негативного влияния на окружающую среду. По данным Минсельхоза, в России общая площадь земель, загрязненных сельскохозяйственными отходами, превышает 2,4 млн гектаров. В 2015-м году суммарное количество таких отходов превысило 380 млн тонн. В стране практически отсутствует культура переработки отходов сельского хозяйства. Счет таким производствам идет на единицы».

Опытное производство в Липецке. Фото: "Новые Биотехнологии"

Сложность промышленного внедрения технологии обусловлена, прежде всего, административными и экологическими факторами. «За границей, в частности, в Китае и Индонезии используется бассейновый («открытый») метод, поясняет Истомин. - Он неприемлем в наших условиях, поскольку личинки в процессе жизнедеятельности вырабатывают большое количество аммиака. В нашем проекте предложен «закрытый» метод с использованием выростных шкафов для мух, оборудованных локальной вытяжной вентиляцией, микробиологическим фильтром для очистки воздуха, особыми системами приготовления сырья, инфракрасной сушки. Все это позволяет максимально выполнить требования, предъявляемые к экологической безопасности».

Личинки очень прожорливы и быстро растут, увеличиваясь в размере до 350 раз за сутки. Фото: "Новые Биотехнологии"

Сейчас компания «Новые Биотехнологии» находится в процессе получения статуса резидента «Сколково». Команда рассчитывает на помощь Фонда главным образом в сертификации продукции. В России отсутствует нормативная база, связанная с регламентацией использования технологии переработки отходов личинками мух, поэтому, рассказывает Алексей Истомин, «приходится изощряться». При этом контролирующие инстанции констатируют безопасность продукции: «Липецкая облветлаборатория» производит исследования живой биомассы на наличие сальмонелл, генома возбудителей орнитоза и гриппа у птиц, яиц и личинок гельминтов. У высушенной биомассы личинок мух определяется массовая доля сырого протеина, массовая доля сырого жира, влажность и токсичность. «Тульская межобластная ветеринарная лаборатория» проводит исследования органического удобрения зоогумуса на наличие патогенной флоры. Результаты каждого исследования оформлены протоколом».

Собеседник сайт убежден: в обозримом будущем со вкусом белка из насекомых познакомятся на только животные, но и люди. Эту точку зрения разделяет все больше специалистов. Так, три года назад Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН выпустила исследование, в котором говорилось, что в рационе 2 миллиардов человек в той или иной степени насекомые присутствуют уже сейчас. Чтобы справиться с голодом и загрязнением окружающей среды, человечеству следует есть больше насекомых, призвали составители отчета.

Тем более что, как свидетельствует личный опыт Алексея Истомина, это не так страшно. Вот уже несколько месяцев он добавляет столовую ложку белка из насекомых в утренний шейк из молока, банана и прочих традиционных ингредиентов. «Вкус необычный, не похож ни на что. Зато укрепляет иммунитет и способствует росту мышечной массы», - рассказывает Алексей.

Baklanov Mikhail and 8 others like this" data-format="people who like this" data-configuration="Format=%3Ca%20class%3D%27who-likes%27%3Epeople%20who%20like%20this%3C%2Fa%3E" >

- 20.37 Кб

Современные достижения биотехнологий

Выполнил:

Проверил:

2011г.

Биотехнология – это область человеческой деятельности, которая характеризуется широким использованием биологических систем всех уровней в самых разнообразных отраслях науки, промышленного производства, медицины, сельского хозяйства и других сферах.

Революционизирующим этапом в развитии биотехнологии стало использование генных и клеточных биотехнологий, которые бурно развивались в последние десятилетия и уже существенно повлияли на разные аспекты жизни человека: здоровье, медицину, питание, демографию, экологию.

Первыми продуктами генных биотехнологий стали биологически активные белки, широко используемые сегодня в медицине в качестве лекарственных средств. Раньше с помощью традиционной биотехнологии различные биологические соединения получали путём переработки больших количеств микробного, животного или растительного материала, используя природную способность организмов синтезировать эти соединения. Так, для лечения диабета ранее использовали инсулин, который выделяли из поджелудочных желез свиней. Такой инсулин был дорогим и, кроме того, малоэффективным. Ситуация сильно изменилась с момента получения в 1982 году в США первого генно- инженерного инсулина человека, синтезируемого клетками кишечной палочки.

В настоящее время в практической медицине используются многие биофармацевтические препараты, полученные с помощью генно-клеточной биотехнологии. Наряду с инсулином уже производят разные интерфероны, интерлейкины, лекарства от гемофилии, противораковые и обезболивающие средства, незаменимые аминокислоты, гормон роста, моноклональные антитела и многое другое. И этот список ежегодно пополняется десятками наименований. В лабораториях и клиниках всего мира постоянно идет интенсивный поиск и испытание новых препаратов, в том числе от таких опаснейших болезней, как сердечные заболевания, различные формы рака, СПИД и разнообразные вирусные инфекции. По оценкам специалистов, сегодня с помощью генных биотехнологий выпускается около 25% всех лекарственных средств в мире.

Важным этапом развития современной генно-клеточной биотехнологии стало разработка методов получения трансгенных животных и растений (их также называют генетически модифицированными организмами, сокращенно ГМО). Трансгенный организм – это организм во всех отношениях подобный нетрансгенному, обычному, но содержащий во всех клетках среди десятков тысяч своих собственных генов 1 (редко 2) дополнительный ген (его называют трансген), несвойственный ему в природе.

Технология создания трансгенных растений привела к революции в области растениеводства. Она позволила получать растения, устойчивые к ряду высоко патогенных вирусов, грибковым и бактериальным инфекциям, насекомым-вредителям, созданию растений с высоким содержанием витамина А, устойчивых к холоду, засоленности почв, засухе, растений с улучшенным содержанием и составом белков и т.д. Так, вмешиваясь в генетические программы растений, можно придавать им функции устойчивости к различным неблагоприятным стрессовым факторам окружающей среды. Использование ГМО существенно повысило эффективность сельского хозяйства, и потому эта технология оказалась востребованной рынком, где другие возможности повышения продуктивности (удобрения, ядохимикаты и т. п.) во многом уже исчерпали себя.

В 1994 г. после тщательных всесторонних полевых испытаний в США была разрешена коммерческая продажа первого трансгенного пищевого растения – помидора с уникальным свойством: он может месяцами лежать в недоспелом виде при температуре 12 °С, но как только попадет в тепло, он дозревает буквально за несколько часов. С тех пор на рынок было выпущено много других трансгенных растений; уже удалось получить множество различных форм сои, картофеля, томатов, табака, рапса, устойчивых к разнообразным сельскохозяйственным вредителям. Например, получен трансгенный картофель недоступный для пожирания колорадским жуком. В этом картофеле происходит синтез одного из белков почвенных бактерий, который токсичен для жука, но совершенно безвреден для человека. Имеются трансгенные растения, способные самостоятельно, без помощи микроорганизмов, фиксировать азот, соддан «золотой» рис с повышенным содержанием витамина А и др.

В мире уже существуют стада трансгенных коз и коров, у которых в молочной железе синтезируются полезные с медицинской точки зрения вещества, которые потом выделяются с молоком этих животных. Сегодня лекарством служит молоко трансгенных животных, которое содержит такие белки, как инсулин, гормон роста человека, антитромбин, интерферон. В России, например, генными технологами создана порода овец, вырабатывающих вместе с молоком и фермент, необходимый в производстве сыра; российские ученые совместно с коллегами из Бразилии успешно работают над созданием трансгенных коз, молоко которых будет содержать фармацевтический продукт под названием гранулоцит- колониестимулирующий фактор, необходимый для лечения различных заболеваний крови, потребности в котором в мире огромны.

Во многих научных центрах ведутся работы по созданию трансгенных животных, используемых в качестве моделей разнообразных наследственных заболеваний человека. Уже получены трансгенные лабораторные животные с повышенной частотой возникновения опухолей, выведены линии животных, в организме которых воспроизводятся такие заболевания человека, как серповидно-клеточная анемия, диабет, нейрологические заболевания, артрит, желтуха, сердечно-сосудистые и ряд наследственных болезней. Такие животные-модели позволяют глубже понять природу различных патологий человека и осуществить на их основе поиск эффективных лекарственных средств.

Технология трансгеноза в перспективе может быть применена также для создания трансгенных животных, которые могут быть использованы в качестве источников органов и тканей для трансплантологии (у них, в частности, инактивированы антигены, ответственные за тканесовместимость). Уже начаты исследования в этой области на свиньях, которые рассматриваются в качестве возможных кандидатов для трансплантации их органов человеку. Трансгенные растения также планируются использовать в медицинских целях. Например, на их основе разрабатываются вакцины, которые получили название «съедобных». Для этого в растение вводят тот или иной вирусный ген, который обеспечивает синтез соответствующего белка, обладающего свойством антигена. Употребление этого растения в пищу позволяет человеку постепенно приобретать иммунитет к тому или иному вирусу. Другой пример: в Японии создан сорт риса, который позволит больным сахарным диабетом обходиться без лекарств, так как его употребление стимулирует синтез поджелудочной железой собственного инсулина.

Вероятно, именно заметные успехи в области создания ГМО послужили толчком для возникновения в 1990 году еще одного важного направления генно- клеточной биотехнологии – генной терапии. С помощью генной терапии в клетки, которые страдают от нарушения работы гена, можно доставить «хороший» ген, способный компенсировать работу «плохого». Правда, иногда болезнь вызывается избыточной работой отдельных генов, несвойственных нормальной клетке (например, при вирусной инфекции). В таких случаях следует наоборот подавить работу «вредного» гена. Один из наиболее перспективных подходов к этому – РНК-интерференция – процесс подавления работы гена с помощью фрагментов молекул РНК, механизм которого раскрыт А. Файром и К. Мелло (и снова Нобелевская премия по физиологии и медицине за 2006 год). Все это и пытаются делать сегодня с помощью генной терапии. Мишенью для генной терапии могут быть как клетки тела (соматические клетки), так и зародышевые клетки (яйцеклетки, сперма). В случае наследственных заболеваний более подходящими для генной терапии могли бы стать зародышевые клетки, исправление которых должно сохраняться и у потомства. Однако в практическом плане сейчас больший интерес представляет соматическая терапия, а генная терапия зародышевых клеток - это проблема отдаленного будущего, хотя в действительности наследственные болезни можно было бы вылечить раз и навсегда, воздействуя именно на половые клетки или клетки эмбрионов на ранних стадиях развития. Введенный ген, попадая в результате искусственного переноса во множество интенсивно делящихся клеток эмбриона, способен предотвратить развитие заболевания. Но этот вид генной терапии связан с целым рядом проблем как технических, так и, главным образом, этических. В частности, высказываются опасения, что такой подход можно будет использовать для производства нового поколения «детей на заказ».

Реальностью в настоящее время представляется только генная терапия, направленная на соматические клетки взрослого организма. Из общего числа известных заболеваний человека около 30-40% составляют так называемые генетические или наследственные болезни. Многие из этих патологий связаны с нарушением работы одного единственного гена. Генная терапия применима в первую очередь к таким заболеваниям, поскольку в этих случаях процесс лечения существенно облегчается. В настоящее время, используя информацию о структуре генома человека и его отдельных генов, ученые осуществляют широкомасштабный поиск средств лечения многих традиционно считавшихся фатальными для человека наследственных и приобретенных болезней, для которых известен «плохой» ген и/или его продукт. В первую очередь это такие заболевания как гемофилия, муковисцидоз, дефицит аденозиндезаминазы, миодистрофия Дюшенна, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, различные кардио-васкулярные патологии и др. Так, в США и Великобритании были проведены испытания на пациентах с дефектом гена, который кодирует белок, необходимый для нормальной работы сетчатки. В ходе операций этим пациентам вводили «здоровые» копии поврежденного гена в заднюю часть одного глаза. Через полгода пациенты, которые до генной терапии могли различать лишь движения рук, стали способны видеть все линии на таблице проверки зрения. Имеются определенные успехи и при использовании генной терапии для лечения ряда ненаследственных патологий (отдельные формы рака, ишемия) и инфекционных заболеваний (СПИД, гепатит). В настоящее время в разных странах мира уже одобрено свыше 600 протоколов клинических испытаний с использование генной и генно-клеточной терапии.

Технология генной терапии претерпела за прошедшие годы значительные изменения. На первых этапах для перенесения генов в организм полагались в основном на природную способность вирусов, несущих терапевтический ген, проникать и размножаться в клетках. Сейчас пришла пора принять в этом участие нанобиотехнологии. Уже начаты разработки подходов к направленному переносу генов в определенные виды клеток с помощью наночастиц, содержащих на своей поверхности антитела к специфическим антигенам этих клеток. Такие «нагруженные» генами и антителами наночастицы целенаправленно движутся в организме к пораженным местам и оказывают целевой терапевтический эффект. Однако при всех положительных результатах, полученных с помощью генной терапии, она пока остается малоэффективной. Остаются нерешенными такие ключевые проблемы, как целевая доставка генов, длительное и эффективное их функционирование в пораженных тканях. Будущее генной терапии во многом зависит от решения этих проблем.

Успеху генных биотехнологий в значительной мере способствовало параллельное развитие с ними клеточных биотехнологий. Одним из важных достижений стало получение и культивирование стволовых клеток. В конце 70-х прошлого века были получены убедительные данные о возможности применения трансплантации стволовых клеток костного мозга при лечении острых лейкозов. С этого времени началась новая эра в медицине. Сначала из эмбрионов мышей, а потом из эмбрионов человека были получены так называемые эмбриональные стволовые клетки. Последнее событие было признано одним из трех наиболее значимых достижений в биологии за XX век (наряду с открытием двойной спирали ДНК и полной расшифровкой генома человека).

Существенный прогресс в современной биотехнология произошел в связи с разработкой технологии репродуктивного клонирования животных организмов, т.е. получения искусственным путем идентичных копий таких организмов. Около 10 лет назад был поднят неимоверный шум вокруг рождения овцы Долли, о которой теперь знают все.

Биоинженерия – одно из перспективнейших научных направлений, при помощи которой можно создать новые органы или даже части тела для их дальнейшей пересадки живому человеку. В отдаленной перспективе биоинженерия позволит больному человеку получить новый глаз, сердце и другие жизненно необходимые органы.

Многие считают, что биоинженеры пытаются «играть в Бога», а их достижения могут быть использованы не для спасения жизней, а для совершенствования человеческого тела вопреки законам природы. Сейчас это кажется фантастикой, но последние достижения биоинженерии говорят об обратном.

Ухо

Человеческое ухо является достаточно сложным по своему строению органом. Однако биоинженерия, как оказалось, способна на многое. Так, ученым Принстонского университета во главе с доцентом Майклом МакАлпайном удалось-таки создать искусственное человеческое ухо, которое они представили в мае 2013 года. Для этого биоинженеры использовали технологию трехмерной печати, при помощи которой создали ухо из животных клеток с применением электронных приборов. Если его пересадить человеку, то он сможет улавливать ранее недоступные ему радиочастоты.

Кровеносные сосуды

Кровеносная система человека представляет собой очень сложный механизм, сбой в которой грозит диабетом, сердечно-сосудистыми и почечными заболеваниями. Но биоинженерия творит чудеса. В 2011 году специалистам компании Cytograft Tissue Engineering удалось создать искусственные кровеносные сосуды. Они были вживлены трем пациентам, страдающим почечными заболеваниями. Результаты эксперимента поразили ученых: через 8 месяцев после операции созданные при помощи биоинженерии кровеносные сосуды по-прежнему исправно работали.

Сердце

В 1980-х годах кардиохирурги совершили настоящий прорыв, пересадив человеку искусственное сердце. Конечно, живое сердце трудно заменить, но с развитием науки достижения биоинженерии позволили усовершенствовать искусственное сердце использованием биологических материалов, а специалистам Массачусетского технологического института и вовсе удалось напечатать сердце на 3D-принтере из клеток грызунов. Будем надеяться, что уже скоро достижения биоинженерии позволят «напечатать» искусственное человеческое сердце, не уступающее настоящему.

Печень

Биоинженерия уже близка к созданию искусственной человеческой печени. Так, миниатюрные образцы этого органа были созданы в 2010 году специалистами Балтийского медицинского центра при Университете Уэйк Форест с применением животных и человеческих клеток. Кроме того, в Йокогамском университете был проведен эксперимент, в результате которого были созданы «зародыши» печени. Но для создания функционирующего органа потребуются тысячи таких элементов.

Трахея

Пусть биоинженерия пока и не может дать человечеству искусственную печень, но создать трахею она в состоянии. Так, в американском штате Иллинойс 2,5-летней Ханне Уоррен была пересажена искусственно выращенная трахея. Операция прошла удачно, но 7 июля 2013 года девочка скончалась в результате сделанной ранее операции на пищевод.

Межпозвоночные диски

Даже небольшое смещение межпозвоночных дисков приводит, в лучшем случае, к сильнейшим болям в спине, а в худшем – без хирургического вмешательства не обойтись. Но в результате операции врачи просто соединяют позвонки между собой, лишая человека подвижности. В редких случаях используются искусственные диски, которые быстро изнашиваются. К счастью, и здесь биоинженерия оправдала все ожидания. В этом году специалисты Университета Дьюка создали диск, который при вживлении в междисковое пространство способен восстанавливать соответствующие ткани, фактически выращивая межпозвоночный диск в теле пациента.

Кишечник

Использование коллагена и стволовых клеток позволило биоинженерии создать небольшой искусственный кишечник. Однако для создания полноценного органа ученым еще далеко.

Почка

Почка – один из самых востребованных органов. Только в США около 60 тысяч пациентов, страдающих от почечной недостаточности, стоят в очереди на пересадку почки. Возможно, эту проблему удастся решить специалистам Калифорнийского университета. Используя последние достижения биоинженерии, они работают над созданием искусственной почки, сделанной на основе силиконовых нанофильтров и клеток человеческой почки. Уже в 2017 году ученые надеются провести испытания этого устройства.