Что такое биотехнология: будущее уже наступило. Биотехнологии Примеры биотехнологии

В последнее десятилетие термин «биотехнология» все чаще появляется в заголовках новостей, а открытия в этой области становятся причиной для жарких споров. Действительно, свое наибольшее развитие наука получила именно в последние годы, и этому в большей степени способствовал технический прогресс, но в повседневной жизни биотехнология используется на протяжении многих веков.

История развития биотехнологии

С древнейших времен биотехнология применялась человеком для изготовления вина, в сыроварении и других вариантах приготовления пищи. Биотехнологический процесс, а именно брожение, использовался еще в древнем Вавилоне для производства пива. Об этом свидетельствуют найденные при раскопках записи на дощечках. Но, несмотря на активное использование этих методов, процессы, лежавшие в основе этих производств, оставались загадкой.

Луи Пастер в 1867 году говорил, что такие процессы, как сквашивание и брожение, есть ничто иное, как итог жизнедеятельности микроорганизмов. Эдуард Бухнер дополнил эти предположения, доказав, что катализатором является бесклеточный экстракт, который содержит ферменты, вызывающие химическую реакцию.

Позже были сделаны сенсационные по тем временам открытия, которые помогли сформировать данную науку в современном ее понимании:

1865 год австрийский монарх Грегор Мендель представил свой доклад «Опыты над растительными гибридами», где были описаны закономерности передачи наследственности;
в 1902 году Теодор Бовери и Уолтер Саттон высказали предположение о том, что передача наследственности напрямую связана с хромосомами.

Годом появления термина стал 1919, после публикации манифеста венгерским агроэкономистом Карлом Эреки. Основываясь на имеющиеся в то время данные, под термином биотехнология подразумевалось применение микроорганизмов для ферментации продуктов питания.

Но, как известно, самые интересные открытия совершаются на стыке знаний, в случае биотехнологии, объединились пищевая и нефтеперерабатывающая промышленность. В 1970 году на практике была опробована технология производства белка из отходов нефтепромышленности.

Что такое биотехнология: термин и основные виды

Биотехнология – наука о способах создания различных веществ с использованием естественных биологических компонентов, будь-то микроорганизмы, животные или растительные клетки. По сути, это манипулирование живыми клетками для получения определенных результатов.

Основными направлениями развития науки являются:

Биоинженерия – дисциплина, направленная на расширение знаний в области медицины (лечение, укрепление здоровья) и инженерии

Биомедицина – узкоспециализированный раздел медицины, который с теоретической точки зрения изучает строение человеческого организма, диагностику патологических состояний и возможности их коррекции. Раздел медицины, занимающийся контролем и лечением биологических систем живых организмов на молекулярном уровне, называется наномедициной.

Гибридизация — процесс получения гибридов (растений, животных). В основе лежит принцип получения одной клетки (устойчивой к тем или иным условиям) путем объединения других клеток.

Сейчас у нас уже есть средства необходимые для того, чтобы прожить достаточно долго до тех пор, пока мы не станем бессмертны. Можно агрессивно применять существующие знания, чтобы кардинально замедлить процессы старения, и оставаться в жизнеспособном состоянии до того момента, когда станут доступны совершенно радикальные терапии по продлению жизни с помощью био- и нанотехнологий.
Ray Kurzweil (изобретатель, футуролог)

Высшим достижением биотехнологии является генная инженерия. Генная инженерия – совокупность знаний и технологий получения РНК и ДНК, выделения генов из клеток, осуществление манипуляций с генами и введение их в другие организмы. Это «управление» геномом живого существа или растения с целью получения заданных свойств. Например, руководствуясь знаниями в области генной инженерии, китайские ученые планируют массово применять метод «исправления» генома людей с онкологическими заболеваниями. Однако, запускать полномасштабные проекты пока никто не спешит, т.к. на сегодняшний день невозможно спрогнозировать последствия для организма в долгосрочном периоде.

Особого внимания заслуживает клонирование. Под этим процессом понимают появление нескольких генетических идентичных организмов путем бесполого (в том числе вегетативного) размножения. На сегодняшний день были клонированы не только растения, но и несколько десятков видов животных (овцы, собаки, кошки, лошади). О фактах клонирования человека пока нет данных, хотя, по мнению ученых, с технической стороны – к процессу все готово. Именно эти разработки стали самыми противоречивыми и обсуждаемыми мировой общественностью. Дело не только в вероятности получения неполноценных людей, но и в этической и религиозной стороне вопроса.

Сфера применения

Принципы биотехнологических процессов внедряют в производство всех отраслей:

пищевая промышленность. Производство алкоголя, аминокислот, ферментов безвредным для окружающей среды способом, называется белой биотехнологией.
химическая или фармацевтическая. Это направление еще называют красной биотехнологией. Биотехнологи разрабатывают усовершенствованные лекарственные препараты, вакцины и сыворотки против болезней, которые ранее считались неизлечимыми. В западных странах и в частности в Австрии наука пользуется большой популярностью и активно используется для диагностики различных заболеваний (биосенсоры, чипы ДНК).
переработка и утилизация отходов (биоремедиация). Методы серой биотехнологии используются для санации почв, очистки канализационных стоков и отработанного воздуха.
сельское хозяйство. Зеленая биотехнология позволяет ученым создавать образцы культурных растений, которые способны противостоять болезням и грибкам, с высоким уровнем урожайности вне зависимости от климатических условий (во время засухи). Кроме того, ученые научились использовать определенные ферменты, которые превращают целлюлозные отходы сельского хозяйства в глюкозу, а после в топливо.

Основной целью клеточной инженерии является культивирование животных и растительных клеток. Открытия в области клеточной инженерии позволили контролировать и регулировать продуктивность, качество, устойчивость к заболеваниям новых форм и линий животных и растений.

Инвестиции и развитие

Хотя биотехнологию сложно назвать «молодой» наукой, именно сегодня она находится в начале своего развития. Направления и возможности, которые открываются благодаря развитию этих знаний, могут быть бесконечными. Могут, если получат должное финансирование и поддержку. Основными инвестиционными участниками направления являются сами инженеры и биотехнологии, и это вполне объяснимо. Сегодня предлагается не сам продукт, а скорее идея, и возможные методы ее реализации.

И для осуществления этой задумки нужны десятки и сотни экспериментов, опыты и дорогостоящее оборудование. Не каждый инвестор готов идти только за идеей, рискуя своими вложениями. Но ведь не все верили и в мобильную связь, а сегодня она повсюду.

На данный момент число крупных компаний, занимающихся биотехнологическими разработками, невелико. К таковым относятся:

Illumina (генетические исследования, анализы, технология ДНК-микрочипов),
Oxford Nanopore (разработка и продажа продукции для взаимодействия с ДНК),
Roche (фармацевтическая компания),
Editas Medicine (адаптацией лабораторных методик редактирования генов к широкомасштабному применению в больницах),
Counsyl (предложила недорогой метод автоматизированного анализа ДНК для последующего использования данных в лечении).

По мнению экспертов, наиболее привлекательным направлением для инвестиций в биотехнологию являются компании, занимающиеся секвенированием. Это общее название методов, которые позволяют установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Расшифровка ДНК данных (секвенирование), дает возможность идентифицировать участки, которые отвечают за наследственные заболевания, и устранять их. Как только процесс будет доведен до совершенства, люди смогут не лечить симптомы, а избавляться от болезни. Это перевернет наше представление о диагностике, и принесет большие дивиденды тем, кто сумеет рассмотреть потенциал компании еще на этапе идеи.

Биотехнология: добро или зло?

Уже сегодня население планеты сталкивается с проблемой нехватки продуктов питания, и если численность людей продолжит расти, то в ближайшем будущем ситуация может стать критической. Знания о том, что такое биотехнология и как ее применять, помогают получать максимальные результаты урожайности, вне зависимости от внешних факторов. И эти достижения нельзя сбрасывать со счетов. Кроме того, неоспоримым доказательством пользы науки является изобретение антибиотиков, которые позволили контролировать, а в некоторых случаях и полностью искоренять, сотни болезней.

Но далеко не все оценивают науку однозначно. Существуют опасения, что отсутствие контроля может привести к необратимым последствиям. Например, уже сегодня продукты биотехнологии, такие как стероиды для спортсменов, становятся причиной для преждевременных сердечных патологий. В погоне за созданием супер-человека, победившего старость и болезни, общество рискует потерять свое естество.

Мы не остались жить в пещерах. Мы не остаемся в пределах нашей планеты. С помощью биотехнологии, генетического секвенирования, мы даже не собираемся ограничиваться рамками самой биологии.
Jason Silva (оратор, философ, телезвезда).

Развитие биотехнологии стало таким стремительным, что мировые государства столкнулись с проблемой отсутствия контроля на правовом уровне. Это стало причиной приостановления многих проектов, поэтому пока о клонировании человека и победе над смертью говорить преждевременно, и два конфронтационных лагеря могут беспрепятственно поддаваться философским размышлениям.

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:

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

«Novartis International AG» - компания занимается выведением вакцин и производством препаратов в сфере онкологии, одно из предприятий работает в СПб.
«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.
«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:

Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году. Отдельные элементы биотехнологии появились достаточно давно. По сути, это были попытки использовать в промышленном производстве отдельные клетки (микроорганизмы) и некоторые ферменты, способствующие протеканию ряда химических процессов.

Так, в 1814 году петербургский академик К. С. Кирхгоф открыл явление биологического катализа и пытался биокаталитическим путём получить сахар из доступного отечественного сырья (до середины XIX века сахар получали только из сахарного тростника). В 1891 году в США японский биохимик Дз. Такамине получил первый патент на использование ферментных препаратов в промышленных целях: учёный предложил применить диастазу для осахаривания растительных отходов.

В начале XX века активно развивалась бродильная и микробиологическая промышленность. В эти же годы были предприняты первые попытки использовать ферменты в текстильной промышленности.

В 1916–1917 годах русский биохимик А. М. Коленев пытался разработать способ, который позволил бы управлять действием ферментов в природном сырье при производстве табака.

Огромный вклад в дело практического использования достижений биохимии внёс академик А. Н. Бах, создавший важное прикладное направление биохимии – техническую биохимию. А. Н. Бах и его ученики разработали множество рекомендаций по улучшению технологий обработки самого различного биохимического сырья, совершенствованию технологий хлебопечения, пивоварения, виноделия, производства чая и табака и т. п., а также рекомендации по повышению урожая культурных растений путём управления протекающими в них биохимическими процессами.

Все эти исследования, а также прогресс химической и микробиологической промышленности и создание новых промышленных биохимических производств (чая, табака и т. п.) были важнейшими предпосылками возникновения современной биотехнологии.

В производственном отношении основой биотехнологии в процессе её формирования стала микробиологическая промышленность. За послевоенные годы микробиологическая промышленность приобрела принципиально новые черты: микроорганизмы стали использовать не только как средство повышения интенсивности биохимических процессов, но и как миниатюрные синтетические фабрики, способные синтезировать внутри своих клеток ценнейшие и сложнейшие химические соединения. Перелом был связан с открытием и началом производства антибиотиков.

Первый антибиотик – пенициллин – был выделен в 1940 году. Вслед за пенициллином были открыты и другие антибиотики (эта работа продолжается и поныне). С открытием антибиотиков сразу же появились новые задачи: налаживание производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня доступности новых лекарств, получением их в очень больших количествах, необходимых медицине.

Синтезировать антибиотики химически было очень дорого или вообще невероятно трудно, почти невозможно (недаром химический синтез тетрациклина советским учёным академиком М. М. Шемякиным считается одним из крупнейших достижений органического синтеза). И тогда решили для промышленного производства лекарственных препаратов использовать микроорганизмы, синтезирующие пенициллин и другие антибиотики. Так возникло важнейшее направление биотехнологии, основанное на использовании процессов микробиологического синтеза.

Виды биотехнологии

Биоинженерия

Биоинженерия или биомедицинская инженерия – это дисциплина, направленная на углубление знаний в области инженерии, биологии и медицины и укрепление здоровья человечества за счёт междисциплинарных разработок, которые объединяют в себе инженерные подходы с достижениями биомедицинской науки и клинической практики. Биоинженерия/биомедицинская инженерия – это применение технических подходов для решения медицинских проблем в целях улучшения охраны здоровья. Эта инженерная дисциплина направлена на использование знаний и опыта для нахождения и решения проблем биологии и медицины.

Биоинженеры работают на благо человечества, имеют дело с живыми системами и применяют передовые технологии для решения медицинских проблем. Специалисты по биомедицинской инженерии могут участвовать в создании приборов и оборудования, в разработке новых процедур на основе междисциплинарных знаний, в исследованиях, направленных на получение новой информации для решения новых задач.

Среди важных достижений биоинженерии можно упомянуть разработку искусственных суставов, магниторезонансной томографии, кардиостимуляторов, артроскопии, ангиопластики, биоинженерных протезов кожи, почечного диализа, аппаратов искусственного кровообращения. Также одним из основных направлений биоинженерных исследований является применение методов компьютерного моделирования для создания белков с новыми свойствами, а также моделирования взаимодействия различных соединений с клеточными рецепторами в целях разработки новых фармацевтических препаратов («drug design»).

Биомедицина

Раздел медицины, изучающий с теоретических позиций организм человека, его строение и функцию в норме и патологии, патологические состояния, методы их диагностики, коррекции и лечения. Биомедицина включает накопленные сведения и исследования, в большей или меньшей степени общие медицине, ветеринарии, стоматологии и фундаментальным биологическим наукам, таким, как химия, биологическая химия, биология, гистология, генетика, эмбриология, анатомия, физиология, патология, биомедицинский инжиниринг, зоология, ботаника и микробиология.

Слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя наноустройства и наноструктуры. В мире уже созданы ряд технологий для наномедицинской отрасли. К ним относятся адресная доставка лекарств к больным клеткам, лаборатории на чипе, новые бактерицидные средства.

Биофармакология

Раздел фармакологии, который изучает физиологические эффекты, производимые веществами биологического и биотехнологического происхождения. Фактически, биофармакология – это плод конвергенции двух традиционных наук – биотехнологии, а именно, той её ветви, которую именуют «красной», медицинской биотехнологией, и фармакологии, ранее интересовавшейся лишь низкомолекулярными химическими веществами, в результате взаимного интереса.

Объекты биофармакологических исследований – изучение биофармацевтических препаратов, планирование их получения, организация производства. Биофармакологические лечебные средства и средства для профилактики заболеваний получают с использованием живых биологических систем, тканей организмов и их производных, с использованием средств биотехнологии, то есть лекарственные вещества биологического и биотехнологического происхождения.

Биоинформатика

Совокупность методов и подходов, включающих в себя:

математические методы компьютерного анализа в сравнительной геномике (геномная биоинформатика);
разработка алгоритмов и программ для предсказания пространственной структуры белков (структурная биоинформатика);
исследование стратегий, соответствующих вычислительных методологий, а также общее управление информационной сложности биологических систем.

В биоинформатике используются методы прикладной математики, статистики и информатики. Биоинформатика используется в биохимии, биофизике, экологии и в других областях.

Бионика

Прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги. Проще говоря, бионика – это соединение биологии и техники. Бионика рассматривает биологию и технику совсем с новой стороны, объясняя, какие общие черты и какие различия существуют в природе и в технике.

Различают :

биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;
теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;
техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.

Биоремедиация

Комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов – растений, грибов, насекомых, червей и других организмов.

Клонирование

Появление естественным путём или получение нескольких генетически идентичных организмов путём бесполого (в том числе вегетативного) размножения. Термин «клонирование» в том же смысле нередко применяют и по отношению к клеткам многоклеточных организмов. Клонированием называют также получение нескольких идентичных копий наследственных молекул (молекулярное клонирование). Наконец, клонированием также часто называют биотехнологические методы, используемые для искусственного получения клонов организмов, клеток или молекул. Группа генетически идентичных организмов или клеток – клон.

Генетическая инженерия

Суть генетической инженерии заключается в искусственном создании генов с нужными свойствами и введение их в соответствующую клетку. Перенос гена осуществляет вектор (рекомбинантная ДНК) – специальная молекула ДНК, сконструированная на основе ДНК вирусов или плазмид, которая содержит нужный ген, транспортирует его в клетку и обеспечивает его встраивание в генетический аппарат клетки.

Для маркировки определенных клеток организмов в молекулярно-генетических исследованиях используют ген GFP, выделенный из медузы. Он обеспечивает синтез флуоресцентного белка, который светится в темноте.

Генетическая инженерия широко используется как в научных исследованиях, так и в новейших методах селекции.

Биотехнология – это совокупность промышленных методов, которые применяют для производства различных веществ с использованием живых организмов, биологических процессов или явлений. Традиционная биотехнология основана на явлении ферментации – использовании в производственных процессах ферментов микроорганизмов. Клеточная инженерия – это отрасль биотехнологии, которая разрабатывает и использует технологии культивирования клеток и тканей вне организма в искусственных условиях. Генетическая инженерия – это отрасль биотехнологии, которая разрабатывает и использует технологии выделения генов из организмов и отдельных клеток, их видоизменение и введение в другие клетки или организмы.

Некоторые этические и правовые аспекты применения биотехнологических методов

Этика – учение о нравственности, согласно которому главной добродетелью считается умение найти середину между двух крайностей. Данная наука основана Аристотелем.

Биоэтика – часть этики, изучающая нравственную сторону деятельности человека в медицине, биологии. Термин предложен В.Р. Поттером в 1969 г.

В узком смысле биоэтика обозначает круг этических проблем в сфере медицины. В широком смысле биоэтика относится к исследованию социальных, экологических, медицинских и социально-правовых проблем, касающихся не только человека, но и любых живых организмов, включенных в экосистемы. То есть она имеет философскую направленность, оценивает результаты развития новых технологий и идей в медицине, биотехнологии и биологии в целом.

Современные биотехнологические методы обладают настолько мощным и не до конца изученным потенциалом, что их широкое применение возможно только при строгом соблюдении этических норм. Существующие в обществе моральные принципы обязывают искать компромисс между интересами общества и индивида. Более того, интересы личности ставятся в настоящее время выше интересов общества. Поэтому соблюдение и дальнейшее развитие этических норм в этой сфере должно быть направлено, прежде всего, на всемерную защиту интересов человека.

Массовое внедрение в медицинскую практику и коммерциализация принципиально новых технологий в области генной инженерии и клонирования, привело также к необходимости создания соответствующей правовой базы, регулирующей все юридические аспекты деятельности в этих направлениях.

Остановимся на тех направлениях в биотехнологических исследованиях, которые напрямую связаны с высоким риском нарушения прав личности и вызывают наиболее острую дискуссию по поводу их широкого применения: пересадка органов и клеток в терапевтических целях и клонирование.

В последние годы резко возрос интерес к изучению и применению в биомедицине эмбриональных стволовых клеток человека и техники клонирования с целью их получения. Как известно, эмбриональные стволовые клетки способны трансформироваться в разные типы клеток и тканей (кроветворные, половые, мышечные, нервные и др.). Они оказались перспективными для применения в генной терапии, трансплантологии, гематологии, ветеринарии, фармакотоксикологии, при тестировании лекарств и пр.

Выделение этих клеток производят из эмбрионов и плодов человека 5-8 недель развития, полученных при медицинском прерывании беременности (в результате аборта), что порождает многочисленные вопросы относительно этической и юридической правомерности проведения исследований на эмбрионах человека, в том числе такие:

насколько необходимы и оправданы научные исследования на эмбриональных стволовых клетках человека?
допустимо ли ради прогресса медицины разрушать человеческую жизнь и насколько это морально?
достаточно ли проработана правовая база для применения этих технологий?

В ряде стран запрещены любые исследования на эмбрионах (например, в Австрии, Германии). Во Франции права эмбриона защищаются с момента его зачатия. В Великобритании, Канаде и Австралии, хотя создание эмбрионов для исследовательских целей не запрещено, но разработана система законодательных актов, регулирующая и контролирующая подобные исследования.

В России ситуация в этой области более чем неопределенная: деятельность по изучению и использованию стволовых клеток недостаточно отрегулирована, остаются существенные пробелы в законодательстве, мешающие развитию этого направления. В отношении же клонирования в 2002 г. федеральным законом был введен временный (на 5 лет) запрет на клонирование человека, но срок его действия истек в 2007 г., и вопрос остается открытым.

Рынок биотехнологий

Параллелей с современным биотехом у ИТ гораздо больше, чем может показаться на первый взгляд. Информационные технологии не появились сами по себе, их расцвету предшествовали фундаментальные открытия в физике, физике материалов, вычислительной математике и кибернетике. В результате сегодня ИТ – это область «легких стартапов», от возникновения идеи до принесения прибыли в которых проходит совсем немного времени, и мало кто задумывается о той работе, которая была проделана до сегодняшнего дня.

Ситуация с биотехнологиями аналогична, просто мы сейчас находимся на более раннем этапе, когда ещё идет разработка инструментов, программ. Биотехнологии ждут появления своего «персонального компьютера»”, только в нашем случае он не будет понятным массовым устройством – речь идёт скорее о наборе эффективных и недорогих инструментов.

Можно сказать, что сейчас ситуация подобна той, что была в 1990-е в ИТ. Технологии все еще развиваются и стоят достаточно дорого. Например, полное секвенирование человека стоит $1000. Это намного дешевле, чем цена в $3,3 млрд. у Human Genome Project, но она все еще невероятно высока для обывателя, а её применение для клинической диагностики на широком уровне пока еще невозможно. Для этого нужно, чтобы технология подешевела ещё раз в 10 и улучшила технические свойства настолько, чтобы ошибки секвенирования были нивелированы. В биотехе пока нет таких мощных проектов, как Facebook, но Illumina, Oxford Nanopore, Roche – всё это крайне успешные компании, чья деятельность часто напоминает Google, скупающий интересные стартапы. А Nanopore, например, стали миллиардерами, еще не выйдя на рынок, благодаря сочетанию хорошей исходной идеи, менеджмента и успехов в привлечении финансирования.

Сегодня биотехнологии – это ещё и рынок больших данных, и это продолжает параллели с ИТ, который в данном случае служит уже своего рода инструментом для более крупного и сложного биотеха. Такие компании как Editas Medicine (одни из создателей нашумевшей технологии редактирования генома CRISPR/Cas9) сделали свой IP на результатах секвенирования геномных данных бактерий из открытых источников. Они далеко не первыми стали пожинать плоды от накопленной информации, они даже не были первыми, кто открыл принцип действия кластера CRISPR, однако именно Editas Medicine создали биотехнологический продукт. Сегодня это компания стоимостью более $1 млрд.

И это не единственный бизнес, который возникнет благодаря анализу уже существующих данных. Более того, нельзя сказать, что за такими данными стоит очередь – их уже гораздо больше, чем можно проанализировать, а будет ещё больше, ведь учёные не перестают секвенировать. К сожалению, методы анализа еще несовершенны, поэтому не всем удается превратить данные в многомиллиардный продукт. Но если мы прикинем скорость развития инструментов анализа (подсказка: она очень высокая), несложно понять, что в будущем компаний, заметивших в больших данных генома что-то интересное, станет гораздо больше.

Может ли Россия стать биотехнологической страной?

Основная проблема биотехнологий в России – это не запрет ГМО, как многим кажется, а большое количество всевозможных бюрократических барьеров. Этот факт отмечают и в правительстве. Но даже к барьерам можно приспособиться. Последние 26 лет мы развиваемся под прессом реформ, постоянной смены правил игры, а бизнесу нужна стабильность и уверенность в том, что не будет происходить никаких потрясений.

Если российским биотехнологиям не мешать, они начнут развиваться. Также хочется отметить, что необдуманное желание помогать, те самые непродуманные госинвестиции, на самом деле, приводят к противоположному результату – субсидирование приучает компании к тому, что они будут поддерживаться государством постоянно. Как показывает практика, компании на госинвестициях становятся не эффективными. Везде нужна здоровая конкуренция, поэтому первоначальные вклады должны идти даже не от государства, а от бизнеса, который должен чувствовать уверенность в завтрашнем дня, с чем у нас пока проблемы.

Самое правильное для государства – это инвестировать в создания оптимальной среды для биотеха. У нас есть и умы, и люди с энергией и желанием созидать – важно не дать этому желанию пропасть.

Сегодня биотехнологии находятся в фазе интенсивного роста, но уже можно представить вектор их развития. Ведь сам смысл технологий не изменится, как он не изменился после появления компьютера: его идея в 1951 году не особо отличалась от той, что стоит за современными компьютерами. Существенно отличается только функционал и производительность. То же самое произойдёт и с биотехнологиями, а драйвер их развития даже понятнее – это вечное желание людей быть здоровыми и жить долго, не соблюдая при этом всех сложных правил здорового образа жизни. Поэтому в самом ближайшем будущем нас ждёт расцвет биотехнологий, и в конечном счёте это прекрасные новости для всего человечества.

Как известно, самые интересные открытия совершаются на стыке областей знания.

Одним из наиболее перспективных направлений в естественнонаучных дисциплинах сегодня стала биотехнология, возможности которой пока что изучены довольно слабо. Этот важный раздел биологической науки вполне может стать основой для технологического рывка в ближайшем будущем, сыграв для XXI века ту же роль, какую для ХХ столетия сыграли химия и электроника.

Биотехнология – значение слова

В последние десятилетия слово «биотехнология» всё чаще встречается на страницах СМИ, в телепередачах и в интернете. Впервые о биотехнологиях заговорили в середине 70-х годов ХХ столетия в связи с новыми методиками изготовления лекарственных субстанций – сырья для препаратов, выпускаемых фармакологической промышленностью. С тех пор биотехнологии существенно расширили сферу применения.

Сегодня, говоря о биотехнологии, мы подразумеваем методы производства нужных нам материалов и продуктов с использованием живых организмов, культивируемых в искусственной среде клеток и разнообразных биологических процессов. На текущий момент объектами биотехнологии чаще всего становятся микроорганизмы, а также отдельно взятые клетки животных или растений.

Простейшим примером биотехнологии является изготовление кисломолочных продуктов – кефира, творога и др. – при помощи культур кисломолочных бактерий. Можно вспомнить и о выпекании дрожжевого хлеба с использованием пекарских дрожжей. Эти биотехнологии известны человечеству на протяжении многих веков, но сегодня биологи используют намного более сложные методики, чтобы организовывать необходимые нам процессы.

Для чего нужна биотехнология?

В любой отрасли промышленности добиться нужного результата можно разными способами, но часто биотехнологическое решение поставленной перед учёными задачи оказывается наиболее эффективным, экономичным и безопасным. К примеру, для того, чтобы высечь на мраморе надпись, квалифицированный каменотёс должен трудиться несколько недель.

Однако в Древней Греции для изготовления надписей использовали один из видов улиток, слизь которых обладает повышенной кислотностью. Как известно, мрамор – это кристаллизовавшийся известняк. Проползая по поверхности камня, улитка своей слизью выжигала в нём выемку, и мастеру оставалось лишь направить моллюска в нужную сторону, чтобы быстро и без труда получить желаемую надпись.

Этот пример простейшей биотехнологии прекрасно иллюстрирует все преимущества биологических методов. Биохимические процессы не требуют высокой температуры и давления, не загрязняют окружающую среду и зачастую обходятся намного дешевле традиционных способов. Так, биотехнология сегодня активно используется для обогащения различных руд и добычи редких металлов. Функцию обогатителя выполняют микроорганизмы, которые поглощают нужный металл и накапливают его в своей ткани, а затем отмирают, образуя плотный осадок, из которого уже не составляет труда извлечь необходимый элемент.

Биотехнология позволяет перерабатывать даже очень бедные руды, извлекая из них нужные металлы с высокой точностью и без лишних затрат.

Эти же процессы используются и для эффективной очистки стоков. Если использовать фильтрацию, то очистные сооружения обойдутся очень дорого. Штаммы специально выведенных бактерий извлекают тяжёлые металлы, перерабатывают и делают безопасными нефтепродукты. Очистка стоков не требует затрат: достаточно залить сточные воды в отстойник и запустить туда нужные виды микроорганизмов, а затем подождать, пока вода не осветлится.

Но наиболее часто биотехнология используется для изготовления различных лекарственных препаратов. С её помощью производятся сотни или даже тысячи наименований и групп лекарств: антибиотики, сыворотки, различные вакцины и т.д. Отдельной группой препаратов являются кормовые добавки – аминокислоты, белки и др.

Сферы применения биотехнологии

На текущий момент наиболее активно биотехнологии работают в следующих направлениях:

— производство пищевых продуктов на качественно новой основе;

— разработка и изготовление препаратов, повышающих эффективность сельского хозяйства;

— разработка и изготовление лекарств, вакцин, биодобавок;

— биотехнологии для добывающей промышленности и бытовой сферы;

— изготовление диагностических препаратов и реактивов;

— биотехнология очистки окружающей среды от антропогенных загрязнений.

Существует ещё немало направлений, в которых использование биотехнологии возможно в ближайшей либо отдалённой перспективе.

Направления биотехнологии

Используя живые организмы в своих целях, человек уже сегодня может добывать необходимые вещества, перерабатывать отходы в полезные удобрения, лечить различные болезни и многое другое. Наиболее активно в настоящее время развиваются следующие направления биотехнологии.

— Микробиологический синтез – производство необходимых веществ и субстанций с использованием микроорганизмов. Уже сегодня этот способ используется при производстве спирта, иммобилизованных ферментов и ряда других веществ.

— Генная инженерия – своеобразное «конструирование» генома живого существа с целью получения организма с заданными свойствами. Методы генной инженерии в последние десятилетия произвели буквально революцию в сельском хозяйстве, создав новые, чрезвычайно устойчивые к неблагоприятным внешним явлениям культурные растения.

— Космическая биотехнология – направление, находящееся сегодня в стадии начального развития. Ведутся исследования по применению биотехнологии в космосе, исследуются перспективы получения кристаллических белков и других материалов.

— Биогидрометаллургия – извлечение металла из руды при помощи микроорганизмов. В результате деятельности бактерий образуются растворимые соли металла, которые переходят в раствор, а затем извлекаются и перерабатываются обычным способом.

В недалёком будущем биотехнологические процессы смогут заменить многие грязные производства, сделав окружающий нас мир более привлекательным, безопасным и удобным для жизни.