Какво представляват науки за живота. Други науки за живота

Физиците познават квантовите ефекти от повече от сто години, например способността на квантите да изчезват на едно място и да се появяват на друго или да бъдат на две места едновременно. Удивителните свойства на квантовата механика обаче се отнасят не само за физиката, но и за биологията.

Най-добрият пример за квантова биология е фотосинтезата: растенията и някои бактерии използват енергия от слънчевата светлина, за да изградят молекулите, от които се нуждаят. Оказва се, че фотосинтезата всъщност разчита на изненадващо явление – малки маси енергия „проучват“ всички възможни начини да се използват, след което „избират“ най-ефективния. Може би навигацията на птиците, мутациите на ДНК и дори нашето обоняние разчитат по един или друг начин на квантовите ефекти. Въпреки че тази област на науката все още е силно спекулативна и противоречива, учените вярват, че веднъж събрани от квантовата биология, идеите могат да доведат до създаването на нови лекарства и биомиметични системи (биомиметрията е друга нова научна област, в която биологичните системи и структури се използват за създаване на нови материали и устройства).

3. Екзометеорология

Юпитер

Наред с екзоокеанографите и екзогеолозите, екзометеоролозите се интересуват от изучаването на естествените процеси, протичащи на други планети. Сега, след като мощните телескопи направиха възможно изучаването на вътрешните процеси на близките планети и луни, екзометеоролозите могат да наблюдават техните атмосферни и метеорологични условия. и Сатурн, с невероятния си мащаб, са основни кандидати за изследване, както и Марс, с неговите редовни прашни бури.

Екзометеоролозите дори изучават планети извън нашата слънчева система. И това, което е интересно е, че в крайна сметка те могат да открият признаци на извънземен живот на екзопланети чрез откриване на органични следи или повишени нива на въглероден диоксид в атмосферата - знак за индустриална цивилизация.

4. Нутригеномика

Нутригеномиката е изследване на сложните връзки между храната и експресията на генома. Учените, работещи в тази област, се стремят да разберат ролята на генетичните вариации и диетичните реакции за това как хранителните вещества влияят на генома.

Храната наистина има огромно влияние върху вашето здраве - и то буквално започва на молекулярно ниво. Нутригеномиката работи и в двете посоки: тя изучава как точно нашият геном влияе върху гастрономическите предпочитания и обратното. Основната цел на дисциплината е да се създаде персонализирано хранене - това е да се гарантира, че нашата храна е идеално подходяща за нашия уникален набор от гени.

5. Клиодинамика

Клиодинамиката е дисциплина, която съчетава историческа макросоциология, икономическа история (клиометрия), математическо моделиране на дългосрочни социални процеси, както и систематизиране и анализ на исторически данни.

Името идва от името на гръцката муза на историята и поезията Клио. Просто казано, клиодинамиката е опит да се предскажат и опишат широките социални връзки на историята - както за изучаване на миналото, така и като потенциален начин за предсказване на бъдещето, например за прогнозиране на социални вълнения.

6. Синтетична биология

Синтетичната биология е проектиране и изграждане на нови биологични части, устройства и системи. Това също включва надграждане на съществуващи биологични системи за безкраен брой полезни приложения.

Крейг Вентър, един от водещите експерти в тази област, обяви през 2008 г., че е реконструирал целия геном на бактерия чрез слепване на нейните химически компоненти. Две години по-късно неговият екип създава „синтетичен живот“ – ДНК молекули, кодирани дигитално, след това 3D отпечатани и вмъкнати в живи бактерии.

В бъдеще биолозите възнамеряват да анализират различни видове геноми, за да създадат полезни организми за въвеждане в тялото и биороботи, които могат да произвеждат химикали - биогорива - от нулата. Има също така идеи за създаване на изкуствени бактерии, борещи се със замърсяването, или ваксини за лечение на сериозни заболявания. Потенциалът на тази научна дисциплина е просто огромен.

7. Рекомбинантни меметици

Тази област на науката е в начален стадий, но вече е ясно, че е само въпрос на време - рано или късно учените ще разберат по-добре цялата човешка ноосфера (съвкупността от цялата информация, известна на хората) и как разпространението на информация засяга почти всички аспекти на човешкия живот.

Подобно на рекомбинантната ДНК, където различни генетични последователности се събират, за да създадат нещо ново, рекомбинантната меметика изучава как идеите, предавани от човек на човек, могат да бъдат коригирани и комбинирани с други меми и мемеплекси - установени комплекси от взаимосвързани меми. Това може да бъде полезно за „социални терапевтични“ цели, например борба с разпространението на радикални и екстремистки идеологии.

8. Компютърна социология

Подобно на клиодинамиката, изчислителната социология изучава социални явления и тенденции. Основно в тази дисциплина е използването на компютри и свързаните с тях технологии за обработка на информация. Разбира се, тази дисциплина се развива едва с появата на компютрите и широкото използване на Интернет.

Особено внимание в тази дисциплина се обръща на огромните потоци от информация от нашето ежедневие, например имейли, телефонни обаждания, публикации в социални медии, покупки с кредитни карти, заявки в търсачките и т.н. Примери за работа могат да бъдат изследване на структурата на социалните мрежи и как информацията се разпространява чрез тях или как възникват интимни взаимоотношения в Интернет.

9. Когнитивна икономика

Като цяло икономиката не се свързва с традиционни научни дисциплини, но това може да се промени поради тясното взаимодействие на всички научни области. Тази дисциплина често се бърка с поведенческата икономика (изучаването на нашето поведение в контекста на икономически решения). Когнитивната икономика е наука за това как мислим. Лий Колдуел, автор на блог за тази дисциплина, пише за това:

„Когнитивната (или финансовата) икономика... разглежда какво всъщност се случва в съзнанието на човек, когато той прави избор. Каква е вътрешната структура на вземането на решения, какво влияе върху нея, каква информация възприема съзнанието в този момент и как се обработва, какви вътрешни форми на предпочитания има човек и в крайна сметка как всички тези процеси се отразяват в поведението ?

С други думи, учените започват своите изследвания на по-ниско, опростено ниво и формират микромодели на принципи за вземане на решения, за да разработят модел на широкомащабно икономическо поведение. Често тази научна дисциплина взаимодейства със сродни области, като компютърна икономика или когнитивна наука.

10. Пластмасова електроника

Електрониката обикновено включва инертни и неорганични проводници и полупроводници като мед и силиций. Но нов клон на електрониката използва проводящи полимери и проводящи малки молекули, които са базирани на въглерод. Органичната електроника включва проектиране, синтез и обработка на функционални органични и неорганични материали заедно с разработването на напреднали микро- и нанотехнологии.

Всъщност това не е толкова нов клон на науката; първите разработки са направени през 70-те години на миналия век. Въпреки това едва наскоро беше възможно да се съберат всички натрупани данни, по-специално поради революцията в нанотехнологиите. Благодарение на органичната електроника скоро може да имаме органични слънчеви клетки, самоорганизиращи се монослоеве в електронни устройства и органични протези, които в бъдеще ще могат да заменят увредените крайници на хората: в бъдеще така наречените киборги може да се състоят от повече органична материя, отколкото синтетични части.

11. Компютърна биология

Ако еднакво харесвате математиката и биологията, тогава тази дисциплина е точно за вас. Компютърната биология се стреми да разбере биологичните процеси чрез езика на математиката. Това се използва еднакво и за други количествени системи, като физика и компютърни науки. Учени от университета в Отава обясняват как това е станало възможно:

„С развитието на биологичната апаратура и лесния достъп до изчислителна мощност, биологията като такава трябва да работи с все повече и повече данни и скоростта на придобитото знание само расте. По този начин осмислянето на данните вече изисква изчислителен подход. В същото време, от гледна точка на физиците и математиците, биологията е узряла до ниво, на което теоретичните модели на биологичните механизми могат да бъдат тествани експериментално. Това доведе до развитието на изчислителната биология.

Учените, работещи в тази област, анализират и измерват всичко - от молекули до екосистеми.

Как работи "мозъчната поща" - предаване на съобщения от мозък на мозък чрез интернет

10 мистерии на света, които науката най-накрая разкри

10 основни въпроса за Вселената, на които учените търсят отговор в момента

8 неща, които науката не може да обясни

2500-годишна научна мистерия: Защо се прозяваме

3 от най-глупавите аргументи, които противниците на Теорията на еволюцията използват, за да оправдаят невежеството си

Възможно ли е да се реализират способностите на супергероите с помощта на съвременните технологии?

11 юли 2008 г

Науки за живота(науки за живота) комбинират различни клонове на биологията, биотехнологиите и медицината. През последните години това е един от приоритетите на световната наука и икономика. Изборът на науките за живота като приоритетна област на развитие се обяснява с редица причини. Тези науки са основата за осигуряване на първичните нужди на човечеството.

На първо място това е здравеопазването. За да се грижите за здравето, трябва да разберете какво се случва със здравия човек и какво се случва с патологията. Науките за живота стават особено важни с нарастването на продължителността на живота: необходимостта да се осигури на възрастните членове на обществото здрава и активна старост поставя нови предизвикателства пред биологията и медицината. Второ, нарастващото световно население и растящият просперитет изискват разработването на нови начини за увеличаване на селскостопанската производителност, нови сортове растения - не само по-продуктивни, но и с подобрени потребителски свойства. Трето, нарастващият натиск, упражняван от човечеството върху природата, изисква все по-задълбочено изследване на екологията и приемането на мерки за намаляване на това натоварване - например чрез методи за производство на биогорива, биоразградими пластмаси, съвременни селскостопански практики, намаляване на замърсяването на околната среда и биоремедиация – възстановяване на замърсени или унищожени биоценози.

Централното звено, обединяващо науките за живота, са биотехнологиите в най-широкия смисъл на думата.

Приоритет на живите системи

Лична идентификация и надеждна диагностика на заболявания, отглеждане на човешки органи и създаване на култури с високо съдържание на витамини, мазнини и протеини, нови ваксини и лекарства - тези и много други технологии с право принадлежат към най-широкото пространство, наречено "живи системи".

Създаването на развита икономика в постиндустриално общество е невъзможно без актуализиране на технологичната структура и формите на научна дейност, които съответстват на изходящата икономическа система. Ето защо една от ключовите задачи на нашата държава е формирането на ефективен и конкурентоспособен сектор на науката и иновациите. Основният инструмент на държавата в областта на развитието на науката и технологиите е федералната целева програма „Научноизследователска и развойна дейност в приоритетни области за развитие на научно-техническия комплекс на Русия за 2007–2012 г.“. В рамките на тази програма държавата финансира работа, която съответства на избрани научни и научно-технически държавни приоритети, един от които е „Живи системи”.

Помощ за STRF.ru:
Работата в приоритетната област „Живи системи“ се извършва и в рамките на Федералната целева програма „Научноизследователска и развойна дейност в приоритетните области на развитие на научно-техническия комплекс на Русия за 2007-2012 г.“. В рамките на тази посока през 2008 г. по-специално бяха разработени следните критични технологии:
– биомедицински и ветеринарни технологии за поддържане на живота и защита на хора и животни;
– биокаталитични, биосинтетични и биосензорни технологии;
– геномни и постгеномни технологии за създаване на лекарства;
– клетъчни технологии;
– биоинженерни технологии.

Концепция "науки за живота"дойде да замени обичайната концепция за „биологични науки“ и даде общо име на всички науки за живите същества: зоология и генетика, ботаника и молекулярна биология, физиология и биохимия, екология и медицина. Всеки, който работи в тези области, се занимава с живи системи, тоест с живи организми, било то човек или цвете, вирус или бактерия. Можем да кажем, че живите системи са всичко, което се възпроизвежда, диша, храни и движи.

Тук обаче не става въпрос само за промяна на името. Терминът „живи системи“ е по-активен, по-структуриран. Той отразява систематичен подход към тази интердисциплинарна област на науката и знанието, в която работят биолози, химици, физици и математици. В допълнение, терминът „живи системи“ е много технологичен. Това включва не само познаването и откриването на принципите на организация на живите същества, но и използването на тези знания под формата на нови технологии. Този подход приканва различни специалисти да преминат съвместно от научна идея към нейното практическо прилагане и използване в интерес на хората.

Лична идентификация и надеждна диагностика на заболявания, отглеждане на човешки органи и създаване на култури с високо съдържание на витамини, мазнини и протеини, нови ваксини и лекарства - тези и много други технологии с право принадлежат към най-широкото пространство, наречено "живи системи". Изследванията и разработките в тази област ще запълнят нашата индустрия с високотехнологични технологии, ще подобрят здравето и ще повишат безопасността на руските граждани. Ето защо живите системи са един от основните държавни приоритети в областта на науката и технологиите, активно подкрепяни чрез федерални целеви програми.

Този сборник ще запознае накратко читателя с концепцията за технологични платформи и биотехнологии, както и с някои разработки на водещи руски научни екипи, работещи в приоритетното направление „Живи системи“.

Помощ за STRF.ru:
Разпределение на финансирането в посока „Живите системи” в рамките на Федералната целева програма през 2008 г. по региони (млн. рубли):
FEFD – 9 договора, бюджет 116,5
Приволжски федерален окръг - 17 договора, бюджет 140.1
Северозападен федерален окръг - 32 договора, бюджет 156,0
Сибирски федерален окръг - 34 договора, бюджет 237,4
Уралски федерален окръг – 1 договор, бюджет 50
Централен федерален окръг - 202 договора, бюджет 2507,8
Южен федерален окръг - 4 договора, бюджет 34,85

Знанието като технология

В разговорите за развитието на фундаментални и приложни разработки в областта на живите системи все по-често се среща понятието „технология“. В съвременната постиндустриална икономика технологията се разбира като набор от документирани знания за целенасочени дейности, използващи технически средства (например организационни технологии, потребителски технологии, социални технологии, политически технологии). Трябва да се отбележи, че в условията на пазарна икономика технологията, като вид знание, е стока. Съвкупността от знания, обозначена с тази концепция, повдига въпроси не само за това какво правим, но и как, и най-важното, защо го правим.

При определяне на стратегии за развитие на научно-техническия комплекс в национален мащаб се използва понятието „технологична платформа“. Все още няма ясна дефиниция на този термин. Въпреки това вече е очевидно, че това понятие включва набор от знания, методи, материално-техническа база и квалифициран персонал, който варира в зависимост от външните поръчки за научна и технологична работа. Приоритетното направление „Живи системи“ може да се разглежда като комбинация от няколко технологични платформи.

Тайните са разкрити

От живите системи ние извличаме технологии, които са норма на живот за природата. Тя ги използва по време на раждането, развитието и смъртта на всеки жив организъм. Освен това на всяко ниво от йерархията на жива система – генетично, клетъчно, организмово – има различен набор от технологични решения.

Всяка жива система започва с основната молекула на живота, ДНК, която съхранява и предава наследствена информация от поколение на поколение. ДНК може грубо да се раздели на семантични участъци – гени. Те изпращат команди за синтезиране на определени протеини, които формират характеристиките на организма и осигуряват неговия живот. Учените оценяват броя на гените в хората на 20–25 хиляди. Ако възникнат дефекти в гените, наречени мутации, човек развива сериозни заболявания. Обемът на текста, „записан“ в генома, е идентичен с досието на всекидневника Известия от 30 години.

ДНК живее и работи в клетката. Живата клетка сама по себе си е съвършенство. Тя знае как да превръща безполезните вещества в полезни, да синтезира вътрешни лекарства за тялото, строителен материал и много други. Всяка минута в живата клетка протичат милиони химични реакции при най-обикновени условия – във водна среда, без високо налягане и температури.

Една клетка живее сама само в едноклетъчните организми - бактериите, но повечето живи системи са многоклетъчни. Тялото на възрастен човек съдържа средно 10 14 клетки. Те се раждат, трансформират, вършат работата си и умират. Но в същото време живеят в хармония и сътрудничество, изграждайки колективни системи за защита (имунна система), адаптация (регулаторна система) и др.

Стъпка по стъпка ние разкриваме тайните на живите системи и въз основа на тези знания създаваме биотехнология.

Биотехнология

Биотехнологиите могат да бъдат определени като процеси, при които живи системи или техни компоненти се използват за производство на вещества или други живи системи. Живите същества са оригинални „фабрики“, които преработват суровини (хранителни вещества) в голямо разнообразие от продукти, необходими за поддържане на живота им. И освен това, тези фабрики са способни да възпроизвеждат, тоест да генерират други много подобни „фабрики“.

Днес вече знаем много за това как са структурирани и функционират „работниците“ на живите фабрики - генома, клетъчните структури, протеините, самите клетки и тялото като цяло.

Благодарение на тези знания, макар и все още непълни, изследователите са се научили да манипулират отделни елементи на живите системи - гени (геномни технологии), клетки (клетъчни технологии) - и да създават генетично модифицирани живи организми с полезни за нас черти (генно инженерство). Ние знаем как да адаптираме естествените „фабрики“, за да произвеждаме продукта, от който се нуждаем (индустриална биотехнология). И още повече, генетично модифицирайте тези фабрики, така че да синтезират това, от което се нуждаем.

Така създаваме биотехнологии, за които ще стане дума по-нататък. Но преди да ви запознаем с примери за технологии, които вече са били поставени в услуга на човека, трябва да кажем няколко думи за едно елегантно решение, което днес помага на учените да проникнат в мистериите на живота и да разберат механизмите на живите системи. В крайна сметка процесите, протичащи в клетката, са невидими и научните изследвания изискват технологии, с които те могат да бъдат видени и разбрани. Между другото, това решение само по себе си е биотехнология.

Светещи катерици

За да разберете как работят гените, трябва да видите резултата от тяхната работа, тоест протеините, които се синтезират по тяхна команда. Как можем да забележим точно тези, които търсим? Учените откриха метод, който прави протеините видими, светещи в ултравиолетова светлина.

Такива светещи протеини се срещат в природата, например в морски ракообразни и медузи. По време на Втората световна война японците използват прах от „морска светулка“, ракообразно с двучерупчеста черупка, като местен източник на светлина. Когато беше напоена с вода, тя светеше ярко. Именно от тази морска светулка и медуза О. Шимомура (Япония) за първи път изолира светещи протеини в края на 50-те години на 20 век. Това беше началото на историята на сега известния GFP - зелен флуоресцентен протеин. А през 2008 г. О. Шимомура, М. Челфи и Р. Циен (САЩ) получиха Нобелова награда по химия за флуоресцентни протеини. С помощта на тези протеини голямо разнообразие от живи обекти могат да бъдат накарани да светят, от клетъчни структури до цяло животно. Флуоресцентно фенерче, което може да бъде прикрепено към желаните протеини с помощта на генетична манипулация, направи възможно да се види къде и кога се синтезира този протеин и към кои части на клетката се изпраща. Това беше революция в биологията и медицината.

Но червените флуоресцентни протеини бяха открити за първи път в корали и други морски организми от двама руски изследователи - Михаил Матс и Сергей Лукянов. Сега разполагаме с флуоресцентни протеини във всички цветове на дъгата и техните приложения са много широки: от най-новото в биологията и медицината, включително онкологията, и откриването на отровни и експлозивни вещества, до светещи аквариумни риби.

Под ръководството на член-кореспондента на Руската академия на науките С. Лукянов (Институт по биоорганична химия на Руската академия на науките) е създадена руската биотехнологична компания Evrogen, която доставя на учените по света многоцветни флуоресцентни етикети. Днес Evrogen е един от лидерите на световния пазар на флуоресцентни протеини за биологични изследвания.

Генетична идентификация

Всички сме много различни. Външен вид, характер, способности, чувствителност към лекарства, отвращение към тази или онази храна - всичко това е генетично обусловено. Уникалността на генома на всеки от нас го прави надежден инструмент за идентифициране на самоличността. По същество нашите гени са същите пръстови отпечатъци, само че от различно естество. Методът за ДНК идентификация е въведен в съдебната практика от британския изследовател Алик Джефрис през 80-те години на миналия век. Днес това е вече обичайна и позната процедура в цял свят.

Използва се и в Русия. Ние обаче закупуваме реактиви за анализ в чужбина. В Института по обща генетика на Руската академия на науките под ръководството на член-кореспондента на Руската академия на науките Николай Янковски се създава набор от реактиви за идентификация на човешка ДНК. Появата на такъв домашен инструмент е много навременна, тъй като на 1 януари 2009 г. ще влезе в сила Законът „За геномна регистрация“, приет от Държавната дума на Руската федерация на 19 ноември 2008 г. Разработката на нашите учени не само ще ни позволи да откажем вноса, но и ще даде на криминалистите по-усъвършенстван инструмент, който, за разлика от западните аналози, работи със силно увредена ДНК. И това е често срещан случай в съдебната медицина.

С помощта на този инструмент ще бъде решена още една важна социална задача - създаването на банка от генетични данни на нарушителите, което ще увеличи разкриваемостта на престъпленията и ще намали времето за разследване. Във Великобритания генетичната база данни на хора, които по един или друг начин са свързани с престъпния свят, вече наброява няколко милиона души.

Методът за ДНК идентификация е особено добър за идентифициране на хора, загинали във войни, бедствия и други обстоятелства. Днес се използва и в Русия. Най-известният случай е идентифицирането на останките на последното кралско семейство. Последният етап от тази голяма работа - идентифицирането на останките на сина и дъщерята на императора - беше извършен от професор Евгений Рогаев, ръководител на отдела по геномика на Института по обща генетика на Руската академия на науките.

И накрая, друга област на приложение на метода за ДНК идентификация е установяването на бащинство. Изследванията показват, че няколко процента от законните бащи не са биологични. Дълго време бащинството се установяваше чрез анализ на кръвта на детето и родителя - определяха се кръвната група и Rh фактор и се сравняваха данните. Този метод обаче по своята същност е ненадежден, както сега разбират изследователите, и създава много грешки, които водят до лични трагедии. Използването на ДНК идентификация повиши точността на анализа до почти 100%. Днес тази техника за установяване на бащинство е достъпна в Русия.

Генетична диагностика

Да се ​​направи пълен анализ на генома на един човек в момента струва огромна сума пари - два милиона долара. Вярно е, че след десет години, с подобряването на технологиите, цената се очаква да падне до хиляда долара. Но е възможно да не се опишат всички гени. Често е достатъчно да се оцени работата само на определени групи гени, които са критични за появата на различни заболявания.

Генетичната диагностика изисква специални апарати, миниатюрни, бързи и точни. Тези устройства се наричат ​​биочипове. Първият в света патент за биочипове за определяне на структурата на ДНК принадлежи на Русия - екипът на академик Андрей Мирзабеков от Института по молекулярна биология им. V.A. Engelhardt RAS. След това, в края на 80-те години на миналия век, екипът на Мирзабеков разработва микроматрична технология. Те започват да се наричат ​​биочипове по-късно.

Биологичните микрочипове представляват малка пластина от стъкло или пластмаса, на чиято повърхност има множество клетки. Всяка от тези ямки съдържа маркер за една или друга част от генома, която трябва да бъде открита в пробата. Ако кръвната проба на пациент бъде пусната върху биочипа, можем да разберем дали съдържа това, което търсим - съответното гнездо ще свети поради флуоресцентен етикет.

Чрез изследване на използван биочип изследователите могат да диагностицират предразположеност към определени заболявания, както и да открият опасни вируси в кръвта на пациента, например туберкулоза или хепатит С. В крайна сметка вирусът не е нищо повече от част от чужда ДНК в протеинова обвивка. Благодарение на новата техника продължителността на сложните лабораторни анализи на биологични материали е намалена от няколко седмици до един ден.

Днес биологични микробиочипове се разработват от десетки компании в Европа и САЩ. Руските биочипове обаче успешно издържат на конкуренцията. Един анализ с помощта на тестовата система Biochip-IMB струва само 500 рубли, докато използването на чужд аналог струва $200-500.

А Институтът по молекулярна биология на Руската академия на науките започна да сертифицира биочипове, които откриват типове вирус на хепатит С при пациент. Пазарният потенциал на новата технология е огромен. В края на краищата, с помощта на традиционните тестове, във всеки трети случай не е възможно да се установи към какъв сорт принадлежи откритият вирус. Сега този проблем е решен.

С помощта на ДНК диагностика можете не само да идентифицирате заболявания и предразположение към тях, но и да коригирате ежедневната си диета. Например дали да включва пълномаслено мляко или не. Факт е, че при много хора пълномасленото мляко причинява гадене, диария и общо неразположение. Това се случва поради липса на ензим, който разгражда млечната захар - лактоза. Поради това възникват проблеми в тялото. А наличието на ензима се определя генетично. Според генетични изследвания от една трета до половината от възрастните у нас (в зависимост от региона) не могат да усвояват пълномасленото мляко. Училищната диета обаче все още изисква чаша мляко на ден за всяко дете. С помощта на ДНК диагностичен тест, разработен в Института по обща генетика на Руската академия на науките, е лесно да се определи на кого може да се препоръча пълномаслено мляко и на кого не. Това е целта на проекта „Запазване здравето на здравите хора“, изпълняван от Руската академия на науките съвместно с администрацията на Тамбовска област.

Генна терапия

Генетичната диагностика изгражда основата на медицината на бъдещето. Но медицината не е само диагноза, тя е и лечение. Можем ли да коригираме дефектните гени в живия организъм или да ги заменим с пълни в онези тежки случаи, когато традиционното лечение е безсилно? Именно това е задачата, която си поставя генната терапия.

Същността на генната терапия е проста на думи: необходимо е или да се „ремонтира“ повреден ген в клетките на тези тъкани и органи, където той не работи, или да се достави пълноценен ген в тялото на пациента, който ние може да синтезира in vitro. Днес са разработени няколко метода за въвеждане на нови гени в клетките. Това включва доставяне на ген чрез неутрализирани вируси, микроинжектиране на генетичен материал в клетъчното ядро, изстрелване на клетки от специален пистолет с малки златни частици, които носят здрави гени на повърхността си и т.н. Досега има много малък успех в областта на практическа генна терапия. Има обаче ярки и остроумни открития, включително и в руски лаборатории.

Една от тези идеи, предназначена за лечение на рак, може да бъде наречена „троянски кон“. Един от гените на херпесния вирус се въвежда в раковите клетки. До определено време този „троянски кон” не се разкрива. Но веднага щом лекарство, широко използвано за лечение на херпес (ганцикловир), бъде въведено в тялото на пациента, генът започва да работи. В резултат на това в клетките се образува изключително токсично вещество, което разрушава тумора отвътре. Друга възможност за генна терапия на рака е доставянето на гени до раковите клетки, които ще задействат синтеза на така наречените "самоубийствени" протеини, водещи до "самоубийството" на раковите клетки.

Технологията за доставяне на гени в раковите клетки се разработва от голям екип от учени от Института по биоорганична химия на името на. М. М. Шемякин и Ю. А. Овчинников RAS, Руски онкологичен изследователски център RAMS, Институт по молекулярна генетика RAS, Институт по генна биология RAS. Работата се ръководи от академик Евгений Свердлов. Основният фокус на проекта е върху създаването на лекарства срещу рак на белия дроб (първо място по смъртност) и рак на хранопровода (седмо място). Въпреки това, създаваните методи и дизайни ще бъдат полезни в борбата срещу всякакъв вид рак, от които има повече от сто. След необходимите клинични изпитвания, ако успеят, лекарствата ще влязат в практиката през 2012 г.

Диагностика на рак

Голям брой научни екипи в Русия и по света работят върху проблема с рака. Това е разбираемо: всяка година ракът жъне малко по-малка смъртоносна реколта от сърдечно-съдовите заболявания. Задачата на учените е да създадат технологии, които дават възможност за откриване на рак в най-ранните етапи и унищожаване на раковите клетки по целенасочен начин, без странични ефекти за тялото. Ранната и бърза диагностика, когато анализът отнема само няколко часа, е изключително важна за традиционната терапия на рака. Лекарите знаят, че е по-лесно да се унищожи болестта в зародиш. Следователно клиниките по света се нуждаят от диагностични технологии, които отговарят на тези изисквания. И тук биотехнологиите идват на помощ на изследователите.

Нов подход за ранна и бърза диагностика на рака беше предложен за първи път в света от Александър Четверин от Института по протеин на Руската академия на науките. Същността на метода е да се идентифицират в кръвта тези иРНК молекули, които отнемат информация от съответните части на генома и носят командата за синтеза на ракови протеини. Ако такива молекули присъстват в кръвната проба на пациента, тогава може да се постави диагноза рак. Проблемът обаче е, че има много малко от тези молекули в кръвната проба, докато има много други. Как да намерим и различим тези единични екземпляри, които ни трябват? Този проблем е решен от екип от учени под ръководството на А. Четверин.

Изследователите са се научили да умножават търсени, но невидими молекули маркери на ракови клетки, използвайки така наречената полимеразна верижна реакция (PCR).

В резултат на това цели молекулярни колонии растат от една невидима молекула, която вече може да се види под микроскоп. Ако кръвната проба на пациент (да речем един милилитър) съдържа поне една ракова клетка и една маркерна молекула, тогава може да се открие началното заболяване.

Анализът може да се направи само за няколко часа и струва няколко хиляди рубли. Но ако го използвате масово, например по време на годишен профилактичен медицински преглед, тогава цената може да падне до 300-500 рубли.

Лечение на рак

В областта на лечението на рак също има няколко нови подхода, които разчитат на биотехнологиите. Един от тях е използването на специфични антитела като противоракови агенти.

Антителата са протеинови молекули, произведени от клетките на имунната система. Всъщност това е химическо оръжие, което тялото ни използва в борбата срещу всякакви вируси, както и срещу дегенерирали клетки на собственото ни тяло – ракови клетки. Ако самата имунна система не може да се справи с рака, тогава може да й се помогне.

Учени от Лабораторията по молекулярна имунология (Институт по биоорганична химия на Руската академия на науките), под ръководството на член-кореспондента на Руската академия на науките Сергей Деев, конструират ново поколение антитела, които разпознават мишената и я унищожават. Този подход се основава на принципа на така наречения „магически куршум“, който винаги и точно намира жертвата си. Антителата са напълно подходящи за тази роля. Една част от тяхната молекула служи като „антена“, която насочва към целта – повърхността на раковата клетка. И различни увреждащи агенти - токсини, органични молекули, радиоактивни изотопи - могат да бъдат прикрепени към опашката на антитялото. Те имат различни ефекти, но всички те в крайна сметка убиват тумора.

Раковите клетки също могат да бъдат унищожени почти естествено. Достатъчно е да се задейства механизмът на програмирана клетъчна смърт, нещо като самоубийство, предвидено от природата. Учените го наричат апоптоза. Механизмът на самоубийството се задейства от вътреклетъчни ензими, които разрушават протеините вътре в клетката и самата ДНК. За съжаление, раковите клетки са удивително издръжливи, защото са в състояние да потискат своите суицидни „настроения“. Проблемът е, че има много малко от тези ензими в раковите клетки, така че е трудно да се задейства апоптоза.

Този проблем обаче също може да бъде решен. За да задействат механизма на самоубийството, сибирските учени предлагат отваряне на мембраните на клетъчните структури, например митохондриите. Тогава клетката неизбежно ще умре. Институтът по биоорганична химия на Сибирския клон на Руската академия на науките, Държавният научен център „Вектор“ (село Колцово), Общинската белодробна хирургична болница (Новосибирск), Научно-производствената фондация „Медицински технологии“ (Курган), и Изследователският институт по клинична и експериментална имунология на Руската академия на медицинските науки (Новосибирск) участват в този голям проект. Заедно изследователите избраха вещества, които могат да отворят мембраните на клетъчните структури и разработиха метод за доставяне на тези вещества до раковата клетка.

Ваксини

Нашите знания за имунната система на животните могат да се използват не само за лечение на рак, но и на всякакви инфекциозни заболявания. Получаваме имунитет срещу повечето болести „по наследство“, срещу други придобиваме имунитет, като страдаме от заболяване, причинено от нова инфекция. Но имунитетът може да се тренира – например чрез ваксинация.

Ефективността на ваксинацията е демонстрирана за първи път преди повече от 200 години от лекаря Едуард Дженър, който доказва, че човек, който има кравешка шарка, става имунитет срещу едра шарка. Оттогава много болести са поставени под контрола на лекарите. От времето на Пастьор отслабени или убити вируси се използват за ваксини. Но това налага ограничения: няма гаранция, че ваксината е напълно свободна от активни вирусни частици; работата с много от тях изисква голямо внимание; срокът на годност на ваксината зависи от условията на съхранение.

Тези трудности могат да бъдат преодолени с помощта на методите на генното инженерство. С тяхна помощ можете да произвеждате отделни компоненти на бактерии и вируси и след това да ги инжектирате на пациенти - защитният ефект няма да бъде по-лош, отколкото при използването на конвенционални ваксини. Първите ваксини, получени чрез генно инженерство, са ваксини за животни - срещу шап, бяс, дизентерия и други болести по животните. Първата генетично модифицирана ваксина за хора беше ваксината срещу хепатит B.

Днес за повечето инфекции можем да направим ваксини – класически или генно инженерни. Основният проблем е свързан с чумата на ХХ век – СПИН. Ваксинацията е добра за него. В крайна сметка той засилва имунната система и принуждава тялото да произвежда повече имунни клетки. Вирусът на човешката имунна недостатъчност (HIV), който причинява СПИН, живее и се размножава в тези клетки. С други думи, даваме му още повече възможности – нови, здрави клетки на имунната система да заразява.

Изследванията за намиране на ваксини срещу СПИН имат дълга история и се основават на откритие, направено още през 70-те години на миналия век от бъдещите академици Р. В. Петров, В. А. Кабанов и Р. М. Хайтов. Същността му е в това полиелектролити (заредени полимерни молекули, които са разтворими във вода)взаимодействат с клетките на имунната система и ги карат да произвеждат интензивно антитела. И ако, например, един от протеините, които изграждат обвивката на вируса, е прикрепен към полиелектролитна молекула, ще се активира имунен отговор срещу този вирус. Механизмът на действие на тази ваксина е коренно различен от всички ваксини, създадени преди това в света.

Първият в света и засега единственият полиелектролит, разрешен за въвеждане в човешкия организъм, беше полиоксидоний. След това протеините на грипния вирус бяха "зашити" върху полимера. Резултатът беше ваксината "Grippol", която защитава милиони хора в Русия от вирусна инфекция в продължение на почти 10 години.

Днес ваксината срещу СПИН се създава по същия метод. Протеин, характерен за вируса на СПИН, е свързан с полиелектролит. Получената ваксина е успешно тествана върху мишки и зайци. Въз основа на резултатите от предклиничните тестове Институтът по имунология на Руската академия на науките получи разрешение за провеждане на клинични изпитвания с участието на доброволци. Ако всички етапи на тестване на лекарството са успешни, то може да се използва не само за профилактика на HIV инфекция, но и за лечение на СПИН.

Лекарства, дарени от биотехнологиите

Лекарствата все още остават основният инструмент на медицинската практика. Но възможностите на химическата промишленост, която произвежда лъвския дял от лекарствата, са ограничени. Химическият синтез на много вещества е сложен и често невъзможен, като синтеза на по-голямата част от протеините. И тук на помощ идват биотехнологиите.

Производството на лекарства с помощта на микроорганизми има дълга история. Първият антибиотик, пеницилин, е изолиран от мухъл през 1928 г., а промишленото му производство започва през 1940 г. След пеницилина са открити и други антибиотици и започва тяхното масово производство.

Дълго време много лекарства, базирани на човешки протеини, можеха да се получат само в малки количества, производството им беше много скъпо. Генното инженерство даде надежда, че гамата от протеинови лекарства и техният брой ще се увеличи рязко. И тези очаквания се оправдаха. Няколко десетки лекарства, получени по биотехнологичен път, вече са навлезли в медицинската практика. Според експерти годишният обем на световния пазар на лекарства, базирани на протеини, създадени чрез генно инженерство, нараства с 15% и до 2010 г. ще възлезе на 18 милиарда долара.

Най-яркият пример за работата на нашите биотехнолози в тази област е генно модифицираният човешки инсулин, който се произвежда в Института по биоорганична химия на името на. M.M.Shemyakin и Yu.A.Ovchinnikov RAS. Инсулинът, тоест хормон с протеинова структура, регулира разграждането на захарта в тялото ни. Може да се извлича от животни. Това правеха и преди. Но дори инсулинът от панкреаса на прасетата - животните, биохимично най-близки до нас - все още е малко по-различен от човешкия инсулин.

Неговата активност в човешкото тяло е по-ниска от активността на човешкия инсулин. Освен това нашата имунна система не понася чужди протеини и прави всичко възможно да ги отхвърли. Следователно инжектираният свински инсулин може да изчезне, преди да има време да има терапевтичен ефект. Проблемът беше решен чрез технологията на генното инженерство, която днес се използва за производство на човешки инсулин, включително в Русия.

В допълнение към генно инженерния човешки инсулин в Института по биоорганична химия. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова от Руската академия на науките, Институт по биоорганична химия, Руската академия на науките, съвместно с Центъра за хематологични изследвания на Руската академия на медицинските науки, създадоха технология за производство на протеини за борба с масивни загуба на кръв. Човешкият серумен албумин и коагулационният фактор на кръвта са отлични инструменти за първа помощ и реанимация, търсени в медицината при бедствия.

Генетично модифицирани растения

Нашите знания за генетиката, разширяващи се всеки ден, ни позволиха да създадем не само генетични тестове за диагностициране на болести и светещи протеини, ваксини и лекарства, но и нови организми. Днес едва ли има човек, който да не е чувал за генетично модифицирани или трансгенни организми (ГМО). Това са растения или животни, в чиято ДНК са въведени гени отвън, придавайки на тези организми нови свойства, които са полезни от човешка гледна точка.

ГМО армията е голяма. Сред неговите редици са полезни микроби, които работят в биотехнологични фабрики и произвеждат много полезни вещества за нас, култури с подобрени свойства и бозайници, които произвеждат повече месо и повече мляко.

Едно от най-разпространените подразделения на ГМО са, разбира се, растенията. В крайна сметка от незапомнени времена те са служили като храна за хората и храна за животни. От растенията получаваме влакна за строителството, вещества за лекарства и парфюми, суровини за химическата промишленост и енергия, огън и топлина.

Ние продължаваме да подобряваме качеството на растенията и да разработваме нови сортове чрез селективно отглеждане. Но този труден и трудоемък процес отнема много време. Генното инженерство, което ни позволи да вмъкнем полезни гени в генома на растенията, издигна развъждането на фундаментално ново ниво.

Първото трансгенно растение, създадено преди четвърт век, беше тютюнът, а днес 160 трансгенни култури се използват в индустриален мащаб в света. Сред тях са царевица и соя, ориз и рапица, памук и лен, домати и тиква, тютюн и цвекло, картофи и карамфил и др.

В Центъра по биоинженерство на Руската академия на науките, ръководен от академик К. Г. Скрябин. заедно с беларуски колеги те създадоха първата родна генетично модифицирана култура - сортът картофи Елизавета, устойчив на колорадския бръмбар.

Първите генетично модифицирани култури, разработени в началото на 80-те години, бяха устойчиви на хербициди и насекоми. Днес с помощта на генното инженерство получаваме сортове, които съдържат повече хранителни вещества, устойчиви са на бактерии и вируси, на суша и студ. През 1994 г. за първи път е създаден сорт домати, които не са податливи на гниене. Този сорт се появи на пазарите на генетично модифицирани храни в рамките на две години. Още един трансгенен продукт, златен ориз, стана широко известен. В него, за разлика от обикновения ориз, се образува бета-каротин - предшественик на витамин А, който е абсолютно необходим за растежа на тялото. Златният ориз отчасти решава проблема с пълноценното хранене на жителите на тези страни, където оризът все още е основно ястие в диетата. А това са поне два милиарда души.

Храненето и производителността не са единствените цели, преследвани от генните инженери. Възможно е да се създадат сортове растения, които ще съдържат ваксини и лекарства в листата и плодовете си. Това е много ценно и удобно: ваксините, направени от трансгенни растения, не могат да бъдат замърсени с опасни животински вируси, а самите растения лесно се отглеждат в големи количества. И накрая, „годни за консумация“ ваксини могат да бъдат създадени на базата на растения, когато за ваксинация е достатъчно да се яде определено количество всеки трансгенен плод или зеленчук, например картофи или банани. Например, морковите съдържат вещества, които участват в образуването на имунния отговор на организма. Такива растения са създадени съвместно от учени от два водещи биологични института в Сибир: Института по цитология и генетика на Сибирския клон на Руската академия на науките и Института по химическа биология и фундаментална медицина на SB RAS.

Не може да се каже, че обществото е предпазливо към генетично модифицираните растения (GMP). И в самата научна общност продължава дискусия за възможната потенциална опасност от GMR. Затова в цял свят се провеждат изследвания за оценка на рисковете, свързани с използването на GMR – хранителни, агротехнически и екологични. Докато Световната здравна организация заявява следното: „Опитът, натрупан в продължение на 10 години търговска употреба на ГМ култури, анализът на резултатите от специални изследвания показва: към днешна дата няма нито един доказан случай на токсичност или неблагоприятни ефекти на регистриран ГМ култури културите като източници на храна или фуражи в света." "

От 1996 г., когато започна комерсиалното отглеждане на GMR, до 2007 г. общата площ, засята с трансгенни растения, се увеличи от 1,7 милиона на 114 милиона хектара, което е около 9% от всички обработваеми площи в света. Освен това 99% от тази площ е заета от пет култури: соя, памук, ориз, царевица и рапица. В общия обем на продукцията им генетично модифицираните сортове заемат над 25%. Абсолютен лидер в използването на GMR са САЩ, където още през 2002 г. 75% от памука и соята са били трансгенни. В Аржентина делът на трансгенната соя е 99%, в Канада 65% от рапицата е произведена по този начин, а в Китай - 51% от памука. През 2007 г. 12 милиона фермери са били ангажирани в отглеждането на въглеводороди, от които 90% живеят в развиващите се страни. В Русия промишленото отглеждане на въглеводороди е забранено със закон.

Генетично модифицирани животни

Генетичните инженери използват подобна стратегия за разработване на нови породи животни. В този случай генът, отговорен за проявата на всяка ценна черта, се въвежда в оплодената яйцеклетка, от която по-нататък се развива нов организъм. Например, ако наборът от гени на животно е допълнен с гена на хормон, стимулиращ растежа, тогава такива животни ще растат по-бързо с по-малко консумирана храна. Резултатът е по-евтино месо.

Едно животно може да бъде източник не само на месо и мляко, но и на лечебни вещества, съдържащи се в това мляко. Например най-ценните човешки протеини. За някои от тях вече говорихме. Сега този списък може да бъде допълнен с лактоферин, протеин, който предпазва новородените от опасни микроорганизми, докато не се изгради собствен имунитет.

Тялото на жената произвежда това вещество с първите порции кърма. За съжаление, не всички майки имат мляко, така че човешкият лактоферин трябва да се добавя към адаптираното хранене, за да се поддържа здравето на новородените. Ако в диетата има достатъчно защитен протеин, тогава смъртността на изкуствените бебета от различни стомашно-чревни инфекции може да бъде намалена десетократно. Този протеин е търсен не само в индустрията за бебешка храна, но и например в козметичната индустрия.

Технологията за производство на козе мляко с човешки лактоферин се разработва в Института по генна биология на Руската академия на науките и Научно-практическия център на Националната академия на науките на Беларус по животновъдство. Тази година се родиха първите две трансгенни козлета. В продължение на няколко години изследвания са изразходвани 25 милиона рубли за създаването на всеки от тях. Просто трябва да изчакаме, докато пораснат, размножат се и започнат да произвеждат мляко с ценен човешки протеин.

Клетъчно инженерство

Има още една вълнуваща област на биотехнологиите: клетъчната технология. Стволовите клетки, които са фантастични по своите способности, живеят и работят в човешкото тяло. Те заместват мъртвите клетки (да речем еритроцит, червено кръвно телце, живее само 100 дни), лекуват нашите фрактури и рани и възстановяват увредената тъкан.

Съществуването на стволови клетки е предсказано от руския хематолог от Санкт Петербург Александър Максимов още през 1909 г. Няколко десетилетия по-късно неговото теоретично предположение беше потвърдено експериментално: стволовите клетки бяха открити и изолирани. Но истинският бум започва в края на ХХ век, когато напредъкът в областта на експерименталните технологии позволява да се разкрие потенциалът на тези клетки.

Досега напредъкът в медицината, свързан с използването на стволови клетки, е повече от скромен. Ние знаем как да изолираме тези клетки, да ги съхраняваме, да ги размножаваме и да експериментираме с тях. Но все още не разбираме напълно механизма на техните магически трансформации, когато безлика стволова клетка се превръща в кръвна клетка или мускулна тъкан. Все още не сме разбрали напълно химическия език, на който стволовата клетка получава заповедта да се трансформира. Това незнание създава рискове от използването на стволови клетки и възпрепятства активното им внедряване в медицинската практика. Въпреки това има напредък в лечението на незарастващи фрактури при възрастни хора, както и във възстановителното лечение след инфаркти и сърдечни операции.

В Русия е разработен метод за лечение на изгаряния на ретината с помощта на човешки мозъчни стволови клетки. Ако тези клетки бъдат въведени в окото, те активно ще се придвижат до зоната на изгаряне, ще се установят във външния и вътрешния слой на увредената ретина и ще стимулират заздравяването на изгарянето. Методът е разработен от изследователска група учени от Московския научноизследователски институт по очни болести. G. Helmholtz Министерство на здравеопазването на Руската федерация, Институт по биология на развитието им. N.K.Koltsov RAS, Институт по генна биология RAS и Научен център по акушерство, гинекология и перинатология на Руската академия на медицинските науки.

В момента сме на етап натрупване на знания за стволовите клетки. Усилията на учените са насочени към изследвания, към създаване на инфраструктура, по-специално банки за стволови клетки, първата от които в Русия беше Gemabank. Отглеждането на органи, лечението на множествена склероза и невродегенеративни заболявания са бъдещето, макар и не толкова далечно.

Биоинформатика

Количеството знания и информация расте като снежна топка. Разбирайки принципите на функциониране на живите системи, ние осъзнаваме невероятната сложност на структурата на живата материя, в която различни биохимични реакции са сложно преплетени помежду си и образуват сложни мрежи. Възможно е да се разплете тази „мрежа“ на живота само чрез използване на съвременни математически методи за моделиране на процесите в живите системи.

Ето защо на пресечната точка на биологията и математиката се роди ново направление - биоинформатика, без което работата на биотехнолозите вече не е мислима. Повечето биоинформационни методи, разбира се, работят за медицината, а именно за търсенето на нови лекарствени съединения. Те могат да бъдат търсени въз основа на познаването на структурата на молекулата, която е отговорна за развитието на дадено заболяване. Ако такава молекула бъде блокирана с някое вещество, избрано с висока точност, тогава ходът на заболяването може да бъде спрян. Биоинформатиката прави възможно откриването на блокираща молекула, подходяща за клинична употреба. Ако знаем целта, да речем, структурата на "болестотворния" протеин, тогава с помощта на компютърни програми можем да симулираме химическата структура на лекарството. Този подход ви позволява значително да спестите време и ресурси, които отиват за сортиране и тестване на десетки хиляди химични съединения.

Сред лидерите в създаването на лекарства с биоинформатика в Русия е компанията Химрар. В търсенето на потенциални противоракови лекарства, тя участва по-специално в скрининга на много хиляди химични съединения. Най-мощните руски научни центрове, занимаващи се с биоинформатика, включват и Института по цитология и генетика на Сибирския клон на Руската академия на науките. В началото на 60-те години на ХХ век в новосибирския академичен град се формира уникална научна школа, обединяваща биолози и математици. Основната област на работа на новосибирските биоинформатици е анализът на протеиновите взаимодействия вътре в клетките и търсенето на потенциални молекулярни цели за нови лекарства.

За да разберем механизма на развитие на дадено заболяване, е важно да знаем кои от хилядите гени, работещи в болна клетка, всъщност са отговорни за заболяването. Тази никак не лесна задача се усложнява от факта, че гените по правило не работят самостоятелно, а само в комбинация с други гени. Но как можем да вземем предвид приноса на други гени към конкретно заболяване? И тук на помощ на лекарите идва биоинформатиката. С помощта на математически алгоритми е възможно да се конструира карта, на която пресичанията на пътища показват взаимодействията на гените. Такива карти разкриват групи от гени, работещи в болна клетка на различни етапи от заболяването. Тази информация е изключително важна, например, за избор на стратегия за лечение на рак в зависимост от стадия на заболяването.

Индустриална биотехнология

Човекът използва биотехнологиите от незапомнени времена. Хората правели сирене от мляко, квасили зеле за зимата и приготвяли весели напитки от всичко, което е ферментирало. Всичко това са класически микробиологични процеси, при които основна движеща сила е микроорганизмът, най-малката жива система.

Днес наборът от проблеми, решавани от биотехнологиите, се разшири невероятно. Вече говорихме за генетична диагностика на болести, нови ваксини и лекарства, получени с помощта на биотехнологии, и генетично модифицирани организми. Животът обаче поставя и други предизвикателства. Гигантските химически производствени съоръжения, където получаваме веществата, необходими за създаване на комфортна среда за живот (влакна, пластмаси, строителни материали и много други), днес вече не изглеждат толкова привлекателни, колкото преди 60 години. Те консумират много енергия и ресурси (високи налягания, температури, катализатори от благородни метали), замърсяват околната среда и заемат ценна земя. Биотехнолозите могат ли да предложат заместител тук?

Да те могат. Например генетично модифицирани микроорганизми, които работят като ефективни катализатори за индустриални химични процеси. Такива биокатализатори са създадени във Всеруския научноизследователски институт по генетика и селекция на микроорганизми, например за опасния и мръсен етап на производство на токсичното вещество акриламид. Използва се за получаване на полимер полиакриламид,използва се при пречистване на водата, в производството на пелени и за производството на хартия с покритие и за много други цели. Биокатализаторът позволява химическа реакция за получаване на мономер при стайна температура, без използването на агресивни реагенти и високо налягане.

Биокатализаторът е въведен в промишлена употреба в Русия благодарение на усилията на научния екип на ЗАО Биоамид (Саратов) под ръководството на Сергей Воронин. Същият екип разработи биотехнология за производство на аспарагинова киселина и създаде заместващия внос сърдечен медикамент Asparkam L. Лекарството вече е навлязло на пазара в Русия и Беларус. Руското лекарство е не само по-евтино от вносните аналози, но според лекарите е и по-ефективно. Факт е, че Asparkam L съдържа само един оптичен изомер на киселината, който има терапевтичен ефект. А западният аналог панангин се основава на смес от два оптични изомера L и D, вторият от които служи просто като баласт. Откритието на екипа на Bioamida е, че са успели да разделят тези два трудни за разделяне изомера и да поставят процеса на индустриална основа.

Възможно е в бъдеще гигантските химически заводи да изчезнат напълно и вместо тях да има малки, безопасни цехове, които не вредят на околната среда, където микроорганизмите ще работят, произвеждайки всички необходими междинни продукти за различни индустрии. Освен това малките зелени фабрики, били те микроорганизми или растения, ни позволяват да получаваме полезни вещества, които не могат да бъдат произведени в химически реактор. Например протеин от паяжина. Рамковите нишки на мрежите за улавяне, които паякът тъче за своите жертви, са няколко пъти по-силни от стоманата. Изглежда, че засаждате паяци в работилници и издърпвате протеинови нишки от тях. Но паяците не живеят в един буркан - те ще се изядат един друг.

Красиво решение беше намерено от екип от учени, ръководен от доктора на биологичните науки Владимир Богуш (Държавен изследователски институт по генетика и селекция на микроорганизми) и доктора на биологичните науки Елеонора Пирузян (Институт по обща генетика на Руската академия на науките). Първо, гените, отговорни за синтеза на протеин от паяжина, са изолирани от генома на паяка. След това тези гени бяха вмъкнати в клетки от дрожди и тютюн. И двамата започнаха да произвеждат необходимия ни протеин. В резултат на това е създадена основата за технологията на производство на уникален и почти естествен конструктивен материал, лек и изключително издръжлив, от който могат да се изработват въжета, бронежилетки и много други.

Има и други проблеми. Например огромно количество отпадъци. Биотехнологията ни позволява да превърнем отпадъците в приходи. Страничните продукти от селското стопанство, горското стопанство и преработката на храни могат да бъдат превърнати в метан, биогаз, подходящ за отопление и енергия. Или можете да използвате метанол и етанол, основните компоненти на биогоривата.

Индустриалните приложения на биотехнологиите са активно включени в Химическия факултет на Московския държавен университет. М. В. Ломоносов. Включва няколко лаборатории, ангажирани с различни проекти – от създаването на индустриални биосензори до производството на ензими за фин органичен синтез, от технологии за рециклиране на индустриални отпадъци до разработването на методи за производство на биогорива.

Наука, бизнес, правителство

Постигнатите успехи са резултат от съвместните усилия на биолози, химици, лекари и други специалисти, работещи в пространството на живите системи. Връзката между различните дисциплини се оказа ползотворна. Разбира се, биотехнологията не е панацея за решаване на глобални проблеми, а инструмент, който обещава големи перспективи, ако се използва правилно.

Днес общият обем на биотехнологичния пазар в света е 8 трлн. долара. Биотехнологиите са водещи и по отношение на финансирането на научноизследователска и развойна дейност: само в Съединените щати държавни агенции и частни компании харчат повече от 30 милиарда долара годишно за тези цели.

Инвестициите в науката и технологиите в крайна сметка ще донесат икономически ползи. Но биотехнологиите сами по себе си няма да решат сложни здравни или хранителни проблеми. Трябва да се създаде благоприятна здравна инфраструктура и индустриална структура, за да се гарантира достъп до нови диагностични техники, ваксини и лекарства и растения с подобрени свойства. Тук е изключително важна и ефективната комуникационна система между науката и бизнеса. И накрая, абсолютно необходимо условие за изграждането на ефективен иновативен сектор на икономиката е взаимодействието на научни и търговски структури с държавата.

Помогнете на STRF.ru
През 2008 г. са подадени 939 заявления за разработване на теми в направление „Живи системи” (за сравнение: общо за програмата са 3180),
– за конкурса са подадени 396 заявления (общо 1597),
– Проведени са 179 състезания (общо 731)
– в състезанията участваха организации от 23 отдела (общо 36), 17 от които спечелиха
– Сключени са 179 договора (общо 731)
– 120 договора продължават и до днес (общо 630)
– 346 организации (общо 842) изпратиха заявления за разработване на теми за живи системи
– 254 организации (общо 806) са подали заявления за конкурса като водещи
– 190 организации са подали заявления за конкурса като съизпълнители (общо 636)
– средната конкуренция за лотове в направлението е 2212 (средно за програмата – 2185)
– бюджетът на договора за 2008 г. възлиза на 1041,2 милиона рубли. (21,74% от целия бюджет на програмата)

Динамика на растеж и разпределение на финансирането в областта на живите системи в рамките на Федералната целева научно-техническа програма от 2002–2006 г. и Федералната целева програма от 2007–2012 г.:
2005 г. - 303 договора, 1168,7 милиона рубли. (100%)
2006 г. - 289 договора, 1227,0 милиона рубли. (105%)
2007 г. - 284 договора, 2657,9 милиона рубли. (227%)
2008 г. - 299 договора, 3242,6 милиона рубли. (277%)

Науките не възникват сами, а не защото някой ги е измислил просто „от интерес“. Всяка наука се появява в резултат на необходимостта човечеството да реши определени проблеми, възникнали в процеса на неговото развитие. Биологията не е изключение, тя също възниква във връзка с решаването на много важни проблеми за хората. Едно от тях винаги е било по-задълбочено разбиране на процесите в живата природа, свързани с производството на хранителни продукти, т.е. познаване на особеностите на живота на растенията и животните, техните промени под въздействието на човека, начините за получаване на надеждна и все по-богата реколта. Разрешаването на този проблем е една от основните причини за развитието на биологията.

Друга, не по-малко важна „пролет“ е изучаването на човешките биологични характеристики. Човекът е продукт на развитието на живата природа. Всички процеси в нашия живот са подобни на тези, които се случват в природата. И следователно само дълбокото разбиране на биологичните процеси служи като научна основа на медицината. Възникването на съзнанието, което означава гигантска крачка напред в самопознанието на материята, също не може да бъде разбрано без задълбочено изследване на живата природа поне в две посоки – появата и развитието на мозъка като орган на мисленето (загадката на мисленето все още остава неразрешен) и появата на социалност, обществен образ живот.

Увеличаването на производството на храни и развитието на медицината са важни, но не единствените проблеми, които определят развитието на биологията като наука в продължение на хиляди години. Дивата природа е източник на много материали и продукти, необходими на човечеството. Трябва да познавате свойствата им, за да ги използвате правилно, да знаете къде да ги търсите в природата и как да ги получите. В много отношения първоначалният източник на такова знание е биологията. Но това не изчерпва значението на биологичните науки.

През 20 век Населението на Земята се е увеличило толкова много, че развитието на човешкото общество се е превърнало в определящ фактор за развитието на биосферата на Земята. Вече стана ясно, че живата природа е не само източник на храна и много необходими продукти и материали, но и необходимо условие за съществуването на самото човечество. Връзките ни с нея се оказаха много по-тесни и жизненоважни, отколкото си мислеха в началото на 20 век.

Например въздухът изглеждаше същият неизчерпаем и постоянен ресурс на природата като, да речем, слънчевата светлина. Всъщност това не е вярно. Качественият състав на атмосферата, с който сме свикнали, с нейните 20,95% кислород и 0,03% въглероден диоксид, е производна на дейността на живите същества: дишане и фотосинтеза на растенията, окисляване на мъртва органична материя. Кислородът във въздуха възниква само в резултат на живота на растенията. Основните фабрики за кислород на Земята са тропическите гори и океанските водорасли. Но днес, както показват наблюденията, количеството въглероден диоксид в земната атмосфера непрекъснато нараства в резултат на отделянето на огромни количества въглерод по време на изгарянето на нефт, газ, въглища, дърва, както и други антропогенни процеси. От 1958 г. до 1980 г. количеството въглероден диоксид в земната атмосфера се е увеличило с 4%. До края на века съдържанието му може да нарасне с повече от 10%. През 70-те години ХХ век количеството кислород, постъпващо в атмосферата в резултат на дейността на растенията, беше оценено в t/година, а годишната консумация от човечеството беше оценена в t/година. Това означава, че вече живеем от запасите от кислород, натрупани в миналото, през милиони години еволюция на живите същества на планетата.

Водата, която пием, или по-точно чистотата на тази вода, нейното качество също се определя преди всичко от живата природа. Нашите пречиствателни станции само завършват огромния процес, който се случва в природата, невидим за нас: водата в почвата или резервоара многократно преминава през телата на безброй безгръбначни, филтрира се от тях и, освободена от органични и неорганични примеси, става същата както го познаваме в реки, езера и извори.

По този начин качественият състав на въздуха и водата на Земята зависи от жизнената дейност на живите организми. Трябва да се добави, че плодородието на почвата - основата на реколтата - е резултат от жизнената дейност на живи организми, живеещи в почвата: огромен брой бактерии, безгръбначни, водорасли.

Човечеството не може да съществува без живата природа. Оттук и жизнената необходимост да го поддържаме в „работно състояние“.

За съжаление, това не е толкова лесно да се направи. В резултат на човешкото изследване на цялата повърхност на планетата, развитието на селското стопанство, индустрията, обезлесяването, замърсяването на континентите и океаните, все по-голям брой видове растения, гъби и животни изчезват от лицето на Земята. Изчезнал вид не може да бъде възстановен. Той е продукт на милиони години еволюция и има уникален генофонд – уникален код на наследствена информация, който определя уникалните свойства на всеки вид. Според някои оценки в началото на 80-те години. В света всеки ден се унищожава средно по един вид животни, като до 2000 г. тази скорост може да нарасне до един вид на час. У нас средно на всеки 3,5 години изчезва по един вид гръбначни животни. Как можем да променим тази тенденция и да се върнем към еволюционно обоснования път на постоянно увеличаване на общия „сум от живот“, вместо да го намаляваме? Този проблем засяга цялото човечество, но е невъзможно да се реши без работата на биолозите.

Образно казано, съвременната биология е огромна, многоетажна сграда, съдържаща хиляди „стаи“ - направления, дисциплини, цели независими науки. Самото им изброяване може да отнеме десетки страници.

В сградата на биологията има, така да се каже, четири основни „етажа“, съответстващи на основните нива на организация на живата материя. Първият „етаж“ е молекулярно-генетичен. Обектът на изучаване на живите същества тук са единици наследствена информация (гени), техните промени - мутации и самият процес на предаване на наследствена информация. Вторият "етаж" е онтогенетичен или нивото на индивидуално развитие. Събитията на този „етаж“ все още са най-малко проучени в биологията. Тук се случва мистериозен процес, който определя появата на точното място, в точното време на това, което трябва да се появи при нормалното развитие на всеки индивид - крак или око в животно, лист или кора в растение. Следващият „етаж“ е нивото популация-вид. Елементарните единици на това ниво са популации, т.е. относително малки, дълго съществуващи групи от индивиди от един и същи вид, в рамките на които се извършва обмен на наследствена информация. Елементарните явления тук са необратими промени в генотипния състав на популациите и в крайна сметка появата на различни адаптации и нови видове. На последния, четвърти "етаж" протичат процеси в екологични системи от различни мащаби - сложни общности от много видове, до биосферни процеси като цяло. Елементарните структури на тези общности са биогеоценози, а елементарните явления са преходът на биогеоценозата от едно състояние на динамично равновесие в друго, което в крайна сметка води до промяна в цялата биосфера като цяло. Всяко ниво има свои собствени закони, но събитията, които се случват на всяко от тях, са тясно свързани със събитията на други нива.

През последните десетилетия молекулярната биология се придвижи до известна степен напред (по отношение на броя на учените, заети в тази област, и средствата, отпуснати в различни страни за развитието на тази конкретна област на изследване). Получени са забележителни резултати, вариращи от чисто теоретични (дешифриране на генетичния код и синтез на първите изкуствени гени) до практически (например развитието на генното инженерство). Популационната биология сега започва да се развива бързо, което ще позволи успешното решаване на много съвременни проблеми, свързани с увеличаването на производството на хранителни продукти, необходими за нарастващата човешка популация, запазването на бързо изчезващите видове живи организми, редица проблеми, свързани с грандиозна задача за преход към управление на еволюционното развитие на все по-голяма и по-голяма популация.повече видове. Интензивното развитие на биосферния „етаж“ на изследванията не е далеч.

Не трябва да се мисли, че биолозите в класическите области - зоология, ботаника, морфология, физиология, систематика и други - вече са направили всичко. Тук има още много работа. Знаете ли, че по-малко от половината организми, обитаващи нашата планета, са научно описани (предоставени са точни описания и е дадено научно име) – само около 4,5 милиона вида, а според някои оценки не повече от една трета или дори четвърт от тях? Дори в нашата страна, разположена предимно в умерена климатична зона, не отличаваща се с разнообразие от органични форми, учените откриват ежегодно десетки нови видове (главно безгръбначни).

Не е ли очарователно изследването на палеонтолозите, които, използвайки разпръснати останки от изкопаеми организми, пресъздават външния вид на отдавна изчезнали животни, възстановяват природата на минали епохи и откриват пътищата за развитие на органичния свят?

И тук най-интересните находки очакват изследователите. Колко сензационно беше например откритието на най-старите доядрени вкаменелости в скали на повече от 3 милиарда години! Това означава, че още тогава е имало живот на Земята. Не по-малко увлекателна и пълна с открития е работата на генетици, зоолози, ботаници, биохимици, физиолози и др.

Хората на Земята ставаме все повече и искаме да живеем все по-добре. Следователно развитието на обществото изисква все повече суровини и разнообразие от продукти. Това поражда огромната задача за интензифициране на цялото народно стопанство, включително и на отраслите, които са свързани с биологията, преди всичко селското, горското стопанство, лова и риболова. Но не само тези индустрии. В нашата страна например е създадена и успешно се развива микробиологичната индустрия - огромен отрасъл от националната икономика, който осигурява хранителни и фуражни продукти (за добитък и птици, отглеждана риба и др.), най-новите лекарства и лекарства, и дори помага за извличането на различни минерали. Стартира и вече дава първите си плодове още един биологичен клон на националната икономика - биотехнологиите, основани на използването на открити от физико-химичната (молекулярната) биология процеси и структури за създаване на вещества и продукти, необходими на човечеството. Развитието на най-важните области на биологичните науки, разширяването на практическата им връзка с медицината и селското стопанство се обсъжда в „Основните насоки на икономическото и социално развитие на СССР за 1986-1990 г. и за периода до 2000 г.“, приети от XXVII конгрес на КПСС.

Интензификацията означава също ограничаване на природните ресурси и тяхното опазване в интерес на развиващото се общество. Забележително свойство на живите природни ресурси е тяхната възобновяемост, способността им да се възстановяват в резултат на възпроизводството на живите организми. Следователно чрез интензифициране на използването на живите природни ресурси е възможно и необходимо да се гарантира, че те ни служат за неопределено дълго време. Това може да стане чрез организиране на реално икономическо, икономично използване и поддържане на живите сили на природата. Много учени работят върху решаването на тези проблеми. Партията и правителството обръщат голямо внимание на всички тези въпроси. Програмата на КПСС (нова редакция) гласи: „Партията счита за необходимо да засили контрола върху управлението на околната среда и да разшири по-широко екологичното образование на населението“.

Когато възникна идеята за създаването на тази книга, една от основните задачи, поставени пред авторския екип, беше да се говори за важните и интересни особености на съвременната биология, за това какво вече е постигнато в различните й области и какви нерешени проблеми биолозите лице. Искахме, без да повтаряме учебника, а разчитайки на знанията, които дава училищната програма по биология, да покажем върху какво работят биолозите в лаборатории и експедиции. Речникът съдържа и много есета за изключителни биолози от нашата страна и други страни. Благодарение на работата на нашите предшественици в науката имаме знанията, които имаме днес.

Няколко думи за това как да четете тази книга. В текста често ще намерите думи в курсив. Това означава, че в речника има специална статия за това понятие. Азбучният указател в края на книгата ще ви помогне да се ориентирате в съдържанието на речника. Не пропускайте да разгледате списъка с препоръчителни материали за четене.

Надяваме се, че „Енциклопедичният речник на млад биолог“ ще ви помогне да научите много нови и завладяващи неща за живата природа, да намерите отговори на вашите въпроси и да събудите и развиете интерес към прекрасната наука за живите същества - биологията.

Докторът на физико-математическите науки Александър Печен описа пред Lenta.ru най-обещаващите области на физиката и сродните науки въз основа на резултатите от най-голямата награда за млади учени, Националната награда Блаватник. Сега Печен е водещ изследовател и научен секретар на Математическия институт V.A. Стеклов от Руската академия на науките, той е получил образованието си във Физическия факултет на Московския държавен университет, работил е в Принстънския университет и става един от първите руснаци, получили наградата Блаватник през 2009 г.

основна тема

Снимка: Jens Kalaene / ZB / Global Look

Фотониката изследва възможностите за използване на светлината за предаване, съхраняване, обработка на информация, контролиране на микрообекти (клетки, макромолекули) и квантови системи (индивидуални атоми). Технологиите, базирани на фотоника, могат да ускорят или направят предаването, съхранението и обработката на информация енергийно ефективни. Това е важно например за центровете за данни, които сега са най-големите потребители на енергия в Съединените щати. Модулирана светлина и изкуствено създадени материали със специални оптични свойства, които не се срещат в природата, са в основата на лазера и фотохимията, както и такива интересни неща като „наметала невидимка“ и оптични пинсети.

Практически приложения на фотониката

Снимка: Лаборатория Тачи, Токийския университет

Метаматериалите са нов клас изкуствени материали със специални оптични свойства, които позволяват да се скрият обектите и да ги направят невидими. Теоретично такива материали са изследвани за първи път от съветския физик Виктор Веселаго.

В момента тече активно разработване на такива материали. Например през 2009 г. физиците откриха невидими килими за инфрачервена светлина.

Оптичните пинсети са инструмент, който ви позволява да манипулирате микроскопични обекти с помощта на лазерна светлина, например да сортирате и премествате отделни клетки и протеинови молекули.

Наградата, основана от руско-американския милиардер Леонид Блаватник, се присъжда на изследователи, работещи в Съединените щати на възраст под 42 години. Сумата - 250 хиляди долара - ни позволява да я считаме за своеобразен аналог на Нобеловата награда за млади учени. Тазгодишните лауреати бяха отличени в САЩ и се проведе симпозиум, посветен на най-обещаващите научни тенденции на нашето време.

Номинирани

Наградата се присъжда в три категории: „науки за живота“ (биология, медицина, невробиология и др.), „физически и инженерни науки“, „химия“. През 2015 г. бяха номинирани близо 300 номинирани от 147 американски институции и университети. За всяка дисциплина бяха избрани приблизително десет финалисти. След това беше избран по един лауреат от всяка група финалисти. И тримата тазгодишни отличени са от Калифорнийския университет: Едуард Чанг (Университет на Сан Франциско, науки за живота), Сайед Джафар (университет на Ървайн, физически науки) и Кристофър Чанг (университет Бъркли, химия).

Сега във фотониката се формира нов подход за управление на квантовите системи, тоест отделни атоми или молекули. (Това е основната тема на научните трудове на Александър Печен - прибл. "Tapes.ru"). Традиционно частиците се контролират с помощта на лазер с променлив интензитет на излъчване. Новите методи използват средата, за да направят това. В традиционните системи влиянието му почти никога не може да бъде елиминирано и има разрушителен ефект върху атомните и молекулярните квантови системи. Сега обаче влиянието на външната среда се взема предвид и се използва за управление на тези системи.

Контролът на квантовите системи се използва за контролиране на скоростта на химичните реакции с помощта на лазери за увеличаване на добива на желания реакционен продукт и селективно разкъсване на химични връзки в сложни молекули, разделяне на изотопи с помощта на лазери или некохерентно оптично лъчение. Квантовият контрол се използва както в квантовите компютри, които все още се изследват, така и на практика – за увеличаване на скоростта на скенерите за магнитен резонанс.

Квантови симулатори и нови материали

Квантовите материали могат да се използват в устройства с квантова памет, за създаване на високотемпературна свръхпроводимост, биодиагностика, базирана на квантови точки, и суперкондензатори, базирани на лазерно индуциран графен.

За симулиране на биологични молекули, кристали, атомни ядра и други сложни системи е необходимо да се изчисли квантовата динамика на голям брой частици, което е абсолютно недостъпно за съвременните изчислителни устройства. Квантовите симулатори са моделни квантови системи, чиито параметри могат да бъдат коригирани, за да симулират други сложни системи от практически интерес. Всъщност квантовите симулатори са аналогови квантови компютри.

Медицински и биотехнологии

Снимка: Robson Fernandjes / Estadao Conteudo / Global Look

В областта на науките за живота учените обръщат повече внимание на развитието на телемедицината - използването на телекомуникационни технологии, като смартфони, заедно с различни медицински сензори за дистанционна диагностика на заболявания без лично посещение при лекар. Именно тази посока беше най-забележимата сред примерите за комерсиализация на научни разработки.

Една от обещаващите области на невронауката обаче е оптогенетиката, която изучава контрола на невроните с помощта на светлинни импулси. Използването на оптични световоди и светлочувствителни протеини прави възможно постигането на високопрецизни ефекти върху нервните клетки. Чрез специфично активиране и изключване на различни области на мозъка, оптогенетиката революционизира изследванията на нервната система през последните години.

Математическа физика

Съвременните теоретични модели изискват сложен математически апарат. Въпреки че Нобеловата награда не се присъжда в тази дисциплина, има по-малко известни, както и номинации в свързани области. Например Клемент Хонглер спечели регионалната награда Блаватник през 2014 г. Трябва да се отбележи, че той получава докторска степен под ръководството на руския математик и носител на медал на Фийлдс Станислав Смирнов. Hongler съобщи за нови точни резултати в модела Ising, математически модел, използван за описване на процеса на намагнитване на материали. Моделът Ising също така служи като основа за D-Wave, най-голямото квантово изчислително устройство до момента, произведено от D-Wave Systems. Ще направя уговорка, че продължават дискусиите за това до каква степен тези компютри трябва да се считат за квантови.

Работата на Hongler е в пресечната точка на статистическата механика, теорията на вероятностите, комплексния анализ и квантовата теория на полето. Той и неговите съавтори получиха строги резултати от изследването на модела на Изинг, включително в такава важна област като установяването на връзка между критичния модел на Изинг и конформната теория на полето на Белавин, Поляков и Замолодчиков - универсална теория, която служи за описват различни критични явления във физиката, тоест ситуации, когато лека промяна в някакъв параметър, като температура, води до най-радикални промени в поведението на физическа система.

Интересни са и областите, свързани с блуждаещите планети, несвързани с никоя звезда, както и създаването на нови наблюдателни инструменти, които скоро ще бъдат пуснати в действие за търсене и изследване на планети извън Слънчевата система. Те ще помогнат значително да разширим знанията си за такива планети, да изследваме химичния състав на техните атмосфери, да определим наличието на органични вещества и да търсим живот там.

Комерсиализация на изследванията

Съвременната тенденция е комерсиализацията на научните открития. На събитието, посветено на гореспоменатата награда, почти две дузини компании в областта на медицинската диагностика, съхранението на енергия и анализа на данни бяха основани от носители на наградата. Развива се и биомедицинският ускорител Harvard Blavatnik.

Нивото на съвременната наука позволява сравнително бързо преминаване от фундаментални изследвания към приложни изследвания и след това прилагане на научни открития към търговски продукти.