Inne nauki o życiu. Najbardziej obiecujące obszary badań naukowych Medycyna i biotechnologie
11 lipca 2008Nauki o życiu(nauki o życiu) łączą różne gałęzie biologii, biotechnologii i medycyny. W ostatnich latach jest to jeden z priorytetów światowej nauki i ekonomii. Wybór nauk przyrodniczych jako priorytetowego obszaru rozwoju wynika z kilku powodów. Nauki te stanowią podstawę zaspokajania podstawowych potrzeb ludzkości.
Przede wszystkim jest to służba zdrowia. Aby zadbać o zdrowie, trzeba zrozumieć, co dzieje się ze zdrowym człowiekiem i co dzieje się w patologii. Nauki o życiu stają się szczególnie ważne w miarę wzrostu średniej długości życia: potrzeba zapewnienia starszym członkom społeczeństwa zdrowej i aktywnej starości stawia nowe wyzwania dla biologii i medycyny. Po drugie, rosnąca populacja świata i rosnący dobrobyt wymagają opracowania nowych sposobów zwiększania produktywności rolnictwa, nowych odmian roślin - nie tylko bardziej produktywnych, ale także o ulepszonych właściwościach konsumenckich. Po trzecie, rosnąca presja, jaką ludzkość wywiera na przyrodę, wymaga coraz wnikliwszych badań ekologii i przyjęcia środków mających na celu zmniejszenie tego obciążenia – na przykład poprzez metody produkcji biopaliw, tworzyw biodegradowalnych, zaawansowane praktyki rolnicze, ograniczanie zanieczyszczeń środowiska i bioremediację – renaturyzacja zanieczyszczonych lub zniszczonych biocenoz.
Centralnym ogniwem łączącym nauki o życiu jest biotechnologia w najszerszym tego słowa znaczeniu.
Priorytet systemów żywych
Osobista identyfikacja i rzetelne diagnozowanie chorób, hodowanie narządów ludzkich i tworzenie upraw o wysokiej zawartości witamin, tłuszczów i białek, nowe szczepionki i leki – te i wiele innych technologii słusznie należą do najszerszej przestrzeni zwanej „żywymi systemami”.
Stworzenie rozwiniętej gospodarki w społeczeństwie postindustrialnym nie jest możliwe bez aktualizacji struktury technologicznej i form działalności naukowej odpowiadających odchodzącemu systemowi gospodarczemu. Dlatego jednym z kluczowych zadań naszego państwa jest kształtowanie efektywnego i konkurencyjnego sektora nauki i innowacji. Głównym instrumentem państwa w dziedzinie rozwoju nauki i technologii jest federalny program celowy „Badania i rozwój w obszarach priorytetowych dla rozwoju kompleksu naukowo-technicznego Rosji na lata 2007–2012”. W ramach tego programu państwo finansuje prace odpowiadające wybranym priorytetom naukowym i naukowo-technicznym państwa, z których jednym jest „Systemy Żywe”.
Pomoc STRF.ru :
Prace w obszarze priorytetowym „Systemy żywe” prowadzone są również w ramach Federalnego Programu Celowego „Badania i rozwój w priorytetowych obszarach rozwoju kompleksu naukowo-technologicznego Rosji na lata 2007-2012”. W ramach tego kierunku w 2008 roku opracowano w szczególności następujące technologie krytyczne:
– technologie biomedyczne i weterynaryjne służące podtrzymywaniu życia i ochronie ludzi i zwierząt;
– technologie biokatalityczne, biosyntetyczne i biosensoryczne;
– technologie genomowe i postgenomowe w tworzeniu leków;
– technologie komórkowe;
– technologie bioinżynieryjne.
Pojęcie "nauki o życiu" zastąpił zwykłe pojęcie „nauk biologicznych” i nadał wspólną nazwę wszystkim naukom o organizmach żywych: zoologii i genetyce, botanice i biologii molekularnej, fizjologii i biochemii, ekologii i medycynie. Każdy, kto pracuje w tych dziedzinach, ma do czynienia z systemami żywymi, czyli żywymi organizmami, czy to osobą, czy kwiatem, wirusem czy bakterią. Można powiedzieć, że systemy żywe to wszystko, co się rozmnaża, oddycha, żywi się i porusza.
Nie chodzi jednak tylko o zmianę nazwy. Termin „żywe systemy” jest bardziej aktywny, bardziej zorganizowany. Odzwierciedla systematyczne podejście do tej interdyscyplinarnej dziedziny nauki i wiedzy, w której pracują biolodzy, chemicy, fizycy i matematycy. Ponadto termin „żywe systemy” ma charakter bardzo technologiczny. Polega ona nie tylko na poznaniu i odkryciu zasad organizacji istot żywych, ale także na wykorzystaniu tej wiedzy w postaci nowych technologii. Podejście to zachęca różnych specjalistów do wspólnego przejścia od pomysłu naukowego do jego praktycznego wdrożenia i wykorzystania w interesie ludzi.
Osobista identyfikacja i rzetelne diagnozowanie chorób, hodowanie narządów ludzkich i tworzenie upraw o wysokiej zawartości witamin, tłuszczów i białek, nowe szczepionki i leki – te i wiele innych technologii słusznie należą do najszerszej przestrzeni zwanej „żywymi systemami”. Badania i rozwój prowadzone w tym obszarze wypełnią nasz przemysł najnowocześniejszymi technologiami, poprawią zdrowie i zwiększą bezpieczeństwo obywateli Rosji. Dlatego żywe systemy są jednym z głównych priorytetów rządu w dziedzinie nauki i technologii, aktywnie wspieranym przez federalne programy celowe.
Zbiór ten pokrótce zapozna czytelnika z koncepcją platform technologicznych i biotechnologii, a także niektórymi osiągnięciami wiodących rosyjskich zespołów naukowych pracujących w priorytetowym kierunku „Living Systems”.
Pomoc STRF.ru :
Podział środków w kierunku „Living Systems” w ramach Federalnego Programu Celowego w 2008 r. Według regionów (w milionach rubli):
FEFD – 9 kontraktów, budżet 116,5
Wołżański Okręg Federalny - 17 kontraktów, budżet 140,1
Północno-Zachodni Okręg Federalny – 32 kontrakty, budżet 156,0
Syberyjski Okręg Federalny – 34 kontrakty, budżet 237,4
Uralski Okręg Federalny – 1 kontrakt, budżet 50
Centralny Okręg Federalny – 202 kontrakty, budżet 2507,8
Południowy Okręg Federalny – 4 kontrakty, budżet 34,85
Wiedza jako technologia
W rozmowach na temat rozwoju podstawowych i stosowanych osiągnięć w dziedzinie systemów żywych coraz częściej spotyka się pojęcie „technologii”. We współczesnej gospodarce postindustrialnej przez technologię rozumie się zespół udokumentowanej wiedzy służącej celowym działaniom przy wykorzystaniu środków technicznych (np. technologie organizacyjne, technologie konsumenckie, technologie społeczne, technologie polityczne). Należy zauważyć, że w gospodarce rynkowej technologia, jako rodzaj wiedzy, jest towarem. Zasób wiedzy oznaczony tym pojęciem rodzi pytania nie tylko o to, co robimy, ale także jak i, co najważniejsze, dlaczego to robimy.
Przy ustalaniu strategii rozwoju kompleksu naukowo-technicznego w skali kraju wykorzystuje się koncepcję „platformy technologicznej”. Nie ma jeszcze jasnej definicji tego terminu. Niemniej jednak już teraz wiadomo, że koncepcja ta obejmuje zasób wiedzy, metody, bazę materiałowo-techniczną oraz wykwalifikowaną kadrę, która różni się w zależności od zewnętrznych zleceń na prace naukowo-technologiczne. Kierunek priorytetowy „Living Systems” można uznać za połączenie kilku platform technologicznych.
Sekrety ujawnione
Z systemów żywych czerpiemy technologie, które są normą życia dla natury. Wykorzystuje je podczas narodzin, rozwoju i śmierci każdego żywego organizmu. Co więcej, na każdym poziomie hierarchii układu żywego – genetycznym, komórkowym, organizmowym – istnieje inny zestaw rozwiązań technologicznych.
Każdy żywy system zaczyna się od głównej cząsteczki życia, DNA, które przechowuje i przekazuje informacje dziedziczne z pokolenia na pokolenie. DNA można z grubsza podzielić na sekcje semantyczne – geny. Wysyłają polecenia syntezy określonych białek, które tworzą cechy organizmu i zapewniają mu życie. Naukowcy szacują liczbę genów u człowieka na 20–25 tys. Jeśli w genach wystąpią wady zwane mutacjami, u człowieka zapadnie na poważną chorobę. Objętość tekstu „zarejestrowanego” w genomie jest identyczna z teczką dziennika „Izwiestia” od 30 lat.
DNA żyje i działa w komórce. Żywa komórka jest doskonałością samą w sobie. Wie, jak przekształcić niepotrzebne substancje w przydatne, syntetyzować leki wewnętrzne dla organizmu, materiał budowlany i wiele więcej. Co minutę w żywej komórce w najbardziej zwyczajnych warunkach zachodzą miliony reakcji chemicznych – w środowisku wodnym, bez wysokiego ciśnienia i temperatur.
Jedna komórka żyje sama tylko w organizmach jednokomórkowych - bakteriach, ale większość żywych systemów jest wielokomórkowa. Ciało dorosłego człowieka zawiera średnio 10 14 komórek. Rodzą się, przekształcają, wykonują swoją pracę i umierają. Ale jednocześnie żyją w harmonii i współpracy, budując zbiorowe systemy obrony (układ odpornościowy), adaptacji (układ regulacyjny) i inne.
Krok po kroku odkrywamy tajemnice żywych systemów i w oparciu o tę wiedzę tworzymy biotechnologia.
Biotechnologia
Biotechnologię można zdefiniować jako procesy, w których systemy żywe lub ich składniki są wykorzystywane do produkcji substancji lub innych systemów żywych. Istoty żywe to oryginalne „fabryki”, które przetwarzają surowce (składniki odżywcze) na szeroką gamę produktów niezbędnych do podtrzymania ich życia. A poza tym te fabryki są w stanie reprodukować, czyli generować inne, bardzo podobne „fabryki”.
Dziś wiemy już wiele o budowie i funkcjonowaniu „pracowników” żywych fabryk – o genomie, strukturach komórkowych, białkach, samych komórkach i organizmie jako całości.
Dzięki tej, choć wciąż niepełnej wiedzy, badacze nauczyli się manipulować poszczególnymi elementami układów żywych – genami (technologie genomiczne), komórkami (technologie komórkowe) – i tworzyć genetycznie zmodyfikowane organizmy żywe o przydatnych dla nas cechach (inżynieria genetyczna). Wiemy jak przystosować naturalne „fabryki” do produkcji potrzebnego nam produktu (biotechnologia przemysłowa). Co więcej, genetycznie zmodyfikuj te fabryki, aby syntetyzowały to, czego potrzebujemy.
W ten sposób tworzymy biotechnologie, o czym będzie mowa dalej. Zanim jednak przedstawimy Państwu przykłady technologii, które już zostały oddane na służbę człowiekowi, trzeba powiedzieć kilka słów o eleganckim rozwiązaniu, które dziś pomaga naukowcom zgłębiać tajemnice życia i rozumieć mechanizmy żywych systemów. Przecież procesy zachodzące w komórce są niewidoczne, a badania naukowe wymagają technologii, dzięki którym można je zobaczyć i zrozumieć. Swoją drogą to rozwiązanie jest biotechnologią samą w sobie.
Świecące wiewiórki
Aby dowiedzieć się, jak działają geny, trzeba zobaczyć efekt ich pracy, czyli białka, które są syntetyzowane na ich polecenie. Jak możemy znaleźć dokładnie tych, których szukamy? Naukowcy odkryli metodę, która sprawia, że białka stają się widoczne, świecąc w świetle ultrafioletowym.
Takie świecące białka występują w naturze, na przykład w skorupiakach morskich i meduzach. Podczas drugiej wojny światowej Japończycy używali proszku z „świetlika morskiego”, skorupiaka z muszlą małża, jako lokalnego źródła światła. Kiedy został namoczony w wodzie, zaczął świecić jasno. To właśnie z tego świetlika i meduzy morskiej pod koniec lat 50. XX wieku O. Shimomura (Japonia) jako pierwszy wyizolował świecące białka. To był początek historii słynnego obecnie GFP – białka zielonej fluorescencji. Natomiast w 2008 roku O. Shimomura, M. Chelfi i R. Tsien (USA) otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za białka fluorescencyjne. Za pomocą tych białek można nadać świecenie szerokiej gamie żywych obiektów, od struktur komórkowych po całe zwierzę. Fluorescencyjna latarka, którą można było przyczepić do pożądanych białek za pomocą manipulacji genetycznych, umożliwiła sprawdzenie, gdzie i kiedy białko to jest syntetyzowane oraz do jakich części komórki jest wysyłane. To była rewolucja w biologii i medycynie.
Jednak białka czerwonej fluorescencji zostały po raz pierwszy odkryte w koralowcach i innych organizmach morskich przez dwóch rosyjskich badaczy – Michaiła Matsa i Siergieja Łukjanowa. Mamy teraz białka fluorescencyjne we wszystkich kolorach tęczy, a ich zastosowanie jest bardzo szerokie: od najnowocześniejszych biologii i medycyny, w tym onkologii, poprzez wykrywanie substancji trujących i wybuchowych, po świecące ryby akwariowe.
Pod kierownictwem członka korespondenta Rosyjskiej Akademii Nauk S. Łukjanowa (Instytut Chemii Bioorganicznej Rosyjskiej Akademii Nauk) utworzono rosyjską firmę biotechnologiczną Evrogen, która dostarcza naukowcom na całym świecie wielokolorowe znaczniki fluorescencyjne. Dziś Evrogen jest jednym z liderów na światowym rynku białek fluorescencyjnych do badań biologicznych.
Identyfikacja genetyczna
Wszyscy jesteśmy bardzo różni. Wygląd, charakter, zdolności, podatność na leki, niechęć do tego czy innego jedzenia – wszystko to jest zdeterminowane genetycznie. Wyjątkowość genomu każdego z nas sprawia, że jest to niezawodne narzędzie identyfikacji tożsamości. Zasadniczo nasze geny to te same odciski palców, tylko o innym charakterze. Metoda identyfikacji DNA została wprowadzona do praktyki kryminalistycznej przez brytyjskiego badacza Alika Jeffreysa w latach 80. ubiegłego wieku. Dziś jest to już powszechna i znana procedura na całym świecie.
Używa się go także w Rosji. Odczynniki do analiz kupujemy jednak za granicą. W Instytucie Genetyki Ogólnej Rosyjskiej Akademii Nauk, pod kierownictwem Członka Korespondenta Rosyjskiej Akademii Nauk Nikołaja Jankowskiego, powstaje zestaw odczynników do identyfikacji ludzkiego DNA. Pojawienie się takiego krajowego narzędzia jest bardzo aktualne, ponieważ 1 stycznia 2009 r. Wejdzie w życie ustawa „O rejestracji genomu”, przyjęta przez Dumę Państwową Federacji Rosyjskiej 19 listopada 2008 r. Rozwój naszych naukowców nie tylko pozwoli nam na odmowę importu, ale także da kryminologom bardziej zaawansowane narzędzie, które w odróżnieniu od zachodnich analogów działa z mocno uszkodzonym DNA. A to częsty przypadek w medycynie sądowej.
Za pomocą tego narzędzia zostanie rozwiązane kolejne ważne zadanie społeczne - utworzenie banku danych genetycznych przestępców, co zwiększy wykrywalność przestępstw i skróci czas śledztw. W Wielkiej Brytanii baza danych genetycznych osób w jakikolwiek sposób powiązanych ze światem przestępczym liczy już kilka milionów osób.
Metoda identyfikacji DNA jest szczególnie dobra do identyfikacji osób, które zginęły w wojnach, katastrofach i innych okolicznościach. Dziś używa się go także w Rosji. Najbardziej znanym przypadkiem jest identyfikacja szczątków ostatniej rodziny królewskiej. Ostatnim etapem tego wielkiego dzieła – identyfikacją szczątków syna i córki cesarza – przeprowadził profesor Jewgienij Rogajew, kierownik działu genomiki Instytutu Genetyki Ogólnej Rosyjskiej Akademii Nauk.
Wreszcie kolejnym obszarem zastosowania metody identyfikacji DNA jest ustalenie ojcostwa. Badania pokazują, że kilka procent legalnych ojców nie jest biologicznymi. Przez długi czas ojcostwo ustalano na podstawie analizy krwi dziecka i rodzica – określano grupę krwi, współczynnik Rh i porównywano dane. Jednakże metoda ta była z natury zawodna, jak obecnie rozumieją badacze, i powodowała wiele błędów, które doprowadziły do osobistych tragedii. Zastosowanie identyfikacji DNA zwiększyło dokładność analizy do niemal 100%. Dziś ta technika ustalania ojcostwa jest dostępna w Rosji.
Diagnostyka genetyczna
Wykonanie pełnej analizy genomu jednej osoby kosztuje obecnie ogromną sumę pieniędzy – dwa miliony dolarów. To prawda, że za dziesięć lat, w miarę poprawy technologii, cena ma spaść do tysiąca dolarów. Ale nie da się opisać wszystkich genów. Często wystarczy ocenić pracę tylko określonych grup genów, które są krytyczne dla wystąpienia różnych schorzeń.
Diagnostyka genetyczna wymaga specjalnych urządzeń, miniaturowych, szybkich i dokładnych. Urządzenia te nazywane są biochipami. Pierwszy na świecie patent na biochipy do określania struktury DNA należy do Rosji – zespół akademika Andrieja Mirzabekowa z Instytutu Biologii Molekularnej im. VA Engelhardt RAS. Następnie pod koniec lat 80. ubiegłego wieku zespół Mirzabekova opracował technologię mikromacierzy. Później zaczęto je nazywać biochipami.
Mikrochipy biologiczne to mała płytka ze szkła lub plastiku, na powierzchni której znajduje się wiele komórek. Każda z tych studzienek zawiera marker tej lub innej części genomu, który należy wykryć w próbce. Jeśli próbka krwi pacjenta zostanie upuszczona na biochip, możemy dowiedzieć się, czy zawiera to, czego szukamy – odpowiednia studzienka będzie świecić dzięki fluorescencyjnej naklejce.
Badając zużyty biochip, badacze mogą postawić diagnozę predyspozycji do określonych chorób, a także wykryć we krwi pacjenta niebezpieczne wirusy, na przykład gruźlicę czy wirusowe zapalenie wątroby typu C. W końcu wirus to nic innego jak kawałek obcego DNA w otoczce białkowej. Dzięki nowej technice czas skomplikowanych analiz laboratoryjnych materiałów biologicznych został skrócony z kilku tygodni do jednego dnia.
Obecnie dziesiątki firm w Europie i USA opracowują biologiczne mikrobiochipy. Jednak rosyjskie biochipy skutecznie wytrzymują konkurencję. Jedna analiza z wykorzystaniem systemu testowego Biochip-IMB kosztuje zaledwie 500 rubli, natomiast użycie zagranicznego analogu kosztuje 200–500 dolarów.
Instytut Biologii Molekularnej Rosyjskiej Akademii Nauk rozpoczął certyfikację biochipów wykrywających u pacjenta typy wirusa zapalenia wątroby typu C. Potencjał rynkowy nowej technologii jest ogromny. Przecież za pomocą tradycyjnych testów w co trzecim przypadku nie da się dowiedzieć, do jakiej odmiany należy znaleziony wirus. Teraz ten problem został rozwiązany.
Korzystając z diagnostyki DNA, można nie tylko zidentyfikować choroby i predyspozycje do nich, ale także dostosować codzienną dietę. Na przykład, czy dodać mleko pełne, czy nie. Faktem jest, że u wielu osób mleko pełne powoduje nudności, biegunkę i ogólne złe samopoczucie. Dzieje się tak z powodu braku enzymu rozkładającego cukier mleczny – laktozę. Z tego powodu w ciele pojawiają się problemy. A obecność enzymu jest zdeterminowana genetycznie. Jak wynika z badań genetycznych, od jednej trzeciej do połowy dorosłych mieszkańców naszego kraju (w zależności od regionu) nie jest w stanie trawić pełnego mleka. Jednak dieta szkolna nadal wymaga szklanki mleka dziennie dla każdego dziecka. Korzystając z testu diagnostycznego DNA opracowanego w Instytucie Genetyki Ogólnej Rosyjskiej Akademii Nauk, łatwo określić, komu można zalecić mleko pełne, a komu nie. Taki jest cel projektu „Zachowanie zdrowia zdrowych ludzi”, realizowanego przez Rosyjską Akademię Nauk wspólnie z administracją obwodu tambowskiego.
Terapia genowa
Diagnostyka genetyczna buduje podwaliny pod medycynę przyszłości. Ale medycyna to nie tylko diagnoza, to także leczenie. Czy możemy skorygować wadliwe geny w żywym organizmie lub zastąpić je kompletnymi w tych ciężkich przypadkach, gdy tradycyjne leczenie jest bezsilne? Właśnie takie zadanie stawia sobie terapia genowa.
Istota terapii genowej jest prosta: należy albo „naprawić” uszkodzony gen w komórkach tkanek i narządów, w których nie działa, albo dostarczyć do organizmu pacjenta pełnoprawny gen, co mogą syntetyzować in vitro. Obecnie opracowano kilka metod wprowadzania nowych genów do komórek. Obejmuje to dostarczanie genów za pomocą zneutralizowanych wirusów, mikroiniekcję materiału genetycznego do jądra komórkowego, wystrzeliwanie komórek ze specjalnego pistoletu drobnymi cząsteczkami złota, które niosą na ich powierzchni zdrowe geny itp. Jak dotąd osiągnięto bardzo niewielkie sukcesy w dziedzinie praktyczna terapia genowa. Dokonuje się jednak jasnych i dowcipnych odkryć, w tym w rosyjskich laboratoriach.
Jeden z tych pomysłów, przeznaczony do leczenia raka, można nazwać „koniem trojańskim”. Jeden z genów wirusa opryszczki zostaje wprowadzony do komórek nowotworowych. Do pewnego czasu ten „koń trojański” nie ujawnia się. Jednak gdy tylko lek powszechnie stosowany w leczeniu opryszczki (gancyklowir) zostanie wprowadzony do organizmu pacjenta, gen zaczyna działać. W efekcie w komórkach powstaje niezwykle toksyczna substancja, która niszczy guz od środka. Inną opcją terapii genowej raka jest dostarczenie do komórek nowotworowych genów, które wywołają syntezę tzw. białek „samobójczych”, prowadząc do „samobójstwa” komórek nowotworowych.
Nad technologią dostarczania genów do komórek nowotworowych pracuje duży zespół naukowców z Instytutu Chemii Bioorganicznej im. M.M. Shemyakin i Yu.A. Ovchinnikov RAS, Rosyjskie Centrum Badań Onkologicznych RAMS, Instytut Genetyki Molekularnej RAS, Instytut Biologii Genów RAS. Pracami kieruje akademik Evgeniy Sverdlov. Głównym celem projektu jest stworzenie leków przeciw rakowi płuc (pierwsze miejsce pod względem umieralności) i rakowi przełyku (siódme miejsce). Tworzone metody i projekty przydadzą się jednak w walce z każdym rodzajem nowotworu, a jest ich ponad setka. Po niezbędnych badaniach klinicznych, jeśli zakończą się sukcesem, leki wejdą do praktyki w 2012 roku.
Diagnoza raka
Nad problemem nowotworów pracuje duża liczba zespołów naukowych w Rosji i na całym świecie. Jest to zrozumiałe: każdego roku nowotwory zbierają nieco mniejsze śmiertelne żniwo niż choroby układu krążenia. Zadaniem naukowców jest stworzenie technologii, które pozwolą wykryć nowotwór w najwcześniejszym stadium i zniszczyć komórki nowotworowe w sposób celowy, bez skutków ubocznych dla organizmu. Wczesna i szybka diagnoza, gdy analiza zajmuje zaledwie kilka godzin, jest niezwykle ważna w tradycyjnej terapii nowotworów. Lekarze wiedzą, że łatwiej jest zniszczyć chorobę w zarodku. Dlatego kliniki na całym świecie potrzebują technologii diagnostycznych spełniających te wymagania. I tu z pomocą badaczom przychodzi biotechnologia.
Nowe podejście do wczesnej i szybkiej diagnostyki nowotworów po raz pierwszy na świecie zaproponował Aleksander Czetwerin z Instytutu Białka Rosyjskiej Akademii Nauk. Istotą tej metody jest identyfikacja we krwi cząsteczek mRNA, które usuwają informację z odpowiednich części genomu i niosą polecenie syntezy białek nowotworowych. Jeśli takie cząsteczki są obecne w próbce krwi pacjenta, można postawić diagnozę nowotworu. Problem polega jednak na tym, że w próbce krwi tych cząsteczek jest bardzo niewiele, podczas gdy innych jest wiele. Jak znaleźć i rozróżnić te pojedyncze okazy, których potrzebujemy? Problem ten rozwiązał zespół naukowców pod przewodnictwem A. Chetverina.
Naukowcy nauczyli się namnażać poszukiwane, ale niewidoczne cząsteczki markerów komórek nowotworowych za pomocą tak zwanej reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR).
W rezultacie z jednej niewidzialnej cząsteczki, którą można już zobaczyć pod mikroskopem, wyrastają całe kolonie molekularne. Jeśli próbka krwi pacjenta (powiedzmy jeden mililitr) zawiera co najmniej jedną komórkę nowotworową i jedną cząsteczkę markerową, można wykryć początkową chorobę.
Analizę można przeprowadzić w ciągu zaledwie kilku godzin i kosztuje kilka tysięcy rubli. Ale jeśli użyjesz go masowo, na przykład podczas corocznego profilaktycznego badania lekarskiego, cena może spaść do 300–500 rubli.
Lek na raka
W dziedzinie leczenia nowotworów istnieje również kilka nowych podejść opartych na biotechnologii. Jednym z nich jest zastosowanie swoistych przeciwciał jako środków przeciwnowotworowych.
Przeciwciała to cząsteczki białka wytwarzane przez komórki układu odpornościowego. Tak naprawdę jest to broń chemiczna, którą nasz organizm wykorzystuje w walce z wszelkiego rodzaju wirusami, a także zdegenerowanymi komórkami własnego organizmu – komórkami nowotworowymi. Jeśli układ odpornościowy sam nie radzi sobie z rakiem, można mu pomóc.
Naukowcy z Laboratorium Immunologii Molekularnej (Instytut Chemii Bioorganicznej Rosyjskiej Akademii Nauk) pod przewodnictwem członka korespondenta Rosyjskiej Akademii Nauk Siergieja Deeva konstruują nową generację przeciwciał, które rozpoznają cel i niszczą go. Podejście to opiera się na zasadzie tzw. „magicznej kuli”, która zawsze i dokładnie odnajduje swoją ofiarę. Przeciwciała doskonale nadają się do tej roli. Jedna część ich cząsteczki służy jako „antena” skierowana na cel – powierzchnię komórki nowotworowej. Do ogona przeciwciała można przyłączyć różne czynniki szkodliwe – toksyny, cząsteczki organiczne, izotopy radioaktywne. Mają różne skutki, ale wszystkie ostatecznie zabijają guz.
Komórki nowotworowe również mogą zostać zniszczone niemal w sposób naturalny. Wystarczy uruchomić mechanizm programowanej śmierci komórki, czyli swego rodzaju samobójstwa, jakie zapewnia natura. Naukowcy to nazywają apoptoza. Mechanizm samobójczy jest wyzwalany przez enzymy wewnątrzkomórkowe, które niszczą białka wewnątrz komórki i samo DNA. Niestety, komórki nowotworowe są niezwykle odporne, ponieważ potrafią stłumić samobójczy „nastrój”. Problem polega na tym, że w komórkach nowotworowych jest bardzo mało tych enzymów, dlatego trudno jest wywołać apoptozę.
Jednak i ten problem można rozwiązać. Aby uruchomić mechanizm samobójczy, syberyjscy naukowcy proponują otwarcie błon struktur komórkowych, na przykład mitochondriów. Wtedy komórka nieuchronnie umrze. Instytut Chemii Bioorganicznej Oddziału Syberyjskiego Rosyjskiej Akademii Nauk, Państwowe Centrum Naukowe „Wektor” (wieś Kolcowo), Miejski Szpital Chirurgii Płucnej (Nowosybirsk), Fundacja Naukowo-Produkcyjna „Technologie Medyczne” (Kurgan), oraz Instytut Badawczy Immunologii Klinicznej i Doświadczalnej Rosyjskiej Akademii Nauk Medycznych (Nowosybirsk) biorą udział w tym dużym projekcie. Wspólnie badacze wybrali substancje, które mogą otwierać błony struktur komórkowych i opracowali metodę dostarczania tych substancji do komórki nowotworowej.
Szczepionki
Nasza wiedza na temat układu odpornościowego zwierząt może zostać wykorzystana nie tylko w leczeniu nowotworów, ale także wszelkich chorób zakaźnych. Na większość chorób uzyskujemy odporność „w drodze dziedziczenia”, na inne nabywamy odporność poprzez cierpienie na chorobę wywołaną nową infekcją. Ale odporność można również wytrenować – na przykład poprzez szczepienie.
Skuteczność szczepień po raz pierwszy wykazał ponad 200 lat temu lekarz Edward Jenner, który udowodnił, że osoba chora na ospę krowią uodparnia się na ospę prawdziwą. Od tego czasu wiele chorób znalazło się pod kontrolą lekarzy. Od czasów Pasteura w szczepionkach używano osłabionych lub zabitych wirusów. Narzuca to jednak ograniczenia: nie ma gwarancji, że szczepionka jest całkowicie wolna od aktywnych cząstek wirusa; praca z wieloma z nich wymaga dużej ostrożności; okres ważności szczepionki zależy od warunków przechowywania.
Trudności te można przezwyciężyć, stosując metody inżynierii genetycznej. Za ich pomocą można wytworzyć poszczególne składniki bakterii i wirusów, a następnie wstrzyknąć je pacjentom – efekt ochronny nie będzie gorszy niż w przypadku stosowania konwencjonalnych szczepionek. Pierwszymi szczepionkami uzyskanymi za pomocą inżynierii genetycznej były szczepionki dla zwierząt – przeciwko pryszczycy, wściekliźnie, czerwonce i innym chorobom zwierzęcym. Pierwszą genetycznie zmodyfikowaną szczepionką dla ludzi była szczepionka przeciwko wirusowemu zapaleniu wątroby typu B.
Dziś na większość infekcji możemy wyprodukować szczepionki – klasyczne lub modyfikowane genetycznie. Główny problem związany jest z zarazą XX wieku – AIDS. Szczepienie dobrze mu zrobi. W końcu wzmacnia układ odpornościowy i zmusza organizm do wytwarzania większej liczby komórek odpornościowych. Ludzki wirus niedoboru odporności (HIV), który powoduje AIDS, żyje i rozmnaża się w tych komórkach. Inaczej mówiąc, dajemy mu jeszcze więcej możliwości – nowych, zdrowych komórek układu odpornościowego do zainfekowania.
Badania nad znalezieniem szczepionek przeciwko AIDS mają długą historię i opierają się na odkryciu dokonanym w latach 70. ubiegłego wieku przez przyszłych naukowców R.V. Petrov, V.A. Kabanov i R.M. Khaitov. Jego istotą jest to polielektrolity (naładowane cząsteczki polimeru rozpuszczalne w wodzie) oddziałują z komórkami układu odpornościowego i pobudzają je do intensywnej produkcji przeciwciał. A jeśli na przykład jedno z białek tworzących otoczkę wirusa zostanie przyłączone do cząsteczki polielektrolitu, aktywowana zostanie odpowiedź immunologiczna przeciwko temu wirusowi. Mechanizm działania tej szczepionki zasadniczo różni się od wszystkich szczepionek, które dotychczas stworzono na świecie.
Pierwszym na świecie i jak dotąd jedynym polielektrolitem, który można było wprowadzić do organizmu człowieka, był tzw polioksydonium. Następnie na polimer „wszyto” białka wirusa grypy. W rezultacie powstała szczepionka „Grippol”, która od prawie 10 lat chroni miliony ludzi w Rosji przed infekcją wirusową.
Dziś szczepionka na AIDS jest tworzona tą samą metodą. Białko charakterystyczne dla wirusa AIDS zostało związane z polielektrolitem. Powstałą szczepionkę pomyślnie przetestowano na myszach i królikach. Na podstawie wyników badań przedklinicznych Instytut Immunologii Rosyjskiej Akademii Nauk uzyskał pozwolenie na prowadzenie badań klinicznych z udziałem ochotników. Jeśli wszystkie etapy testowania leku zakończą się pomyślnie, można go stosować nie tylko w zapobieganiu zakażeniu wirusem HIV, ale także w leczeniu AIDS.
Leki przekazane przez biotechnologów
Głównym narzędziem praktyki lekarskiej pozostają nadal leki. Możliwości przemysłu chemicznego, który produkuje lwią część leków, są jednak ograniczone. Synteza chemiczna wielu substancji jest złożona i często niemożliwa, tak jak synteza zdecydowanej większości białek. I tu z pomocą przychodzi biotechnologia.
Produkcja leków przy użyciu mikroorganizmów ma długą historię. Pierwszy antybiotyk, penicylinę, wyizolowano z pleśni w 1928 r., a jego produkcję przemysłową rozpoczęto w 1940 r. Po penicylinie odkryto inne antybiotyki i rozpoczęto ich masową produkcję.
Przez długi czas wiele leków opartych na białkach ludzkich można było otrzymać jedynie w małych ilościach, a ich produkcja była bardzo kosztowna. Inżynieria genetyczna dała nadzieję, że zakres leków białkowych i ich liczba gwałtownie wzrosną. I te oczekiwania były uzasadnione. Do praktyki medycznej weszło już kilkadziesiąt leków uzyskanych metodami biotechnologicznymi. Według ekspertów roczna wielkość światowego rynku leków na bazie białek powstałych w wyniku inżynierii genetycznej rośnie o 15% i do 2010 roku wyniesie 18 miliardów dolarów.
Najbardziej jaskrawym przykładem pracy naszych biotechnologów w tej dziedzinie jest genetycznie modyfikowana insulina ludzka, która produkowana jest w Instytucie Chemii Bioorganicznej im. M.M.Shemyakin i Yu.A.Ovchinnikov RAS. Insulina, czyli hormon o strukturze białkowej, reguluje rozkład cukru w naszym organizmie. Można go ekstrahować od zwierząt. To samo robili wcześniej. Ale nawet insulina z trzustki świń – zwierząt biochemicznie nam najbliższych – wciąż nieco różni się od insuliny ludzkiej.
Jej aktywność w organizmie człowieka jest mniejsza niż aktywność insuliny ludzkiej. Ponadto nasz układ odpornościowy nie toleruje obcych białek i robi wszystko, co w jego mocy, aby je odrzucić. Dlatego wstrzyknięta insulina wieprzowa może zniknąć, zanim zdąży wywołać efekt terapeutyczny. Problem rozwiązała technologia inżynierii genetycznej, która jest dziś wykorzystywana do produkcji insuliny ludzkiej, m.in. w Rosji.
Oprócz genetycznie modyfikowanej insuliny ludzkiej w Instytucie Chemii Bioorganicznej. M.M. Shemyakina i Yu.A. Ovchinnikova z Rosyjskiej Akademii Nauk, Instytutu Chemii Bioorganicznej Rosyjskiej Akademii Nauk wraz z Centrum Badań Hematologicznych Rosyjskiej Akademii Nauk Medycznych stworzyli technologię produkcji białek do zwalczania masowych strata krwi. Albumina surowicy ludzkiej i czynnik krzepnięcia krwi są doskonałymi narzędziami pierwszej pomocy i resuscytacji, poszukiwanymi w medycynie katastrof.
Rośliny modyfikowane genetycznie
Nasza wiedza z zakresu genetyki, poszerzająca się z każdym dniem, pozwoliła nam stworzyć nie tylko testy genetyczne do diagnozowania chorób i świecących białek, szczepionek i leków, ale także nowe organizmy. Nie ma dziś chyba osoby, która nie słyszałaby o organizmach genetycznie zmodyfikowanych, czyli transgenicznych (GMO). Są to rośliny lub zwierzęta, do których wprowadzono geny DNA z zewnątrz, nadając tym organizmom nowe, przydatne z ludzkiego punktu widzenia właściwości.
Armia GMO jest duża. W jej szeregach znajdują się pożyteczne mikroby, które pracują w fabrykach biotechnologicznych i wytwarzają wiele przydatnych dla nas substancji, rośliny uprawne o ulepszonych właściwościach oraz ssaki, które produkują więcej mięsa i więcej mleka.
Jednym z najbardziej rozpowszechnionych działów GMO są oczywiście rośliny. Przecież od niepamiętnych czasów służyły jako pokarm dla ludzi i pasza dla zwierząt. Z roślin pozyskujemy włókna dla budownictwa, substancje do leków i perfum, surowce dla przemysłu chemicznego oraz energii, ognia i ciepła.
Stale podnosimy jakość roślin i opracowujemy nowe odmiany poprzez hodowlę selektywną. Ale ten żmudny i pracochłonny proces zajmuje dużo czasu. Inżynieria genetyczna, która pozwoliła nam wprowadzić przydatne geny do genomu roślin, wyniosła hodowlę na zupełnie nowy poziom.
Pierwszą rośliną transgeniczną, powstałą ćwierć wieku temu, był tytoń, a dziś na świecie na skalę przemysłową wykorzystuje się 160 roślin transgenicznych. Należą do nich kukurydza i soja, ryż i rzepak, bawełna i len, pomidory i dynia, tytoń i buraki, ziemniaki i goździki i inne.
W Centrum Bioinżynierii Rosyjskiej Akademii Nauk, kierowanym przez akademika K.G. Skriabina. wspólnie z białoruskimi kolegami stworzyli pierwszą krajową uprawę genetycznie zmodyfikowaną – odmianę ziemniaka Elizaveta, odporną na stonkę ziemniaczaną.
Pierwsze uprawy genetycznie modyfikowane, opracowane na początku lat 80. XX wieku, były odporne na herbicydy i owady. Dziś za pomocą inżynierii genetycznej uzyskujemy odmiany, które zawierają więcej składników odżywczych, są odporne na bakterie i wirusy, są odporne na suszę i zimno. W 1994 roku po raz pierwszy stworzono odmianę pomidorów niepodatnych na gnicie. Odmiana ta pojawiła się na rynkach żywności genetycznie modyfikowanej w ciągu dwóch lat. Szeroko znany stał się inny produkt transgeniczny, Złoty Ryż. W nim, w przeciwieństwie do zwykłego ryżu, powstaje beta-karoten – prekursor witaminy A, która jest absolutnie niezbędna do wzrostu organizmu. Złoty ryż częściowo rozwiązuje problem odpowiedniego odżywiania mieszkańców tych krajów, gdzie ryż nadal stanowi główne danie w diecie. A to co najmniej dwa miliardy ludzi.
Odżywianie i produktywność to nie jedyne cele, do których dążą inżynierowie genetyczni. Możliwe jest stworzenie odmian roślin, które w swoich liściach i owocach będą zawierały szczepionki i leki. Jest to bardzo cenne i wygodne: szczepionki wykonane z roślin transgenicznych nie mogą być skażone niebezpiecznymi wirusami zwierzęcymi, a same rośliny łatwo hodować w dużych ilościach. I wreszcie, na bazie roślin można stworzyć szczepionki „jadalne”, gdy do szczepienia wystarczy zjeść określoną ilość dowolnego transgenicznego owocu lub warzywa, np. ziemniaków czy bananów. Na przykład marchew zawiera substancje biorące udział w tworzeniu odpowiedzi immunologicznej organizmu. Takie rośliny wspólnie tworzą naukowcy z dwóch wiodących instytutów biologicznych Syberii: Instytutu Cytologii i Genetyki Oddziału Syberyjskiego Rosyjskiej Akademii Nauk oraz Instytutu Biologii Chemicznej i Medycyny Podstawowej SB RAS.
Nie można powiedzieć, że społeczeństwo obawia się roślin genetycznie modyfikowanych (GMP). W samym środowisku naukowym toczy się dyskusja na temat możliwego potencjalnego zagrożenia związanego z GMR. Dlatego na całym świecie prowadzone są badania mające na celu ocenę zagrożeń związanych ze stosowaniem GMR – spożywczych, agrotechnicznych i środowiskowych. Choć Światowa Organizacja Zdrowia stwierdza, co następuje: „Doświadczenia zdobyte w ciągu 10 lat komercyjnego wykorzystania upraw GMO, analiza wyników specjalnych badań pokazują, że: jak dotąd nie ma ani jednego udowodnionego przypadku toksyczności lub niekorzystnego działania zarejestrowanych GMO uprawy jako źródło żywności lub paszy na świecie.”
Od 1996 r., kiedy rozpoczęto komercyjną uprawę GMR, do 2007 r. całkowita powierzchnia obsadzona roślinami transgenicznymi wzrosła z 1,7 mln do 114 mln ha, co stanowi około 9% całkowitej powierzchni gruntów ornych na świecie. Ponadto 99% tej powierzchni zajmuje pięć upraw: soja, bawełna, ryż, kukurydza i rzepak. W ogólnym wolumenie ich produkcji odmiany genetycznie modyfikowane stanowią ponad 25%. Absolutnym liderem w zastosowaniu GMR są Stany Zjednoczone, gdzie już w 2002 roku 75% bawełny i soi było pochodzenia transgenicznego. W Argentynie udział transgenicznej soi wynosił 99%, w Kanadzie wyprodukowano w ten sposób 65% rzepaku, a w Chinach 51% bawełny. W 2007 r. uprawą węglowodorów zajmowało się 12 mln rolników, z czego 90% zamieszkiwało kraje rozwijające się. W Rosji przemysłowa uprawa węglowodorów jest prawnie zabroniona.
Genetycznie zmodyfikowane zwierzęta
Inżynierowie genetyczni stosują podobną strategię przy opracowywaniu nowych ras zwierząt. W tym przypadku do zapłodnionego jaja wprowadzany jest gen odpowiedzialny za manifestację jakiejkolwiek cennej cechy, z którego dalej rozwija się nowy organizm. Na przykład, jeśli zestaw genów zwierzęcia zostanie uzupełniony genem hormonu stymulującego wzrost, wówczas takie zwierzęta będą rosły szybciej przy mniejszym spożyciu pożywienia. Rezultatem jest tańsze mięso.
Zwierzę może być źródłem nie tylko mięsa i mleka, ale także substancji leczniczych zawartych w tym mleku. Na przykład najcenniejsze białka ludzkie. O niektórych z nich już rozmawialiśmy. Teraz tę listę można uzupełnić o laktoferynę, białko chroniące noworodki przed niebezpiecznymi mikroorganizmami do czasu rozwinięcia się ich własnej odporności.
Organizm kobiety wytwarza tę substancję już w pierwszych porcjach mleka matki. Niestety nie wszystkie matki mają mleko, dlatego do karmienia sztucznym mlekiem należy dodawać ludzką laktoferynę, aby zachować zdrowie noworodków. Jeśli w diecie jest wystarczająca ilość białka ochronnego, śmiertelność sztucznych niemowląt z powodu różnych infekcji żołądkowo-jelitowych można zmniejszyć dziesięciokrotnie. Białko to jest poszukiwane nie tylko w branży żywności dla dzieci, ale także np. w przemyśle kosmetycznym.
Technologia produkcji mleka koziego z dodatkiem laktoferyny ludzkiej opracowywana jest w Instytucie Biologii Genów Rosyjskiej Akademii Nauk oraz w Centrum Naukowo-Praktycznym Hodowli Zwierząt Narodowej Akademii Nauk Białorusi. W tym roku na świat przyszły dwie pierwsze transgeniczne kozy. W ciągu kilku lat badań na stworzenie każdego z nich wydano 25 milionów rubli. Pozostaje nam tylko poczekać, aż podrosną, rozmnożą się i zaczną produkować mleko zawierające cenne ludzkie białko.
Inżynieria komórkowa
Jest jeszcze jeden ekscytujący obszar biotechnologii: technologia komórkowa. Fantastyczne w swoich możliwościach komórki macierzyste żyją i pracują w organizmie człowieka. Zastępują martwe komórki (powiedzmy erytrocyt, czerwona krwinka, żyje tylko 100 dni), leczą nasze złamania i rany oraz regenerują uszkodzoną tkankę.
Istnienie komórek macierzystych przepowiedział rosyjski hematolog z Petersburga Aleksander Maksimow już w 1909 roku. Kilkadziesiąt lat później jego teoretyczne założenie zostało potwierdzone eksperymentalnie: odkryto i wyizolowano komórki macierzyste. Jednak prawdziwy rozkwit rozpoczął się pod koniec XX wieku, kiedy postęp w dziedzinie technologii eksperymentalnych umożliwił dostrzeżenie potencjału tych ogniw.
Jak dotąd postęp medycyny związany z wykorzystaniem komórek macierzystych jest więcej niż skromny. Wiemy, jak izolować te komórki, przechowywać je, rozmnażać i eksperymentować z nimi. Jednak nadal nie do końca rozumiemy mechanizm ich magicznych przemian, kiedy pozbawiona twarzy komórka macierzysta zamienia się w komórkę krwi lub tkankę mięśniową. Nie zrozumieliśmy jeszcze w pełni języka chemicznego, w którym komórka macierzysta otrzymuje rozkaz transformacji. Ta niewiedza stwarza ryzyko związane ze stosowaniem komórek macierzystych i utrudnia ich aktywne wdrażanie w praktyce medycznej. Jednakże nastąpił postęp w leczeniu niegojących się złamań u osób starszych, a także w leczeniu odtwórczym po zawałach serca i operacjach serca.
W Rosji opracowano metodę leczenia oparzeń siatkówki przy użyciu ludzkich komórek macierzystych mózgu. Jeśli komórki te zostaną wprowadzone do oka, będą aktywnie przemieszczać się w miejsce oparzenia, osadzać się w zewnętrznej i wewnętrznej warstwie uszkodzonej siatkówki i stymulować gojenie oparzenia. Metodę opracowała grupa badawcza naukowców z Moskiewskiego Instytutu Badawczego Chorób Oczu im. G. Helmholtz Ministerstwo Zdrowia Federacji Rosyjskiej, Instytut Biologii Rozwoju im. N.K.Koltsov RAS, Instytut Biologii Genów RAS i Centrum Naukowe Położnictwa, Ginekologii i Perinatologii Rosyjskiej Akademii Nauk Medycznych.
Obecnie jesteśmy na etapie gromadzenia wiedzy o komórkach macierzystych. Wysiłki naukowców skupiają się na badaniach, tworzeniu infrastruktury, w szczególności banków komórek macierzystych, z których pierwszym w Rosji był Gemabank. Hodowla narządów, leczenie stwardnienia rozsianego i chorób neurodegeneracyjnych to przyszłość, choć nie tak odległa.
Bioinformatyka
Ilość wiedzy i informacji rośnie jak kula śnieżna. Rozumiejąc zasady funkcjonowania układów żywych, zdajemy sobie sprawę z niesamowitej złożoności budowy materii żywej, w której różnorodne reakcje biochemiczne misternie się ze sobą splatają, tworząc skomplikowane sieci. Rozwikłanie tej „sieci” życia jest możliwe jedynie poprzez zastosowanie nowoczesnych metod matematycznych do modelowania procesów zachodzących w układach żywych.
Dlatego na styku biologii i matematyki narodził się nowy kierunek – bioinformatyka, bez której praca biotechnologów nie jest już wyobrażalna. Większość metod bioinformatycznych ma oczywiście zastosowanie w medycynie, czyli w poszukiwaniu nowych związków leczniczych. Można ich wyszukiwać w oparciu o wiedzę o strukturze cząsteczki odpowiedzialnej za rozwój danej choroby. Jeśli taką cząsteczkę zablokuje się jakąkolwiek, precyzyjnie dobraną substancją, można zatrzymać przebieg choroby. Bioinformatyka umożliwia odkrycie cząsteczki blokującej nadającej się do zastosowania klinicznego. Jeśli znamy docelowy, powiedzmy, strukturę białka „chorobotwórczego”, wówczas za pomocą programów komputerowych możemy symulować strukturę chemiczną leku. Takie podejście pozwala znacząco zaoszczędzić czas i zasoby, które przeznaczane są na sortowanie i testowanie dziesiątek tysięcy związków chemicznych.
Wśród liderów w tworzeniu leków wykorzystujących bioinformatykę w Rosji jest firma Himrar. W poszukiwaniu potencjalnych leków przeciwnowotworowych zajmuje się w szczególności badaniami przesiewowymi wielu tysięcy związków chemicznych. Do najpotężniejszych rosyjskich ośrodków naukowych zajmujących się bioinformatyką należy także Instytut Cytologii i Genetyki Oddziału Syberyjskiego Rosyjskiej Akademii Nauk. XX wieku w Nowosybirsku powstała wyjątkowa szkoła naukowa, zrzeszająca biologów i matematyków. Głównym obszarem pracy bioinformatyków z Nowosybirska jest analiza interakcji białek wewnątrz komórek i poszukiwanie potencjalnych celów molekularnych dla nowych leków.
Aby zrozumieć mechanizm rozwoju konkretnej choroby, ważne jest, aby wiedzieć, który z tysięcy genów działających w chorej komórce jest faktycznie za nią odpowiedzialny. To wcale niełatwe zadanie komplikuje fakt, że geny z reguły nie działają samodzielnie, lecz jedynie w połączeniu z innymi genami. Ale jak możemy uwzględnić udział innych genów w konkretnej chorobie? I tu z pomocą lekarzom przychodzi bioinformatyka. Za pomocą algorytmów matematycznych można skonstruować mapę, na której przecięcia ścieżek przedstawiają interakcje genów. Takie mapy ujawniają skupiska genów działających w chorej komórce na różnych etapach choroby. Informacje te są niezwykle istotne np. przy wyborze strategii leczenia nowotworu w zależności od stopnia zaawansowania choroby.
Biotechnologia przemysłowa
Człowiek korzystał z biotechnologii od niepamiętnych czasów. Z mleka robiono sery, na zimę kiszoną kapustę, a ze wszystkiego, co było sfermentowane, przygotowywano wesołe napoje. Wszystko to są klasyczne procesy mikrobiologiczne, w których główną siłą napędową jest mikroorganizm, najmniejszy organizm żywy.
Dziś zakres problemów rozwiązywanych przez biotechnologię niesamowicie się rozszerzył. Mówiliśmy już o diagnostyce genetycznej chorób, nowych szczepionkach i lekach otrzymywanych przy użyciu biotechnologii oraz organizmach genetycznie modyfikowanych. Jednak życie rzuca także inne wyzwania. Gigantyczne zakłady produkcji chemicznej, w których pozyskujemy substancje niezbędne do stworzenia komfortowego środowiska życia (włókna, tworzywa sztuczne, materiały budowlane i wiele innych) dziś nie wydają się już tak atrakcyjne jak 60 lat temu. Zużywają dużo energii i zasobów (wysokie ciśnienia, temperatury, katalizatory wykonane z metali szlachetnych), zanieczyszczają środowisko i zajmują cenne tereny. Czy biotechnolodzy mogą zaoferować tutaj zamiennik?
Tak, moga. Na przykład genetycznie zmodyfikowane mikroorganizmy, które działają jako skuteczne katalizatory w przemysłowych procesach chemicznych. Takie biokatalizatory stworzono w Ogólnorosyjskim Instytucie Badawczym Genetyki i Selekcji Mikroorganizmów m.in. na potrzeby niebezpiecznego i brudnego etapu produkcji toksycznej substancji akrylamidu. Służy do wytwarzania polimeru poliakryloamid, stosowany do uzdatniania wody, do produkcji pieluch, do produkcji papieru powlekanego i do wielu innych celów. Biokatalizator umożliwia reakcję chemiczną, w wyniku której powstaje monomer w temperaturze pokojowej, bez użycia agresywnych odczynników i wysokiego ciśnienia.
Biokatalizator został wprowadzony do zastosowań przemysłowych w Rosji dzięki staraniom zespołu naukowego ZAO Bioamid (Saratow) pod kierownictwem Siergieja Woronina. Ten sam zespół opracował biotechnologię wytwarzania kwasu asparaginowego i stworzył zastępujący import lek nasercowy Asparkam L. Lek trafił już na rynek w Rosji i na Białorusi. Rosyjski lek jest nie tylko tańszy od importowanych analogów, ale według lekarzy jest także skuteczniejszy. Faktem jest, że Asparkam L zawiera tylko jeden izomer optyczny kwasu, ten, który ma działanie terapeutyczne. Natomiast zachodni odpowiednik, panangin, opiera się na mieszaninie dwóch izomerów optycznych, L i D, z których drugi służy po prostu jako balast. Odkrycie zespołu Bioamida polega na tym, że udało mu się rozdzielić te dwa trudne do oddzielenia izomery i zastosować proces na skalę przemysłową.
Możliwe, że w przyszłości gigantyczne zakłady chemiczne znikną całkowicie, a zamiast nich powstaną małe, bezpieczne i nie szkodzące środowisku warsztaty, w których będą pracować mikroorganizmy, wytwarzając wszystkie niezbędne półprodukty dla różnych gałęzi przemysłu. Ponadto małe zielone fabryki, czy to mikroorganizmów, czy roślin, pozwalają nam uzyskać przydatne substancje, których nie da się wyprodukować w reaktorze chemicznym. Na przykład białko jedwabiu pajęczego. Nici ramowe sieci pułapkowych, które pająk tka dla swoich ofiar, są kilkakrotnie bardziej wytrzymałe na rozciąganie niż stal. Wydawałoby się, że sadzisz pająki w warsztatach i wyciągasz z nich nici białkowe. Ale pająki nie żyją w tym samym słoiku - zjadają się nawzajem.
Piękne rozwiązanie znalazł zespół naukowców pod przewodnictwem doktora nauk biologicznych Władimira Bogusza (Państwowy Instytut Badawczy Genetyki i Selekcji Mikroorganizmów) i doktora nauk biologicznych Eleonory Piruzyan (Instytut Genetyki Ogólnej Rosyjskiej Akademii Nauk). W pierwszej kolejności z genomu pająka wyizolowano geny odpowiedzialne za syntezę białka jedwabiu pajęczego. Geny te następnie wprowadzono do komórek drożdży i tytoniu. Oba zaczęły wytwarzać potrzebne nam białko. W efekcie stworzono podstawę do technologii produkcji unikalnego i niemal naturalnego materiału konstrukcyjnego, lekkiego i niezwykle wytrzymałego, z którego można wykonać liny, kamizelki kuloodporne i wiele innych.
Są też inne problemy. Na przykład ogromna ilość odpadów. Biotechnologia pozwala nam zamienić odpady w dochód. Produkty uboczne z rolnictwa, leśnictwa i przetwórstwa spożywczego można przekształcić w metan, biogaz nadający się do ogrzewania i energii. Można też użyć metanolu i etanolu, głównych składników biopaliw.
Przemysłowe zastosowania biotechnologii są aktywnie zaangażowane na Wydziale Chemii Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego. M.V. Łomonosow. Obejmuje kilka laboratoriów zajmujących się różnorodnymi projektami - od tworzenia biosensorów przemysłowych po produkcję enzymów do drobnej syntezy organicznej, od technologii recyklingu odpadów przemysłowych po rozwój metod produkcji biopaliw.
Nauka, biznes, rząd
Osiągane sukcesy są efektem połączonych wysiłków biologów, chemików, lekarzy i innych specjalistów zajmujących się przestrzenią układów żywych. Powiązania pomiędzy różnymi dyscyplinami okazały się owocne. Oczywiście biotechnologia nie jest panaceum na rozwiązanie globalnych problemów, ale narzędziem, które przy właściwym zastosowaniu niesie ze sobą ogromne perspektywy.
Obecnie całkowita wielkość rynku biotechnologii na świecie wynosi 8 bilionów. dolarów. Biotechnologie przodują także pod względem finansowania badań i rozwoju: w samych Stanach Zjednoczonych agencje rządowe i firmy prywatne wydają na te cele ponad 30 miliardów dolarów rocznie.
Inwestycje w naukę i technologię ostatecznie przyniosą korzyści gospodarcze. Jednak sama biotechnologia nie rozwiąże złożonych problemów zdrowotnych i żywnościowych. Należy stworzyć korzystną infrastrukturę opieki zdrowotnej i strukturę przemysłową, aby zagwarantować dostęp do nowych technik diagnostycznych, szczepionek i leków oraz roślin o ulepszonych właściwościach. Niezwykle ważny jest tu także skuteczny system komunikacji nauki z biznesem. Wreszcie absolutnie niezbędnym warunkiem budowy efektywnego innowacyjnego sektora gospodarki jest współdziałanie struktur naukowych i komercyjnych z państwem.
Pomóż STRF.ru
W 2008 roku złożono 939 wniosków na opracowanie tematów na kierunku „Living Systems” (dla porównania: ogółem na program jest 3180),
– do konkursu wpłynęło 396 wniosków (w sumie 1597),
– odbyło się 179 konkursów (łącznie 731)
– w konkursach wzięły udział organizacje z 23 wydziałów (w sumie 36), z których 17 zwyciężyło
– zawarto 179 umów (łącznie 731)
– 120 kontraktów trwa do dziś (w sumie 630)
– 346 organizacji (w sumie 842) wysłało wnioski o opracowanie tematów dotyczących systemów żywych
– 254 organizacje (w sumie 806) złożyły wnioski do konkursu jako wnioski wiodące
– 190 organizacji złożyło wnioski do konkursu jako współrealizatorzy (łącznie 636)
– średnia konkurencja o działki na kierunku to 2212 (średnia dla programu – 2185)
– budżet kontraktu na rok 2008 wyniósł 1041,2 mln rubli. (21,74% całego budżetu programu)Dynamika wzrostu i podziału środków w obszarze systemów żywych w ramach Federalnego Docelowego Programu Naukowo-Technicznego 2002-2006 i Federalnego Programu Docelowego 2007-2012:
2005 – 303 kontrakty, 1168,7 mln rubli. (100%)
2006 – 289 kontraktów, 1227,0 mln rubli. (105%)
2007 – 284 kontrakty, 2657,9 mln rubli. (227%)
2008 - 299 kontraktów, 3242,6 mln rubli. (277%)
Nauki nie powstają same, nie dlatego, że ktoś je wymyśla po prostu „z ciekawości”. Każda nauka pojawia się w wyniku potrzeby rozwiązania przez ludzkość pewnych problemów, które pojawiły się w procesie jej rozwoju. Biologia nie jest wyjątkiem, również powstała w związku z rozwiązaniem bardzo ważnych dla człowieka problemów. Jednym z nich zawsze było głębsze zrozumienie procesów zachodzących w przyrodzie ożywionej, związanych z wytwarzaniem produktów spożywczych, tj. znajomość cech życia roślin i zwierząt, ich zmian pod wpływem człowieka, sposobów uzyskania wiarygodnego i coraz bogatsze zbiory. Rozwiązanie tego problemu jest jedną z podstawowych przesłanek rozwoju biologii.
Kolejną, nie mniej ważną „wiosną” jest badanie cech biologicznych człowieka. Człowiek jest wytworem rozwoju przyrody żywej. Wszystkie procesy naszego życia są podobne do tych, które zachodzą w przyrodzie. Dlatego tylko głębokie zrozumienie procesów biologicznych stanowi naukową podstawę medycyny. Powstania świadomości, co oznacza gigantyczny krok naprzód w samopoznaniu materii, również nie można zrozumieć bez głębokich badań nad przyrodą żywą w co najmniej dwóch kierunkach - powstania i rozwoju mózgu jako narządu myślenia (zagadka myślenia pozostaje nadal nierozwiązany) i pojawienie się społeczeństwa, publicznego wizerunku życia.
Zwiększanie produkcji żywności i rozwój medycyny to ważne, ale nie jedyne problemy, które od tysięcy lat determinują rozwój biologii jako nauki. Dzika przyroda jest źródłem wielu materiałów i produktów niezbędnych ludzkości. Aby je właściwie wykorzystać, trzeba znać ich właściwości, wiedzieć, gdzie ich szukać w przyrodzie i jak je pozyskiwać. Pod wieloma względami początkowym źródłem takiej wiedzy jest biologia. Ale to nie wyczerpuje znaczenia nauk biologicznych.
W XX wieku Populacja Ziemi wzrosła tak bardzo, że rozwój społeczeństwa ludzkiego stał się czynnikiem determinującym rozwój biosfery Ziemi. Stało się już jasne, że żywa przyroda jest nie tylko źródłem pożywienia oraz wielu niezbędnych produktów i materiałów, ale także niezbędnym warunkiem istnienia samej ludzkości. Nasze więzi z nią okazały się znacznie bliższe i trwalsze, niż sądzono na początku XX wieku.
Na przykład powietrze wydawało się tym samym niewyczerpanym i stałym zasobem natury, co na przykład światło słoneczne. W rzeczywistości nie jest to prawdą. Skład jakościowy atmosfery, do której jesteśmy przyzwyczajeni, zawierającej 20,95% tlenu i 0,03% dwutlenku węgla, jest pochodną działalności istot żywych: oddychania i fotosyntezy roślin, utleniania martwej materii organicznej. Tlen w powietrzu powstaje wyłącznie w wyniku życia roślin. Głównymi fabrykami tlenu na Ziemi są lasy tropikalne i glony oceaniczne. Jednak dzisiaj, jak pokazują obserwacje, ilość dwutlenku węgla w atmosferze ziemskiej stale rośnie w wyniku uwalniania ogromnych ilości węgla podczas spalania ropy, gazu, węgla, drewna, a także innych procesów antropogenicznych. Od 1958 do 1980 roku ilość dwutlenku węgla w atmosferze ziemskiej wzrosła o 4%. Do końca stulecia jego zawartość może wzrosnąć o ponad 10%. W latach 70 XX wiek ilość tlenu wprowadzanego do atmosfery w wyniku działalności roślin oszacowano w t/rok, a roczne zużycie przez ludzkość w t/rok. Oznacza to, że już żyjemy z zapasów tlenu zgromadzonych w przeszłości, w ciągu milionów lat ewolucji istot żywych na planecie.
O wodzie, którą pijemy, a dokładniej o czystości tej wody, o jej jakości decyduje także przede wszystkim żywa przyroda. Nasze oczyszczalnie realizują jedynie ogromny, niewidoczny dla nas proces, który zachodzi w przyrodzie: woda w glebie lub zbiorniku wielokrotnie przechodzi przez ciała niezliczonych bezkręgowców, jest przez nie filtrowana i pozbawiona zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych staje się tym samym jak go znamy w rzekach, jeziorach i źródłach.
Zatem skład jakościowy powietrza i wody na Ziemi zależy od żywotnej aktywności organizmów żywych. Dodać należy, że żyzność gleby – podstawa plonów – jest efektem żywotnej aktywności organizmów żywych żyjących w glebie: ogromnej liczby bakterii, bezkręgowców, glonów.
Ludzkość nie może istnieć bez żywej natury. Dlatego też musimy utrzymywać go w „stanie roboczym”.
Niestety, nie jest to takie łatwe. W wyniku eksploracji przez człowieka całej powierzchni planety, rozwoju rolnictwa, przemysłu, wylesiania, zanieczyszczenia kontynentów i oceanów, z powierzchni Ziemi znika coraz większa liczba gatunków roślin, grzybów i zwierząt. Wymarłego gatunku nie da się przywrócić. Jest produktem milionów lat ewolucji i posiada unikalną pulę genów – unikalny kod informacji dziedzicznej, który określa unikalne właściwości każdego gatunku. Według niektórych szacunków na początku lat 80. Na świecie średnio dziennie ginie jeden gatunek zwierzęcia, a do roku 2000 wskaźnik ten może wzrosnąć do jednego gatunku na godzinę. W naszym kraju jeden gatunek kręgowców znika średnio co 3,5 roku. Jak zmienić tę tendencję i powrócić na uzasadnioną ewolucyjnie ścieżkę ciągłego zwiększania całkowitej „sumy życia”, a nie jej zmniejszania? Problem ten dotyczy całej ludzkości, jednak nie da się go rozwiązać bez pracy biologów.
Mówiąc obrazowo, współczesna biologia to ogromny, wielopiętrowy budynek zawierający tysiące „pokojów” – kierunków, dyscyplin, całych niezależnych nauk. Samo ich wypisanie może zająć dziesiątki stron.
W budynku biologii znajdują się niejako cztery główne „piętra”, odpowiadające podstawowym poziomom organizacji żywej materii. Pierwsze „piętro” to genetyka molekularna. Przedmiotem badania żywych istot są tutaj jednostki informacji dziedzicznej (geny), ich zmiany - mutacje i sam proces przekazywania informacji dziedzicznej. Drugie „piętro” to ontogeneza, czyli poziom indywidualnego rozwoju. Wydarzenia na tym „piętrze” są nadal najmniej badane w biologii. Zachodzi tu tajemniczy proces, który decyduje o pojawieniu się we właściwym miejscu i czasie tego, co powinno pojawić się w trakcie normalnego rozwoju każdego osobnika - nogi lub oka u zwierzęcia, liścia lub kory u rośliny. Kolejnym „piętrem” jest poziom populacji i gatunku. Elementarnymi jednostkami na tym poziomie są populacje, czyli stosunkowo małe, istniejące od dawna grupy osobników tego samego gatunku, w obrębie których następuje wymiana informacji dziedzicznych. Elementarnymi zjawiskami są tu nieodwracalne zmiany w składzie genotypowym populacji i ostatecznie pojawienie się różnych adaptacji i nowych gatunków. Na ostatnim, czwartym „piętrze” zachodzą procesy w układach ekologicznych o różnej skali - złożone zbiorowiska wielu gatunków, aż po procesy biosfery jako całość. Elementarnymi strukturami tych zbiorowisk są biogeocenozy, a elementarnymi zjawiskami jest przejście biogeocenozy z jednego stanu równowagi dynamicznej do drugiego, co ostatecznie prowadzi do zmiany całej biosfery jako całości. Każdy poziom rządzi się swoimi prawami, ale zdarzenia zachodzące na każdym z nich są ściśle powiązane ze zdarzeniami na innych poziomach.
W ostatnich dziesięcioleciach biologia molekularna poszła nieco do przodu (pod względem liczby naukowców zatrudnionych w tej dziedzinie oraz środków przeznaczanych w różnych krajach na rozwój tego konkretnego obszaru badań). Uzyskano niezwykłe wyniki, od czysto teoretycznych (rozszyfrowanie kodu genetycznego i synteza pierwszych sztucznych genów) po praktyczne (na przykład rozwój inżynierii genetycznej). Biologia populacji zaczyna się obecnie szybko rozwijać, co pozwoli z powodzeniem rozwiązać wiele współczesnych problemów związanych ze zwiększaniem produkcji artykułów spożywczych niezbędnych dla rosnącej populacji ludzkiej, zachowaniem szybko ginących gatunków organizmów żywych, szeregiem problemów związanych z wspaniałe zadanie przejścia do zarządzania ewolucyjnym rozwojem coraz większej populacji.więcej typów. Intensywny rozwój „piętra” badawczego biosfery nie jest odległy.
Nie należy sądzić, że biolodzy zajmujący się klasycznymi dziedzinami – zoologią, botaniką, morfologią, fizjologią, systematyką i innymi – zrobili już wszystko. Jest tu jeszcze wiele do zrobienia. Czy wiesz, że mniej niż połowa organizmów zamieszkujących naszą planetę została naukowo opisana (podano dokładne opisy i podaną nazwę naukową) - zaledwie około 4,5 miliona gatunków, a według niektórych szacunków nie więcej niż jedna trzecia, a nawet czwarta z nich? Nawet w naszym kraju, położonym głównie w umiarkowanej strefie klimatycznej, nie wyróżniającym się różnorodnością form organicznych, naukowcy co roku odkrywają dziesiątki nowych gatunków (głównie bezkręgowców).
Czyż nie fascynują badania paleontologów, którzy wykorzystując rozproszone pozostałości organizmów kopalnych odtwarzają wygląd dawno wymarłych zwierząt, rekonstruują naturę minionych epok i odkrywają drogi rozwoju świata organicznego?
I tu na badaczy czekają najciekawsze znaleziska. Jakże sensacyjne było na przykład odkrycie najstarszych skamieniałości przedjądrowych w skałach mających ponad 3 miliardy lat! Oznacza to, że już wtedy istniało życie na Ziemi. Nie mniej fascynująca i pełna odkryć jest praca genetyków, zoologów, botaników, biochemików, fizjologów itp.
Nas, ludzi na Ziemi, jest coraz więcej i chcemy żyć coraz lepiej. Dlatego rozwój społeczeństwa wymaga coraz większej ilości surowców i różnorodnych produktów. Rodzi to ogromne zadanie intensyfikacji całej gospodarki narodowej, w tym jej gałęzi związanych z biologią, przede wszystkim rolnictwa, leśnictwa, łowiectwa i rybołówstwa. Ale nie tylko te branże. W naszym kraju na przykład powstał i z powodzeniem rozwija się przemysł mikrobiologiczny – ogromna gałąź gospodarki narodowej dostarczająca produkty żywnościowe i paszowe (dla zwierząt gospodarskich i drobiu, ryb hodowlanych itp.), najnowocześniejsze leki i lekarstwa, a nawet pomaga wydobywać różne minerały. Ruszyła kolejna biologiczna gałąź gospodarki narodowej, która już przynosi pierwsze owoce - biotechnologia, polegająca na wykorzystaniu procesów i struktur odkrytych przez biologię fizyczno-chemiczną (molekularną) do tworzenia substancji i produktów niezbędnych ludzkości. Rozwój najważniejszych dziedzin nauk biologicznych, poszerzenie ich praktycznego powiązania z medycyną i rolnictwem omówiono w „Głównych kierunkach rozwoju gospodarczego i społecznego ZSRR na lata 1986-1990 i na okres do 2000 r.”, przyjętych przez XXVII Zjazd KPZR.
Intensyfikacja oznacza także oszczędzanie zasobów naturalnych i ich ochronę w interesie rozwijającego się społeczeństwa. Niezwykłą właściwością żywych zasobów naturalnych jest ich odnawialność, zdolność do ich odtwarzania w wyniku reprodukcji żywych organizmów. Dlatego intensyfikując wykorzystanie żywych zasobów przyrody, możliwe i konieczne jest zapewnienie, że będą nam one służyć przez nieokreślony czas. Można tego dokonać poprzez zorganizowanie rzeczywistego ekonomicznego, ekonomicznego wykorzystania i utrzymania żywych sił natury. Wielu naukowców pracuje nad rozwiązaniem tych problemów. Partia i rząd przywiązują dużą wagę do wszystkich tych kwestii. W Programie KPZR (nowe wydanie) czytamy: „Partia uważa za konieczne wzmocnienie kontroli nad zarządzaniem środowiskiem i szersze poszerzenie edukacji ekologicznej ludności”.
Kiedy zrodził się pomysł stworzenia tej książki, jednym z głównych zadań postawionych przed zespołem autorów było opowiedzenie o ważnych i interesujących cechach współczesnej biologii, o tym, co udało się już osiągnąć w różnych jej dziedzinach i jakie nierozwiązane problemy biolodzy twarz. Chcieliśmy, nie powtarzając podręcznika, ale opierając się na wiedzy, jaką daje szkolny program nauczania biologii, pokazać, nad czym biolodzy pracują w laboratoriach i ekspedycjach. W słowniku znajduje się także wiele esejów o wybitnych biologach naszego kraju i zagranicy. To dzięki pracy naszych poprzedników w nauce mamy wiedzę, którą mamy dzisiaj.
Kilka słów o tym, jak czytać tę książkę. W tekście często znajdziesz słowa pisane kursywą. Oznacza to, że w słowniku znajduje się specjalny artykuł poświęcony temu pojęciu. W poruszaniu się po zawartości słownika pomoże indeks alfabetyczny znajdujący się na końcu książki. Koniecznie zapoznaj się z listą polecanych materiałów do przeczytania.
Mamy nadzieję, że „Słownik encyklopedyczny młodego biologa” pomoże Państwu dowiedzieć się wielu nowych i fascynujących rzeczy o żywej przyrodzie, znaleźć odpowiedzi na Państwa pytania, a także rozbudzić i rozwinąć zainteresowanie wspaniałą nauką o organizmach żywych – biologią.
Fizycy wiedzą o efektach kwantowych od ponad stu lat, na przykład o zdolności kwantów do znikania w jednym miejscu i pojawiania się w innym lub przebywania w dwóch miejscach jednocześnie. Jednak niesamowite właściwości mechaniki kwantowej dotyczą nie tylko fizyki, ale także biologii.
Najlepszym przykładem biologii kwantowej jest fotosynteza: rośliny i niektóre bakterie wykorzystują energię słoneczną do budowy potrzebnych im cząsteczek. Okazuje się, że fotosynteza tak naprawdę opiera się na zaskakującym zjawisku – małe masy energii „badają” wszystkie możliwe sposoby wykorzystania siebie, a następnie „wybierają” ten najefektywniejszy. Być może nawigacja ptaków, mutacje DNA, a nawet nasz zmysł węchu opierają się w ten czy inny sposób na efektach kwantowych. Chociaż ta dziedzina nauki jest nadal wysoce spekulacyjna i kontrowersyjna, naukowcy uważają, że pomysły zaczerpnięte z biologii kwantowej mogą doprowadzić do stworzenia nowych leków i systemów biomimetycznych (biomimetria to kolejna nowa dziedzina nauki, w której systemy i struktury biologiczne są wykorzystywane do tworzyć nowe materiały i urządzenia).
3. Egzometeorologia
Jowisz Oprócz egzoceanografów i egzogeologów egzometeorolodzy interesują się badaniem naturalnych procesów zachodzących na innych planetach. Teraz, gdy potężne teleskopy umożliwiły badanie wewnętrznych procesów pobliskich planet i księżyców, egzometeorolodzy mogą monitorować panujące w nich warunki atmosferyczne i pogodowe. a Saturn ze swoją niesamowitą skalą jest głównymi kandydatami do badań, podobnie jak Mars z jego regularnymi burzami piaskowymi.
Egzometeorolodzy badają nawet planety poza naszym Układem Słonecznym. Interesujące jest to, że mogą w końcu znaleźć oznaki życia pozaziemskiego na egzoplanetach, wykrywając ślady organiczne lub podwyższony poziom dwutlenku węgla w atmosferze – oznaka cywilizacji przemysłowej.
4. Nutrigenomika
Nutrigenomika to badanie złożonych zależności między żywnością a ekspresją genomu. Naukowcy pracujący w tej dziedzinie starają się zrozumieć rolę zmienności genetycznej i reakcji dietetycznych w wpływie składników odżywczych na genom.
Jedzenie naprawdę ma ogromny wpływ na Twoje zdrowie – i to dosłownie zaczyna się na poziomie molekularnym. Nutrigenomika działa w obie strony: bada, jak dokładnie nasz genom wpływa na preferencje gastronomiczne i odwrotnie. Głównym celem dyscypliny jest tworzenie spersonalizowanego żywienia – ma to na celu zapewnienie, że nasza żywność będzie idealnie dopasowana do naszego unikalnego zestawu genów.
5. Kliodynamika
Kliodynamika jest dyscypliną łączącą makrosocjologię historyczną, historię gospodarczą (kliometrię), matematyczne modelowanie długoterminowych procesów społecznych, a także systematyzację i analizę danych historycznych.
Nazwa pochodzi od imienia greckiej muzy historii i poezji, Clio. Mówiąc najprościej, kliodynamika jest próbą przewidywania i opisu szerokich powiązań społecznych historii – zarówno w celu badania przeszłości, jak i jako potencjalny sposób przewidywania przyszłości, na przykład prognozowania niepokojów społecznych.
6. Biologia syntetyczna
Biologia syntetyczna to projektowanie i budowa nowych części, urządzeń i systemów biologicznych. Obejmuje to również unowocześnienie istniejących systemów biologicznych w celu uzyskania nieskończonej liczby przydatnych zastosowań.
Craig Venter, jeden z czołowych ekspertów w tej dziedzinie, ogłosił w 2008 roku, że zrekonstruował cały genom bakterii poprzez sklejenie jej składników chemicznych. Dwa lata później jego zespół stworzył „syntetyczne życie” – cząsteczki DNA zakodowane cyfrowo, następnie wydrukowane w 3D i wprowadzone do żywych bakterii.
W przyszłości biolodzy zamierzają analizować różne typy genomów, aby stworzyć przydatne organizmy do wprowadzenia do organizmu oraz bioroboty, które będą w stanie od podstaw produkować substancje chemiczne – biopaliwa. Istnieją również pomysły na stworzenie sztucznych bakterii zwalczających zanieczyszczenia lub szczepionek do leczenia poważnych chorób. Potencjał tej dyscypliny naukowej jest po prostu ogromny.
7. Memetyki rekombinowane
Ta dziedzina nauki jest w powijakach, jednak już jest jasne, że jest to tylko kwestia czasu – prędzej czy później naukowcy zyskają lepsze zrozumienie całej ludzkiej noosfery (ogółu wszelkich informacji znanych ludziom) oraz tego, w jaki sposób rozpowszechnianie informacji wpływa na niemal wszystkie aspekty życia człowieka.
Podobnie jak rekombinowane DNA, gdzie różne sekwencje genetyczne łączą się, aby stworzyć coś nowego, rekombinowana memetyka bada, w jaki sposób idee przekazywane od osoby do osoby mogą być dostosowywane i łączone z innymi memami i mempleksami – ustalonymi kompleksami wzajemnie powiązanych memów. Może to być przydatne do celów „społecznoterapeutycznych”, na przykład zwalczania szerzenia się ideologii radykalnych i ekstremistycznych.
8. Socjologia obliczeniowa
Podobnie jak kliodynamika, socjologia obliczeniowa bada zjawiska i trendy społeczne. Centralnym elementem tej dyscypliny jest wykorzystanie komputerów i powiązanych technologii przetwarzania informacji. Oczywiście dyscyplina ta rozwinęła się dopiero wraz z pojawieniem się komputerów i powszechnym wykorzystaniem Internetu.
Szczególną uwagę w tej dyscyplinie poświęca się ogromnym przepływom informacji z naszego codziennego życia, na przykład e-mailom, rozmowom telefonicznym, wpisom w mediach społecznościowych, zakupom kart kredytowych, zapytaniom w wyszukiwarkach i tak dalej. Przykładami prac może być badanie struktury sieci społecznościowych i sposobu dystrybucji informacji za ich pośrednictwem lub powstawania intymnych relacji w Internecie.
9. Ekonomia kognitywna
Generalnie ekonomia nie jest kojarzona z tradycyjnymi dyscyplinami naukowymi, jednak może się to zmienić ze względu na ścisłe powiązanie wszystkich dziedzin nauki. Dyscyplina ta często mylona jest z ekonomią behawioralną (nauką o naszym zachowaniu w kontekście decyzji ekonomicznych). Ekonomia kognitywna to nauka o tym, jak myślimy. Pisze o tym Lee Caldwell, autor bloga poświęconego tej dyscyplinie:
„Ekonomia kognitywna (lub finansowa)... bada, co faktycznie dzieje się w umyśle człowieka, gdy dokonuje on wyboru. Jaka jest wewnętrzna struktura podejmowania decyzji, co na nią wpływa, jakie informacje odbiera w tym momencie umysł i jak są przetwarzane, jakie wewnętrzne formy preferencji ma dana osoba i ostatecznie, w jaki sposób wszystkie te procesy znajdują odzwierciedlenie w zachowaniu ?
Innymi słowy, naukowcy rozpoczynają badania na niższym, uproszczonym poziomie i tworzą mikromodele zasad podejmowania decyzji, aby opracować model zachowań gospodarczych na dużą skalę. Często ta dyscyplina naukowa wchodzi w interakcję z dziedzinami pokrewnymi, takimi jak ekonomia obliczeniowa czy kognitywistyka.
10. Elektronika plastikowa
Elektronika zazwyczaj obejmuje obojętne i nieorganiczne przewodniki i półprzewodniki, takie jak miedź i krzem. Ale nowa gałąź elektroniki wykorzystuje przewodzące polimery i przewodzące małe cząsteczki oparte na węglu. Elektronika organiczna obejmuje projektowanie, syntezę i przetwarzanie funkcjonalnych materiałów organicznych i nieorganicznych wraz z rozwojem zaawansowanych mikro- i nanotechnologii.
Tak naprawdę nie jest to nowa dziedzina nauki, pierwsze osiągnięcia miały miejsce już w latach 70. XX wieku. Jednak dopiero niedawno udało się zebrać wszystkie zgromadzone dane, w szczególności ze względu na rewolucję nanotechnologiczną. Dzięki elektronice organicznej być może wkrótce będziemy mieli organiczne ogniwa słoneczne, samoorganizujące się monowarstwy w urządzeniach elektronicznych i organiczne protezy, które w przyszłości będą w stanie zastąpić ludzkie kończyny: w przyszłości tak zwane cyborgi mogą składać się z więcej materii organicznej niż części syntetycznych.
11. Biologia obliczeniowa
Jeśli w równym stopniu lubisz matematykę i biologię, to ta dyscyplina jest właśnie dla Ciebie. Biologia obliczeniowa stara się zrozumieć procesy biologiczne za pomocą języka matematyki. Jest to również stosowane w przypadku innych systemów ilościowych, takich jak fizyka i informatyka. Naukowcy z Uniwersytetu w Ottawie wyjaśniają, jak stało się to możliwe:
„Wraz z rozwojem oprzyrządowania biologicznego i łatwym dostępem do mocy obliczeniowej, biologia jako taka musi operować coraz większą ilością danych, a tempo zdobywania wiedzy stale rośnie. Zatem nadanie sensu danym wymaga obecnie podejścia obliczeniowego. Jednocześnie z punktu widzenia fizyków i matematyków biologia dojrzała do poziomu, na którym można eksperymentalnie testować teoretyczne modele mechanizmów biologicznych. Doprowadziło to do rozwoju biologii obliczeniowej.”
Naukowcy pracujący w tej dziedzinie analizują i mierzą wszystko, od cząsteczek po ekosystemy.
Jak działa „brainmail” – przesyłanie wiadomości z mózgu do mózgu za pośrednictwem Internetu
10 tajemnic świata, które nauka w końcu odkryła
