Основные направления развития биотехнологий

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3. Перспективы развития биотехнологий

С помощью биотехнологии получено множество продуктов для здравоохранения, сельского хозяйства, продовольственной и химической промышленности. Причем важно то, что многие из них не могли быть получены без применения биотехнологических способов. Особенно большие надежды связываются с попытками использования микроорганизмов и культур клеток для уменьшения загрязнения среды и производства энергии. В молекулярной биологии использование биотехнологических методов позволяет определить структуру генома, понять механизм экспрессии генов, смоделировать клеточные мембраны с целью изучения их функций и т.д. Конструирование нужных генов методами генной и клеточной инженерии позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе.

Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ.

В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных.

В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, искусственное оплодотворение. Все это свидетельствует о том, что биотехнология станет источником не только новых продуктов питания и медицинских препаратов, но и получения энергии и новых химических веществ, а также организмов с заданными свойствами. Если говорить о перспективах развития биотехнологии, то центральной проблемой биотехнологии остается интенсификация биопроцессов как за счет повышения потенциала биологических агентов и их систем, так и за счет усовершенствования оборудования, применения биокатализаторов (иммобилизованных ферментов и клеток) в промышленности, аналитической химии, медицине. В основе промышленного использования достижений биологии лежит техника создания рекомбинантных молекул ДНК. Конструирование нужных генов позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми свойствами. В частности, возможно управление процессом фиксации атмосферного азота и перенос соответствующих генов из клеток микроорганизмов в геном растительной клетки.

Перспективы развития биотехнологии в ближайшие 10—15 лет в России и за рубежом необходимо рассматривать в четырех ракурсах: социальном, экологическом, этическом и экономическом. Социальная составляющая связана с качественно новыми возможностями, которые открываются, благодаря развитию биотехнологии, в ряде важных областей жизнеобеспечения человека. Среди них: • диагностика, профилактика и лечение ряда распространенных или, наоборот, крайне редких и трудноизлечимых традиционными средствами заболеваний человека; • увеличение производства продуктов питания и их пищевой ценности благодаря выведению новых сортов сельскохозяйственных растений и пород животных, что позволит если не решить, то по крайней мере уменьшить проблему голода в развивающихся странах и регионах, бедных в отношении традиционных сельскохозяйственных ресурсов; • создание новых рабочих мест в процессе развития биотехнологического производства; • расширение использования нетрадиционных, в том числе возобновляемых, источников энергии; • переработка токсичных для среды обитания человека отходов и мусора и др. По оценке «Biotechnology Industry Organization», полученными с помощью биотехнологии лекарствами и вакцинами уже пользуются более 250 млн. человек в мире. Однако сегодня, к сожалению, нельзя исключить возможности того, что широкое распространение биотехнологии за пределы научных лабораторий может обернуться для человечества новыми, пока еще трудно предсказуемыми экологическими проблемами. Это касается, в частности, создания и попадания в окружающую среду не имеющих аналогов в природе новых видов микроорганизмов, отдаленных последствий массового употребления трансгенных продуктов, побочных эффектов массовой вакцинации и широкого применения новых лекарственных препаратов. Особую тревогу вызывает сегодня возможность применения достижений биотехнологии в террористических целях. Еще не осознаны в полной мере связанные с развитием биотехнологии этические проблемы. Это показала, в частности, широкая дискуссия, развернувшаяся в последние годы вокруг клонирования животных и перспектив клонирования человека. Между тем клонирование представляет лишь верхушку айсберга, под которой скрываются такие труднодоступные для этического осмысления, но остро нуждающиеся в этом сегодня проблемы, как использование в медицинских целях эмбрионов и искусственно выращенных тканей и органов человека, пересадка генов между человеком, животными и растениями, вторжение биотехнологии в процессы высшей нервной деятельности и пр.

Однако перечисленные и многие другие проблемы вряд ли остановят развитие биотехнологии по причине названных выше социальных и ожидаемых в ближайшие годы экономических перспектив. Проследить их нагляднее всего можно на примере рынка биотехнологической продукции США, который, по данным «Austrade Technology», превышает аналогичный рынок в странах Европы по объемам продаж и доходов почти в 10 раз, по масштабам НИОКР — в 3 раза и по капитализации рынка — в 12 раз (эти данные относятся к периоду до наступления резкого спада на американском фондовом рынке в середине 2000 г.). Продажи отрасли только в США выросли за 5 лет, начиная с 1995 г., примерно вдвое и достигли в 1999 г. 18,6 млрд. долл. По прогнозам экспертов американской аналитической фирмы CRC, объем продаж продукции, полученной методами биотехнологии, будет увеличиваться в США ежегодно в ближайшее десятилетие на 12% и достигнет к 2016 г. 82 млрд. долл. Основная доля этой продукции приходится на лекарственные препараты, производство которых методами биотехнологии уже вышло на уровень примерно 10% всего рынка фармацевтической продукции США и увеличится в денежном выражении с 15 млрд. долл. в 2002 г. до более чем 66 млрд. долл. в 2016 г. К настоящему времени получили разрешение на продажу в США более 75 таких лекарственных препаратов, еще 80 находятся на ближних подступах к рынку. Вторым по величине сегментом отрасли будет в ближайшие годы производство средств диагностики для различных медицинских приложений. Ожидается, что этот сегмент будет ежегодно увеличиваться на 7%. В денежном выражении это составит 7,9 млрд. долл. в 2016 г. по сравнению с 2,9 млрд. долл. в 2002 г. Несколько более высокими темпами — до 9% в год — будет развиваться в ближайшее время американский рынок средств диагностики немедицинского назначения, полученных с помощью биотехнологии и используемых, например, для обнаружения пестицидов и других вредных химических соединений в пищевых продуктах. Однако по абсолютным показателям он все еще существенно уступает рынку средств медицинской диагностики: ожидается его рост с 380 млн. долл. в 2002 г. до 990 млн. долл. в 2016 г. Впрочем, эксперты высказывают предположение, что эти прогнозы могут быть скорректированы в результате увеличения в США внимания к проблеме биотерроризма после 11 сентября 2001 г. Несмотря на все выступления общественности против распространения генетически модифицированных организмов, самыми высокими темпами — около 15% в год — прогрессируют в США сельскохозяйственные приложения биотехнологии.

Если в 2002 г. их рынок оценивается экспертами CRC на уровне 1,4 млрд. долл., то в 2016 г. он достигнет, по их же оценкам, уже 7,7 млрд. долл. Данный рост будет обеспечен во многом за счет значительного увеличения потребления генетически модифицированной сои. Использование генетически модифицированной кукурузы, как ожидается, изменится в значительно меньшей степени. Производство химической продукции методами биотехнологии также будет расти достаточно высокими темпами (около 14% в год). Это приведет к увеличению объема американского рынка с 750 млн. долл. в 2002 г. до 4,8 млрд. долл. в 2016 г. В развитии биотехнологии важную роль играет малый и средний инновационный бизнес. С начала 70-х годов XX в. только в США в этой отрасли было создано свыше 1800 новых промышленных компаний. Более тысячи из них действует и в настоящее время, причем примерно 350 американских биотехнологических фирм котируется на фондовых рынках. Вместе с тем, по оценке редактора «Medical Technology Stock Letter» J. McCamant, только около 30 из них приносят в настоящее время прибыль. Это не удивительно, поскольку, по имеющимся оценкам, разработка одного успешного нового препарата занимает в среднем около 15 лет и обходится примерно в 500 млн. долл. До стадии маркетинга доходит всего примерно один из 10 000 изучаемых на стадии фундаментальных исследований продуктов. Данные по другим странам в настоящее время менее детализованы. Тем не менее, можно говорить о том, что и эти страны прилагают значительные усилия по развитию биотехнологии. Это особенно касается Японии и таких стран Западной Европы, как Германия, Франция, Бельгия. Число патентов в области биотехнологии в странах ОЭСР росло в 90-е годы в 2 раза более высокими темпами, чем общее количество патентов (соответственно 10% и 5%). Безусловным лидером по количеству патентов являются также США, на долю которых приходится примерно половина всех патентов стран ОЭСР. Вместе с тем определенным препятствием на пути широкого и быстрого распространения биотехнологий в ближайшие десятилетия могут стать отмечавшиеся выше этические мотивы и экологические опасения, которые уже сегодня оказывают заметное влияние на распространение трансгенных сельскохозяйственных культур.

В качестве источников сырья для биотехнологии все большее значение будут приобретать воспроизводимые ресурсы не пищевых растительных материалов, отходов сельского хозяйства, которые служат дополнительным источником как кормовых веществ, так и вторичного топлива (биогаза) и органических удобрений.

Одной из бурно развивающихся отраслей биотехнологии считается технология микробного синтеза ценных для человека веществ. По прогнозам, дальнейшее развитие этой отрасли повлечет за собой перераспределение ролей в формировании продовольственной базы человечества растениеводства и животноводства с одной стороны, и микробного синтеза - с другой. Не менее важным аспектом современной микробиологической технологии является изучения участия микроорганизмов в биосферных процессах и направленная регуляция их жизнедеятельности с целью решения проблемы охраны окружающей среды от техногенных, сельскохозяйственных и бытовых загрязнений. С этой проблемой тесно связаны исследования по выявлению роли микроорганизмов в плодородии почв (гумусообразовании и пополнении запасов биологического азота), борьбе с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур, утилизации пестицидов и других химических соединений в почве.

Имеющиеся в этой области знания свидетельствуют о том, что изменение стратегии хозяйственной деятельности человека от химизации к биологизации земледелия оправдывается как с экономической, так и с экологической точек зрения. В данном направлении перед биотехнологией может быть поставлена цель регенерации ландшафтов. Ведутся работы по созданию биополимеров, которые будут способны заменить современные пластмассы. Эти биополимеры имеют существенное преимущество перед традиционными материалами, так как нетоксичны и подвержены биодеградации, то есть легко разлагаются после их использования, не загрязняя окружающую среду.

Биотехнологии, основанные на достижениях микробиологии, наиболее экономически эффективны при комплексном их применении и создании безотходных производств, не нарушающих экологического равновесия. Их развитие позволит заменить многие огромные заводы химической промышленности экологически чистыми компактными производствами. Важным и перспективным направлением биотехнологии является разработка способов получения экологически чистой энергии. Получение биогаза и этанола были рассмотрены выше, но есть и принципиально новые экспериментальные подходы в этом направлении. Одним из них является получение фотоводорода:

«Если из хлоропластов выделить мембраны, содержащие фотосистему 2, то на свету происходит фотолиз воды разложение ее на кислород и водород. Моделирование процессов фотосинтеза, происходящих в хлоропластах, позволило бы запасать энергию Солнца в ценном топливе водороде».

Процесс идет при нормальной температуре без образования токсических промежуточных продуктов; процесс циклический, так как при потреблении водорода регенерируется субстрат - вода.

Приведём примеры разработок 2014 года в области биотехнологии.

1. 22-летней девушке из  Нидерландов с хроническим заболеванием  костей — из-за чего толщина  её черепа увеличилась на 1,5-5 см, что вызвало нарушение зрения  и головные боли — сделали  успешную пересадку верхней части  черепной коробки, заменив её  на пластиковый имплантат, напечатанный  на 3D-принтере. Новый орган сделан из полупрозрачного пластика

Операция заняла 23 часа. Её провела группа хирургов в Университетском медицинском центре Утрехта. По заявлению представителей университета, это первый в мире случай пересадки черепа, который не был отторгнут организмом.

Современные технологии буквально спасли девушке жизнь. Её собственный череп был настолько толстым, что серьёзные повреждения мозга или смерть были бы неизбежны в ближайшем будущем. Исправить проблему без пересадки органа в данном случае не представлялось возможным.

Имплантат изготовлен по индивидуальному заказу из прочного пластика, название которого не называется. После операции к пациенту вернулось зрение, она не проявляет никаких симптомов болезни и полностью работоспособна.

Специалисты и раньше печатали на 3D-принтере фрагменты черепа, но впервые им удалось пересадить столь крупный имплантат.

2. Реконструкция лица  по данным томографии 

Используя одни лишь данные сканирования фМРТ (функциональной магнито-резонансной томографии), исследователи из Йельского Университета смогли реконструировать лица людей, на которых смотрели испытуемые.

«Это разновидность чтения мыслей», говорит Марвин Чун (Marvin Chun), профессор психологии, нейробиолог и автор статьи в журнале Neuroimage. Количество информации, получаемое при фМРТ, уже позволило учёным предсказывать, какую сцену или объект вспоминает человек. Например, пляж, городскую улицу, животное или здание.

«Однако до недавнего времени можно было лишь сказать, что речь идёт просто о животном, а не о каком-то конкретном. Это уже гораздо более высокий уровень». Один из студентов Чуна, Алан Коуэн (Alan Cowen), хотел выяснить, возможно ли реконструировать вспоминаемое одним человеком лицо другого человека. Задача была очень непростой, потому что лица людей похожи друг на друга куда больше, чем здания. Ситуация осложнялась тем, что распознаванием человеческих лиц «занимаются» большие области мозга, что является залогом выживания. Человек способен различать лица по гораздо большему количеству деталей по сравнению с другими объектами.

Коуэн со своим коллегой Брайсом Кулем (Brice Kuhl), показывали шестерым испытуемым изображения 300 разных лиц, в то же время проводя фМРТ. Данные сканирования были сведены в своеобразную статистическую библиотеку реакций мозга на конкретные лица. Во время следующей сессии сканирования испытуемым были показаны новые наборы лиц. Сопоставив результаты обоих этапов, учёные смогли реконструировать лица, которые были показаны испытуемым во второй раз.

Коуэн говорит, что точность реконструкции со временем вырастет, и он представляет, что их технология будет использоваться как исследовательский инструмент, например, для изучения того, как дети-аутисты реагируют на лица людей.

3. Биологи оснащают крупных  акул, обитающих у побережья Австралии, электронными метками, которые предупреждают  отдыхающих об опасности. Как  только акула с «маячком» подплывает  к берегу ближе, чем на километр, метку обнаруживают установленные  на побережье детекторы. Сообщение  с координатами акулы, а так  же информацией о её породе  и размере публикуется в Твиттере. Такой способ предупреждения  намного оперативнее и точнее  любых других.