Другие науки о жизни

Науки о жизни (life sciences) объединяют самые разные отрасли биологии, биотехнологии и медицины. В последние годы это – один из приоритетов мировой науки и экономики. Выбор наук о жизни в качестве приоритетного направления развития объясняется рядом причин. Эти науки являются основой для обеспечения первоочередных потребностей человечества.

Прежде всего, это здравоохранение. Для того, чтобы заботиться о здоровье, надо понимать, что творится со здоровым человеком, и что происходит при патологии. Особенно важное значение приобретают науки о жизни в условиях увеличения средней продолжительности жизни: необходимость обеспечить пожилым членам общества здоровую и активную старость ставит перед биологией и медициной новые задачи. Во-вторых, растущее население мира и рост благосостояния требует разработки новых способов повышения продуктивности сельского хозяйства, новых сортов растений – не только более урожайных, но и обладающих улучшенными потребительскими свойствами. В-третьих, возрастающая нагрузка, оказываемая человечеством на природу, требует всё более глубокого изучения экологии и принятия мер по снижению этой нагрузки – например, за счет методов получения биотоплива, биоразрушаемых пластмасс, прогрессивных способов ведения сельского хозяйства, снижения уровня загрязнения окружающей среды и биоремедиации – восстановления загрязненных или разрушенных биоценозов.

Центральным звеном, объединяющим науки о жизни, являются биотехнологии в самом широком понимании этого термина.

Приоритет живых систем

Идентификация личности и надежная диагностика заболеваний, выращивание органов для человека и создание сельскохозяйственных культур с повышенным содержанием витаминов, жиров и белков, новые вакцины и лекарства – эти и многие другие технологии по праву относятся к широчайшему пространству, названному «живыми системами».

Создание развитой экономики в постиндустриальном обществе невозможно без обновления технологического уклада и форм научной деятельности, соответствующих уходящему экономическому строю. Поэтому одна из ключевых задач нашего государства – формирование эффективного и конкурентного сектора науки и инноваций. Основной инструмент государства в области развития науки и технологий – федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007–2012 годы». В рамках этой программы государство финансирует работы, соответствующие выбранным научным и научно-техническим государственным приоритетам, один из которых – «Живые системы».

Справка STRF.ru:
Работы по приоритетному направлению «Живые системы» ведутся и в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы». В рамках этого направления в 2008 году разрабатывались, в частности, следующие критические технологии:
– биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных;
– биокаталитические, биосинтетические и биосенсорные технологии;
– геномные и постгеномные технологии создания лекарственных средств;
– клеточные технологии;
– технологии биоинженерии.

Понятие «науки о жизни» (life sciences) пришло на смену привычному понятию «биологические науки» и дало общее название всем наукам о живом: зоологии и генетике, ботанике и молекулярной биологии, физиологии и биохимии, экологии и медицине. Все, кто работают в этих областях, имеют дело с живыми системами, то есть с живыми организмами, будь то человек или цветок, вирус или бактерия. Можно сказать, что живые системы – это всё, что размножается, дышит, питается, движется.

Однако речь идёт не просто о смене названия. Термин «живые системы» более активный, более структурированный. Он отражает системный подход к этой междисциплинарной области науки и знания, в которой работают биологи, химики, физики, математики. Кроме того, термин «Живые системы» очень технологичен. Он предусматривает не только познание и открытие принципов организации живого, но и использование этого знания в виде новых технологий. Такой подход предлагает разным специалистам сообща двигаться от научной идеи к ее практическому воплощению и использованию в интересах людей.

Идентификация личности и надежная диагностика заболеваний, выращивание органов для человека и создание сельскохозяйственных культур с повышенным содержанием витаминов, жиров и белков, новые вакцины и лекарства – эти и многие другие технологии по праву относятся к широчайшему пространству, названному «живыми системами». Исследования и разработки, выполненные в этой области, наполнят нашу промышленность наукоемкими технологиями, улучшат здоровье и повысят безопасность граждан России. Вот почему живые системы – один из главных государственных приоритетов в области науки техники, активно поддерживаемый с помощью федеральных целевых программ.

Этот сборник вкратце познакомит читателя с понятием технологических платформ и биотехнологий, а также некоторыми разработками ведущих российских научных коллективов, работающих в приоритетном направлении «Живые системы».

Справка STRF.ru:
Распределение финансирования по направлению «Живые системы» в рамках Федеральной целевой программы в 2008 году по регионам (млн. руб.):
ДВФО – 9 контрактов, бюджет 116,5
ПФО – 17 контрактов, бюджет 140,1
СЗФО – 32 контракта, бюджет 156,0
СФО – 34 контракта, бюджет 237,4
УФО – 1 контракт, бюджет 50
ЦФО – 202 контракта, бюджет 2507,8
ЮФО – 4 контракта, бюджет 34,85

Знания как технология

В разговоре о развитии фундаментальных и прикладных разработок в области живых систем всё чаще встречается понятие «технология». В современной, постиндустриальной экономике под технологиями понимают совокупность документированных знаний для целенаправленной деятельности с использованием технических средств (например, организационные технологии, технологии потребления, социальные технологии, политические технологии). Следует заметить, что в рыночной экономике технологии, как разновидность знаний, являются товаром. Комплекс знаний, обозначаемый этим понятием, ставит вопросы не только о том, что мы делаем, но и как, а главное, зачем мы это делаем.

При определении стратегий развития научно-технического комплекса в масштабах страны используют понятие «технологическая платформа». Однозначного определения этого термина пока нет. Тем не менее уже очевидно, что это понятие включает в себя совокупность знаний, методик, материально-технической базы и квалифицированного персонала, меняющуюся в зависимости от внешних заказов на проведение научно-технологических работ. Приоритетное направление «Живые системы» можно рассматривать как совокупность нескольких технологических платформ.

Раскрытые тайны

Из живых систем мы черпаем технологии, которые для природы – норма жизни. Она использует их при зарождении, развитии и смерти любого живого организма. Причем на каждом уровне иерархии живой системы – генетическом, клеточном, организменном – работает свой набор технологических решений.

Любая живая система начинается с главной молекулы жизни, ДНК, которая хранит и передает из поколения в поколение наследственную информацию. ДНК можно условно разбить на смысловые участки – гены. Они посылают команды синтезировать те или иные белки, формирующие признаки организма и обеспечивающие его жизнь. Количество генов у человека учёные оценивают в 20–25 тысяч. Если в генах случились поломки, называемые мутациями, у человека развиваются тяжелые заболевания. Объем текста, «записанного» в геноме, идентичен подшивке ежедневной газеты «Известия» за 30 лет.

ДНК живет и работает в клетке. Живая клетка – само совершенство. Она умеет превращать бесполезные вещества в нужные, синтезировать для организма внутренние лекарства, строительный материал и многое другое. Каждую минуту в живой клетке протекают миллионы химических реакций при самых обычных условиях – в водной среде, без высокого давления и температур.

Одна клетка живет сама по себе лишь в одноклеточных организмах – бактериях., большинство же живых систем многоклеточные. В теле взрослого человека содержится в среднем 10¹⁴ клеток. Они рождаются, трансформируются, выполняют свою работу и умирают. Но при этом живут в согласии и сотрудничестве, выстраивая коллективные системы защиты (иммунная система), адаптации (регуляторная система) и другие.

Шаг за шагом мы раскрываем тайны живых систем и на основании этого знания создаем биотехнологии.

Биотехнологии

Биотехнологии можно определить как процессы, в которых живые системы или их компоненты используются для производства веществ или других живых систем. Живые существа – это своеобразные «фабрики», перерабатывающие исходные материалы (питательные вещества) в самые разнообразные продукты, необходимые для поддержания их жизни. А кроме того, эти фабрики способны воспроизводиться, то есть порождать другие очень похожие «фабрики».

Сегодня мы уже знаем многое о том, как устроены и функционируют «работники» живых фабрик – геном, клеточные структуры, белки, сами клетки и организм в целом.

Благодаря этим знания, пусть ещё неполным, исследователи научились манипулировать отдельными элементами живых систем – генами (геномные технологии), клетками (клеточные технологии) – и создавать генетически измененные живые организмы с полезными для нас признаками (генная инженерия). Мы умеем приспосабливать природные «фабрики» для производства необходимого нам продукта (промышленные биотехнологии). И более того – генетически модифицировать эти фабрики, чтобы они синтезировали то, что нужно нам.

Так мы создаем биотехнологии, о которых дальше и пойдет речь. Но прежде, чем мы познакомим вас с примерами технологий, уже поставленных на службу человеку, несколько слов нужно сказать об изящном решении, которое сегодня помогает ученым проникать в тайны жизни и познавать механизмы живых систем. Ведь процессы, протекающие в клетке, не видимы, и научный поиск требует технологий, с помощью которых можно их увидеть и понять. Кстати, это решение – уже само по себе биотехнология.

Светящиеся белки

Чтобы узнать, как работают гены, надо увидеть результат их работы, то есть белки, которые синтезируются по их команде. Как разглядеть именно те, которые мы ищем? Учёные нашли метод, который позволяет сделать белки видимыми, светящимися в ультрафиолетовом свете.

Такие светящиеся белки встречаются в природе, например, в морских рачках и медузах. Во время второй мировой войны японцы использовали в качестве локального источника света порошок из «морского светлячка» – рачка с двустворчатой раковиной. Когда его размачивали в воде, он ярко светился. Именного из этого морского светлячка и медуз О.Симомура (Япония) в конце 50-х годов ХХ века впервые выделил светящиеся белки. С этого началась история знаменитого сегодня GFP – зеленого флуоресцентного белка (green fluorescent protein). А в 2008 году О.Симомура, М.Челфи и Р.Циен (США) за флуоресцентные белки получили Нобелевскую премию по химии. С помощью этих белков можно заставить светиться самые разные живые объекты, от клеточных структур до целого животного. Флуоресцентный фонарик, который удавалось с помощью генетических манипуляций прицеплять к искомым белкам, позволил увидеть, где и когда этот белок синтезируется, в какие участки клетки направляется. Это был переворот в биологии и медицине.

А вот красные флуоресцентные белки впервые нашли в кораллах и других морских организмах два российских исследователя – Михаил Мац и Сергей Лукьянов. Теперь у нас есть флуоресцентные белки всех цветов радуги, и сфера их применения очень широка: от переднего края биологии и медицины, в том числе онкологии, и обнаружения ядовитых и взрывчатых веществ до светящихся аквариумных рыбок.

Под руководством член-корреспондента РАН С.Лукьянова (Институт биоорганической химии РАН) создана российская биотехнологическая компания «Евроген», которая снабжает ученых всего мира разноцветными флуоресцентными метками. Сегодня «Евроген» – один из лидеров на мировом рынке флуоресцентных белков для биологических исследований.

Генетическая идентификация

Все мы очень разные. Внешность, характер, способности, восприимчивость к лекарствам, неприятие той или иной пищи – все это задано генетически. Уникальность генома каждого из нас делает его надежным инструментом для установления личности. По существу, наши гены – это те же отпечатки пальцев, только иной природы. Метод ДНК-идентификации ввел в криминалистическую практику британский исследователь Алик Джефрис в 80-х годах прошлого века. Сегодня это уже распространенная и привычная процедура во всем мире.

Используется она и в России. Однако реагенты для анализа мы закупаем за рубежом. В Институте общей генетики РАН под руководством член-корреспондента РАН Николая Янковского создается набор реагентов для ДНК-идентификации человека. Появление такого отечественного инструмента очень своевременно, поскольку с 1 января 2009 года вступит в силу закон «О геномной регистрации», принятый Государственной Думой РФ 19 ноября 2008 года. Разработка наших учёных не только позволит отказаться т импорта, но и даст в руки криминалистов более совершенный инструмент, который, в отличие от западных аналогов, работает с сильно разрушенной ДНК. А это частый случай в судебно-медицинской экспертизе.

С помощью этого инструмента будет решена еще одна важнейшая социальная задача – создание банка генетических данных нарушителей закона, благодаря которому увеличится раскрываемость преступлений и сократится время расследования. В Великобритании база генетических данных людей, так или иначе связанных с криминальным миром, уже насчитывает несколько миллионов человек.

Метод ДНК-идентификации особенно хорош для установления личности людей, погибших в войнах, катастрофах и при других обстоятельствах. Сегодня его используют и в России. Наиболее известный случай – идентификация останков последней царской семьи. Завершающий этап этой большой работы – идентификация останков сына и дочери императора – выполнен профессором Евгением Рогаевым, заведующим отделом геномики Института общей генетики РАН.

Наконец, ещё одна область применения метода ДНК-идентификации – установление отцовства. Исследования показывают, что несколько процентов юридических отцов не являются биологическими. Долгое время отцовство устанавливали по анализу крови ребенка и родителя – определяли группу крови, резус-фактор и сопоставляли данные. Однако этот метод был ненадежен по своей сути, как теперь понимают исследователи, и давал много ошибок, которые оборачивались личными трагедиями. Применение ДНК-идентификации повысило точность анализа практически до 100%. Сегодня эта методика для установления отцовства доступна и в России.

Генетическая диагностика

Сделать полный анализ генома одного человека пока стоит огромных денег – два миллиона долларов. Правда, через десять лет, по мере совершенствования технологий, цена упадет, по прогнозам, до тысячи долларов. Но ведь можно и не описывать все гены. Зачастую достаточно оценить работу только отдельных групп генов, критичных для возникновения разных недугов.

Генетическая диагностика требует особых устройств, миниатюрных, быстрых и точных. Эти устройства называются биочипами. Первый в мире патент на биочипы для определения структуры ДНК принадлежит России – коллективу академика Андрея Мирзабекова из Института молекулярной биологии им. В.А.Энгельгардта РАН. Тогда, в конце 80-х годов прошлого века, коллектив Мирзабекова разработал технологию микроматриц. Биочипами их стали называть позднее.

Биологические микрочипы – это небольшая пластинка из стекла или пластика, на поверхности которой расположено множество ячеек. В каждой из таких лунок находится маркер на тот или иной участок генома, который надо обнаружить в образце. Если на биочип капнуть образец крови пациента, то можно узнать, есть ли в нем то, что мы ищем – соответствующая лунка будет светиться из-за флуоресцентной метки.

Разглядывая отработанный биочип, исследователи могут ставить диагноз о предрасположенности к тем или иным заболеваниям, а также обнаруживать в крови пациента опасные вирусы, например, туберкулеза или гепатита С. Ведь вирус – это не что иное, как кусочек чужеродной ДНК в белковой оболочке. Благодаря новой методике длительность сложных лабораторных анализов биологических материалов сократилась с нескольких недель до одного дня.

Сегодня биологические микробиочипы разрабатывают десятки компаний в странах Европы и в США. Однако российские биочипы успешно выдерживают конкуренцию. Один анализ с помощью тест-системы «Биочип-ИМБ» стоит всего 500 рублей, в то время как использование зарубежного аналога обходится в 200–500 долларов.

А в Институте молекулярной биологии РАН приступили к сертификации биочипов, выявляющих разновидности вируса гепатита С у пациента. Рыночный потенциал новой технологии огромен. Ведь с помощью традиционных анализов в каждом третьем случае не удаётся выяснить, к какой разновидности относится найденный вирус. Теперь эта задача решена.

С помощью ДНК-диагностики можно не только выявлять заболевания и предрасположенность к ним, но и корректировать повседневную диету. Например – включать в нее цельное молоко или нет. Дело в том, что у многих людей цельное молоко вызывает тошноту, понос и общее недомогание. Это происходит из-за недостатка фермента, разрушающего молочный сахар – лактозу. Из-за него-то в организме и возникают неприятности. А наличие фермента обусловлено генетически. Согласно генетическим исследованиям, от трети до половины взрослых людей в нашей стране (в зависимости от региона) не способны усваивать цельное молоко. Тем не менее, школьная диета по-прежнему предписывает стакан молока в день каждому ребенку. С помощью ДНК-диагностикума, разработанного в Институте общей генетики РАН, легко установить, кому может быть рекомендовано цельное молоко, а кому нет. На это нацелен проект «Сохранение здоровья здоровых людей», реализуемый РАН совместно с администрацией Тамбовской области.

Генная терапия

Генетическая диагностика строит фундамент для медицины будущего. Но медицина – это не только диагноз, это и лечение. Можем ли мы исправлять дефектные гены в живом организме или заменять их полноценными в тех тяжелых случаях, когда традиционное лечение бессильно? Именно такую задачу ставит перед собой генная терапия.

Суть генной терапии на словах проста: необходимо либо «отремонтировать» поломанный ген в клетках тех тканей и органов, где он не работает, либо доставить в тело больного полноценный ген, который мы умеем синтезировать в пробирке. Сегодня разработано несколько методов введения новых генов в клетки. Это и доставка генов с помощью обезвреженных вирусов, микроинъекции генетического материала в ядро клетки, обстреливание клеток из специальной пушки мельчайшими частицами золота, которые несут на своей поверхности здоровые гены, и др. Пока успехов в области практической генной терапии совсем немного. Однако есть яркие и остроумные находки, сделанные, в том числе, в российских лабораториях.

Одну из таких идей, предназначенную для лечения рака, можно условно назвать «троянский конь». В раковые клетки вводят один из генов вируса герпеса. До определённой поры этот «троянский конь» не обнаруживает себя. Но стоит ввести в организм больного лекарство, широко используемое для лечения герпеса (ганцикловир), как ген начинает работать. В результате в клетках образуется чрезвычайно токсичное вещество, разрушающее опухоль изнутри. Ещё один вариант генной терапии рака – доставка в раковые клетки генов, которые спровоцируют синтез так называемых «суицидных» белков, приводящих к «самоубийству» раковых клеток.

Технологию доставки генов в раковые клетки разрабатывает большой коллектив ученых из Института биоорганической химии им. М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН, Российского онкологического научного центра РАМН, Института молекулярной генетики РАН, Института биологии гена РАН. Руководит работой академик Евгений Свердлов. Основной упор в проекте сделан на создание препаратов против рака легких (первое место по смертности) и рака пищевода (седьмое место). Однако создаваемые методики и конструкции пригодятся для борьбы с любым вида рака, которых более сотни. После необходимых клинических испытаний, если они будут успешны, препараты войдут в практику в 2012 году.

Диагностика рака

Большое количество научных коллективов в России и в мире работают над проблемой рака. Это и понятно: ежегодно рак собирает чуть меньшую смертельную жатву, чем сердечно-сосудистые заболевания. Задача ученых – создать технологии, позволяющие обнаруживать рак на самых ранних стадиях, и прицельно, без побочных эффектов для организма, уничтожать раковые клетки. Ранняя и быстрая диагностика, когда анализ занимает всего несколько часов, чрезвычайно важна и для традиционной терапии рака. Врачи знают, что болезнь легче уничтожать в зародыше. Поэтому в диагностических технологиях, отвечающих этим требованиям, нуждаются клиники всего мира. И здесь на помощь исследователям приходят биотехнологии.

Новый подход к ранней и быстрой диагностике рака впервые в мире предложил Александр Четверин из Института белка РАН. Суть метода – выявить в крови те молекулы мРНК, которые снимают информацию с соответствующих участков генома и несут команду на синтез раковых белков. Если такие молекулы присутствуют в образце крови пациента, то можно ставить диагноз: рак есть. Однако проблема в том, что именно этих молекул в образце крови очень мало, а других – много. Как найти и разглядеть те единичные экземпляры, которые нам нужны? Эту задачу решил коллектив ученых под руководством А.Четверина.

Исследователи научились размножать искомые, но невидимые молекулы-маркеры раковых клеток с помощью так называемой полимеразной цепной реакции (ПЦР).

В результате из одной невидимой молекулы вырастают целые молекулярные колонии, которые уже можно разглядеть в микроскоп. Если в образце крови пациента (скажем, в одном миллилитре) содержится хотя бы одна раковая клетка и одна молекула-маркер, то зарождающуюся болезнь удастся выявить.

Анализ удается сделать всего за несколько часов, а стоит он несколько тысяч рублей. Но если использовать его в массовом порядке, например, при ежегодном профилактическом медосмотре, то цена может снизиться до 300–500 рублей.

Лечение рака

В области лечения рака тоже есть несколько новых подходов, опирающихся на биотехнологии. Один из них – использование специфических антител в качестве противораковых средств.

Антитела – это белковые молекулы, вырабатываемые клетками иммунной системы. По сути, это химическое оружие, которое использует наш организм в борьбе со всякого рода вирусами, а также с переродившимися клетками собственного организма – раковыми. Если сама иммунная система не справляется с раком, то ей можно помочь.

Учёные из лаборатории молекулярной иммунологии (Институт биоорганической химии РАН) под руководством член-корреспондента РАН Сергея Деева конструируют новое поколение антител, которые распознают мишень и уничтожают ее. В основу этого подхода положен принцип так называемой «магической пули», которая всегда и безошибочно находит свою жертву. Антитела как нельзя лучше годятся на эту роль. Одна часть их молекулы служит «антенной», наводящей на цель – поверхность раковой клетки. А к хвосту антитела можно цеплять различные поражающие агенты – токсины, органические молекулы, радиоактивные изотопы. Они обладают различным действием, но все в итоге убивают опухоль.

Раковые клетки можно уничтожить и почти естественным путем. Достаточно запустить механизм запрограммированной гибели клеток, своего рода самоубийства, предусмотренный природой. Ученые называют его апоптозом. Механизм самоубийства запускают внутриклеточные ферменты, разрушающие белки внутри клетки и саму ДНК. К сожалению, раковые клетки поразительно живучи, потому что умеют подавлять свои суицидальные «настроения». Проблема в том, что этих ферментов в раковых клетках очень мало, поэтому и запустить апоптоз трудно.

Однако решаема и эта проблема. Для запуска механизма самоубийства сибирские ученые предлагают вскрыть мембраны клеточных структур, например, митохондрий. Тогда клетка неизбежно погибнет. В этом большом проекте принимают участие Институт биоорганической химии Сибирского отделения РАН, ГНЦ «Вектор» (пос. Кольцово), Муниципальная легочная хирургическая больница (Новосибирск), НПФ «Медицинские технологии» (Курган), НИИ клинической и экспериментальной иммунологии РАМН (Новосибирск). Совместными усилиями исследователи подобрали вещества, умеющие вскрывать мембраны клеточных структур, и разработали способ доставки этих веществ в раковую клетку.

Вакцины

Использовать наши знания об иммунной системе животных можно не только для лечения рака, но и любых инфекционных заболеваний. Иммунитет против большинства заболеваний мы получаем «по наследству», против других мы приобретаем иммунитет, перенеся болезнь, вызванную новой инфекцией. Но иммунитет можно и тренировать – например, с помощью вакцинации.

Эффективность вакцинации впервые была продемонстрирована более 200 лет назад врачом Эдвардом Дженнером, доказавшим, что человек, переболевший коровьей оспой, становится невосприимчивым к оспе натуральной. С тех пор многие болезни взяты под контроль врачей. Со времен Пастера для вакцин используют ослабленные или убитые вирусы. Но это накладывает ограничения: нет гарантий, что в вакцине полностью отсутствуют активные вирусные частицы, работа со многими из них требует большой осторожности, срок годности вакцины зависит от условий хранения.

Эти трудности можно обойти, используя методы генной инженерии. С помощью них можно нарабатывать отдельные компоненты бактерий и вирусов, а затем вводить их пациентам – защитный эффект будет не хуже, чем при использовании обычных вакцин. Первыми, полученными с помощью генной инженерии, были вакцины для животных – против ящура, бешенства, дизентерии и других болезней животных. Первой генноинженерной вакциной для человека стала вакцина против гепатита В.

Сегодня для большинства инфекций мы можем сделать вакцины – классические или генноинженерные. Главная же проблема связана с чумой ХХ века – СПИДом. Вакцинация ему только на руку. Ведь она подстегивает иммунитет, заставляет организм производить больше иммунных клеток. А вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), вызывающий СПИД, как раз в этих клетках живет и размножается. Иными словами, мы предоставляем ему еще больше возможностей – новые, здоровые клетки иммунной системы для заражения.

Исследования по поиску вакцин против СПИДа имеют долгую историю и основываются на открытии, сделанном еще в 70-е годы прошлого века будущими академиками Р.В.Петровым, В.А.Кабановым и Р.М.Хаитовым. Суть его заключается в том, что полиэлектролиты (заряженные полимерные молекулы, растворимые в воде) взаимодействуют с клетками иммунной системы и побуждают последние интенсивно вырабатывать антитела. А если к молекуле полиэлектролита прицепить, например, один из белков, составляющих оболочку вируса, то будет включен иммунный ответ против этого вируса. Такая вакцина по механизму действия принципиально отличается от всех вакцин, которые ранее создавали в мире.

Первым в мире и пока единственным полиэлектролитом, который разрешено вводить в организм человека, стал полиоксидоний. Затем к полимеру «пришили» белки вируса гриппа. Получилась вакцина “Гриппол”, которой на протяжении уже почти 10 лет предохраняются от вирусной инфекции миллионы людей в России.

По этой же методике сегодня создается и вакцина против СПИДа. Белок, характерный для вируса СПИДа, связали с полиэлектролитом. Получившуюся вакцину успешно проверили на мышах и кроликах. По результатам доклинических испытаний Институту иммунологии РАН выдано разрешение на проведение клинических испытаний с участием добровольцев. Если все стадии проверки препарата пройдут успешно, его можно будет использовать не только для профилактики ВИЧ-инфекцией, но и для лечения СПИДа.

Лекарства, подаренные биотехнологиями

Лекарства по-прежнему остаются главным инструментом медицинской практики. Однако возможности химической промышленности, производящей львиную долю медицинских препаратов, ограничены. Химический синтез многих веществ сложен, а зачастую и невозможен, как, например, синтез подавляющего большинства белков. И здесь на помощь приходят биотехнологии.

Производство лекарств с использованием микроорганизмов имеет давнюю историю. Первый антибиотик – пенициллин – выделили из плесени в 1928 году, а его промышленное производство началось в 1940 году. Вслед за пенициллином были открыты и другие антибиотики и налажено их массовое производство.

Долгое время многие лекарственные препараты на основе белков человека удавалось получать только в небольших количествах, их производство обходилось очень дорого. Генная инженерия дала надежду на то, что спектр белковых препаратов и их количество резко возрастет. И эти ожидания оправдались. Несколько десятков препаратов, полученных биотехнологическим путём, уже вошли в медицинскую практику. По подсчётам специалистов, ежегодный объём мирового рынка лекарственных средств на основе белков, созданных генноинженерным путём, увеличивается на 15% и к 2010 году составит 18 млрд. долларов.

Наиболее яркий пример работ наших биотехнологов в этой области –генноинженерный инсулин человека, который производят в Институте биоорганической химии им. М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН. Инсулин, то есть гормон белковой структуры, регулирует разложение сахара в нашем организме. Его можно извлечь из животных. Прежде так и поступали. Но даже инсулин из поджелудочной железы свиней – биохимически наиболее близких нам животных – все же немного отличается от человеческого.

Активность его в организме человека ниже, чем активность человеческого инсулина. Кроме того, наша иммунная система не терпит чужеродных белков и всеми силами отторгает их. Поэтому введённый свиной инсулин может исчезнуть прежде, чем успеет оказать лечебное действие. Проблему решила генно-инженерная технология, по которой сегодня производят человеческий инсулин, в том числе и в России.

Кроме генноинженерного инсулина человека в Институте биоорганической химии им. М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН ИБХ РАН совместно с Гематологическим научным центром РАМН создали технологию производства белков для борьбы с массивными кровопотерями. Человеческий сывороточный альбумин и фактор свертывания крови – отличные средства «скорой помощи» и реанимации, востребованные медициной катастроф.

Генетически модифицированные растения

Наши знания в области генетики, пополняющиеся день ото дня, позволили нам создавать не только генетические тесты для диагностики болезней и светящиеся белки, вакцины и лекарства, но и новые организмы. Сегодня вряд ли найдется человек, который не слышал о генетически модифицированных, или трансгенных, организмах (ГМО). Это растения или животные, в состав ДНК которых введены извне гены, придающие этим организмам новые, полезные, с точки зрения человека, свойства.

Армия ГМО велика. В ее рядах – и полезные микробы, которые работают на биотехнологических фабриках и производят для нас множество полезных веществ, и сельскохозяйственные культуры с улучшенными свойствами, и млекопитающие, дающие больше мяса, больше молока.

Одно из самых массовых подразделений ГМО – это, конечно, растения. Ведь испокон веков они служат пищей человеку, кормом животным. Из растений мы получаем волокна для строительства, вещества для лекарств и парфюмерии, сырье для химической промышленности и энергетики, огонь и тепло.

Мы по-прежнему улучшаем качества растений и выводим новые сорта с помощью селекции. Но этот кропотливый и трудоемкий процесс требует много времени. Генная инженерия, позволившая нам вставлять в геном растений полезные гены, подняла селекцию на принципиально новый уровень.

Самым первым трансгенным растением, созданным четверть века назад, стал табак, а нынче в мире в промышленном масштабе используют 160 трансгенных культур. Среди них кукуруза и соя, рис и рапс, хлопок и лен, томаты и тыква, табак и свекла, картофель и гвоздика и другие.

В Центре «Биоинженерия» РАН, которым руководит академик К.Г.Скрябин. совместно с белорусскими коллегами создали первую отечественную генетически модифицированную культуру – сорт картофеля «Елизавета», устойчивого к колорадскому жуку.

Первые генетически модифицированные культуры, полученные в начале 1980-х годов, были устойчивы к гербицидам и насекомым. Сегодня же с помощью генной инженерии мы получаем сорта, содержащие больше питательных веществ, устойчивые к бактериям и вирусам, к засухе и холоду. В 1994 году впервые был создан сорт томатов, не подверженных гниению. Этот сорт появился на рынках генетически модифицированных продуктов уже через два года. Широкую известность получил еще один трансгенный продукт – «Золотой рис» (Golden rice). В нем, в отличие от обычного риса, образуется бета-каротин – предшественник витамина А, абсолютно необходимый для роста организма. Золотой рис отчасти решает проблему полноценного питания жителей тех стран, где рис по-прежнему остается основным блюдом в рационе. А это, как минимум, два миллиарда человек.

Питательность и урожайность – не единственные цели, которые преследуют генные инженеры. Можно создать такие сорта растений, которые будут содержать в своих листьях и плодах вакцины и лекарства. Это очень ценно и удобно: вакцины из трансгенных растений не могут быть загрязнены опасными вирусами животных, а сами растения легко выращивать в большом количестве. И, наконец, на основе растений можно создать «съедобные» вакцины, когда для вакцинации достаточно съесть некоторое количество какого-либо трансгенного фрукта или овоща, например, картофеля или банана. Например – морковку, содержащую вещества, которые участвуют в формировании иммунного ответа организма. Такие растения совместно создают учёные двух ведущих биологических институтов Сибири: Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН и Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН.

Нельзя не сказать, что общество настороженно относится к генетически модифицированным растениям (ГМР). Да и в самом научном сообществе продолжается дискуссия о возможной потенциальной опасности ГМР. Поэтому во всем мире идут исследования, позволяющие оценить риски, связанные с применением ГМР – пищевые, агротехнические, экологические. Пока Всемирная организация здравоохранения констатирует следующее: «Опыт, накопленный за 10 лет коммерческого использования ГМ-культур, анализ результатов специальных исследований показывают: до настоящего времени в мире не существует ни одного доказанного случая токсичности или неблагоприятного влияния зарегистрированных ГМ-культур как источников пищи или кормов».

С 1996 года, когда началось коммерческое возделывание ГМР, до 2007 года общая площадь, засеиваемая трансгенными растениями, возросла с 1,7 млн. до 114 млн. га, что составляет около 9% всех пахотных площадей в мире. Причем 99% этой площади занимают пять культур: соя, хлопок, рис, кукуруза и рапс. В общем объеме их производства генетически модифицированные сорта составляют свыше 25%. Абсолютным лидером в области использования ГМР являются США, в которых уже в 2002 году 75% хлопка и сои были трансгенными. В Аргентине доля трансгенной сои составляла 99%, в Канаде так производилось 65% рапса, а в Китае – 51% хлопка. Возделыванием ГМР в 2007 году были заняты 12 миллионов фермеров, из которых 90% проживает в развивающихся странах. В России промышленное возделывание ГМР запрещено законом.

Генетически модифицированные животные

Аналогичную стратегию используют генные инженеры и для выведения новых пород животных. В этом случае ген, ответственный за проявление какого-либо ценного признака, вводят в оплодотворённую яйцеклетку, из которой далее развивается новый организм. Скажем, если набор генов животного дополнить геном гормона, стимулирующего рост, то такие животные будут расти быстрее при меньшем количестве потребляемой пищи. На выходе – больше дешевого мяса.

Животное может быть источником не только мяса и молока, но лекарственных веществ, содержащихся в этом молоке. Например, ценнейших человеческих белков. О некоторых из них мы уже рассказывали. Теперь этот список может дополнить лактоферрин – белок, защищающий новорождённых детей от опасных микроорганизмов до тех пор, пока не заработает их собственный иммунитет.

Организм женщины вырабатывает это вещество с первыми порциями грудного молока. К сожалению, молоко есть не у всех матерей, поэтому человеческий лактоферрин необходимо добавлять в смеси для искусственного вскармливания, чтобы сохранить здоровье новорождённых. Если защитного белка в питании достаточно, то смертность грудничков-искусственников от различных желудочно-кишечных инфекций может быть снижена в десять раз. Этот белок востребован не только в индустрии детского питания, но и, например, в косметической промышленности.

Технологию производства козьего молока с человеческим лактоферрином разрабатывают в Институте биологии гена РАН и Научно-практическом центре Национальной академии наук Белоруссии по животноводству. В этом году на свет появились два первых трансгенных козленка. На создание каждого из них было потрачено за несколько лет исследований по 25 миллионов рублей. Остается подождать, когда они подрастут, размножатся и начнут давать молоко с ценным человеческим белком.

Клеточная инженерия

Есть еще одна заманчивая область биотехнологий – клеточные технологии. В организме человека живут и работают фантастические по своим способностям клетки – стволовые. Они приходят на смену умершим клеткам (скажем, эритроцит, красная кровяная клетка крови, живет всего 100 дней), они залечивают наши переломы и раны, восстанавливают поврежденные ткани.

Существование стволовых клеток предсказал русский гематолог из Санкт-Петербурга Александр Максимов еще в 1909 году. Спустя несколько десятков лет его теоретическое предположение было подтверждено экспериментально: стволовые клетки обнаружили и выделили. Но настоящий бум начался в конце ХХ века, когда прогресс в области экспериментальных технологий позволил разглядеть потенциал этих клеток.

Пока успехи в медицине, связанные с применением стволовых клеток, более чем скромные. Мы умеем эти клетки выделять, хранить, размножать, экспериментировать с ними. Но пока еще до конца не понимаем механизм их волшебных трансформаций, когда безликая стволовая клетка превращается в клетку крови или мышечной ткани. Мы еще не познали до конца химический язык, на котором стволовая клетка получает приказ к трансформации. Это незнание порождает риски от применения стволовых клеток и сдерживает их активное внедрение в медицинскую практику. Тем не менее, успехи есть – в области лечения незаживающих переломов у пожилых людей, а также при восстановительном лечении после инфарктов и операций на сердце.

В России разработан метод лечения ожога сетчатки путем с помощью стволовых клеток мозга человека. Если эти клетки внести в глаз, то они будут активно перемещаться в область ожога, располагаться в наружных и внутренних слоях поврежденной сетчатки и стимулировать заживление ожога. Метод разработала исследовательская группа учёных из Московского НИИ глазных болезней им. Г.Гельмгольца МЗ РФ, Института биологии развития им. Н.К.Кольцова РАН, Института биологии гена РАН и Научного центра акушерства, гинекологии и перинатологии РАМН.

Пока мы находимся на этапе накопления знаний о стволовых клетках. Усилия учёных сосредоточены на исследованиях, на создании инфраструктуры, в частности – банков стволовых клеток, первым из которых в России стал «Гемабанк». Выращивание органов, лечение рассеянного склероза и нейродегенеративных заболеваний – это будущее, хотя и не столь отдаленное.

Биоинформатика

Количество знаний, информации нарастает как снежный ком. Познавая принципы функционирования живых систем, мы осознаем невероятную сложность устройства живой материи, в которой самые разные биохимические реакции причудливо переплетены друг с другом, и образуют запутанные сети. Расплести эту «паутину» жизни возможно, лишь используя современные математические методы для моделирования процессов в живых системах.

Вот почему на стыке биологии и математики зародилось новое направление – биоинформатика, без которой работа биотехнологов уже немыслима. Большая часть биоинформационных методов, конечно же, работает на медицину, а именно – на поиск новых лекарственных соединений. Их можно искать, исходя из знания структуры молекулы, которая ответственна за развитие той или иной болезни. Если такую молекулу заблокировать каким-либо веществом, подобранным с высокой точностью, то течение болезни можно остановить. Биоинформатика позволяет обнаружить блокирующую молекулу, пригодную для клинического применения. Если мы знаем мишень, скажем, структуру «болезнетворного» белка, то с помощью компьютерных программ можем смоделировать химическую структуру лекарства. Такой подход позволяет значительно сэкономить время и ресурсы, которые уходят на перебор и тестирование десятков тысяч химических соединений.

В числе лидеров создания лекарств с помощью биоинформатики в России – компания «Химрар». В поисках потенциальных противораковых препаратов она занимается, в частности, скринингом многих тысяч химических соединений. В число самых сильных российских научных центров, занимающихся биоинформатикой, также входит Институт цитологии и генетики Сибирского отделения РАН. Начиная с 60-х годов ХХ века в Новосибирском академгородке складывалась уникальная научная школа, объединившая биологов и математиков. Основное направление работ новосибирских биоинформатиков – анализ взаимодействия белков внутри клеток и поиск потенциальных молекулярных мишеней для новых лекарственных средств.

Чтобы понять механизм развития той или иной болезни, важно знать, какие гены из тысяч работающих в больной клетке действительно ответственны за недуг. Эта совсем не лёгкая задача осложняется тем, что гены, как правило, работают не поодиночке, а только в совокупности с другими генами. Но как учесть вклад в конкретную болезнь других генов? И здесь биоинформатика приходит на помощь медикам. Используя математические алгоритмы, можно построить карту, на которой пересечениями путей показать взаимодействия генов. Такие карты выявляют кластеры генов, работающих в больной клетке на разных стадиях болезни. Эта информация чрезвычайно важна, например, для выбора стратегии лечения рака в зависимости от стадии болезни.

Промышленные биотехнологии

Человек использовал биотехнологии с незапамятных времен. Люди делали сыр из молока, квасили капусту на зиму, приготовляли веселящие напитки из всего, что сбраживалось. Всё это классические микробиологические процессы, в которых главная движущая сила – микроорганизм, мельчайшая живая система.

Сегодня спектр задач, решаемых биотехнологиями, невероятно расширился. Мы уже рассказали о генетической диагностике болезней, новых вакцинах и лекарствах, полученных с помощью биотехнологий, генетически модифицированных организмах. Однако жизнь подбрасывает и другие задачи. Гигантские химические производства, на которых мы получаем вещества, необходимые для конструирования комфортной среды обитания (волокна, пластики, строительные материалы и многое другое) сегодня уже не кажутся такими привлекательными, как 60 лет назад. Они пожирают много энергии и ресурсов (высокие давления, температура, катализаторы из драгоценных металлов), они загрязняют окружающую среду и занимают драгоценные земли. Могут биотехнологи здесь предложить замену?

Да, могут. Например, генетически измененные микроорганизмы, которые работают эффективными катализаторами промышленных химических процессов. Такие биокатализаторы созданы во ВНИИ генетики и селекции микроорганизмов, например, для опасной и грязной стадии получения токсичного вещества акриаламида. Из него делают полимер полиакриламид, используемый и в водоочистке, и в производстве памперсов, и для изготовления мелованной бумаги, и для многих других целей. Биокатализатор позволяет производить химическую реакцию получения мономера при комнатной температуре, без использования агрессивных реагентов и высокого давления.

До промышленного использования в России биокатализатор доведен усилиями научного коллектива ЗАО «Биоамид» (Саратов) под руководством Сергея Воронина. Этот же коллектив разработал биотехнологию получения аспарагиновой кислоты и создал импортозамещающий кардиологический препарат «Аспаркам L». Препарат уже вышел на рынок в России и Белоруссии. Российский препарат не только дешевле импортных аналогов, но и, по оценкам врачей, более эффективный. Дело в том, что «Аспаркам L» содержит только один оптический изомер кислоты, тот, который и обладает терапевтическим эффектов. А западный аналог, панангин, основан на смеси двух оптических изомеров, L и D, второй из которых попросту служит балластом. Находка коллектива «Биоамида» в том и заключается, что они сумели разделить эти два трудно отделимых изомера и поставить процесс на промышленную основу.

Возможно, что в будущем гигантские химические комбинаты вообще исчезнут, а вместо них останутся маленькие безопасные цеха, не вредящие окружающей среде, где будут трудиться микроорганизмы, производя все необходимые полупродукты для разных отраслей промышленности. К тому же маленькие зеленые фабрики, будь то микроорганизмы или растения, позволяют получать нам полезные вещества, которые в химическом реакторе не сделаешь. Например, белок паутинного шелка. Каркасные нити ловчих сетей, которые плетет паук для своих жертв, в несколько раз прочнее стали на разрыв. Казалось бы, посади пауков в цеха и тяни из них белковые нити. Но пауки в одной банке не живут – съедят друг друга.

Красивое решение нашел коллектив ученых под руководством доктора биологических наук Владимира Богуша (ГосНИИ генетики и селекции микроорганизмов) и доктора биологических наук Элеоноры Пирузян (Институт общей генетики РАН). Сначала из генома паука выделили гены, ответственные за синтез белка паутинного шёлка. Затем эти гены встроили в клетки дрожжей и табака. И те, и другие стали производить нужный нам белок. В результате создана основа для технологии производства уникального и почти природного конструкционного материала, легкого и чрезвычайно прочного, из которого можно делать, канаты, бронежилеты и многое другое.

Есть и другие проблемы. Например, гигантское количество отходов. Биотехнологии позволяют нам превращать отходы в доходы. Побочные продукты деятельности сельского хозяйства, лесной и пищевой промышленности можно превращать в метан, биогаз, пригодный для отопления и получения энергии. А можно – в метанол и этанол, основные компоненты биотоплива.

Промышленными приложениями биотехнологий активно занимаются на Химическом факультете МГУ им. М.В.Ломоносова. В его составе работают несколько лабораторий, занятые самыми разными проектами – от создания промышленных биосенсоров до получения ферментов для тонкого органического синтеза, от технологий утилизации промышленных отходов до разработки методов получения биотоплива.

Наука, бизнес, государство

Достигнутые успехи – это результат объединенных усилий биологов, химиков, медиков и других специалистов, работающих в пространстве живых систем. Взаимосвязь разных дисциплин оказалась плодотворной. Конечно, биотехнологии – не панацея для решения глобальных проблем, а инструмент, обещающий большие перспективы при правильном его использовании.

Сегодня общий объём биотехнологического рынка в мире составляет 8 трлн. долларов. Биотехнологии лидируют также по объемам финансирования научно-исследовательских разработок: только в США государственные структуры и частные компании расходуют ежегодно на эти цели более 30 миллиардов долларов.

Инвестиции в науку и технику в конечном счёте принесут экономические плоды. Но биотехнологии не смогут сами по себе решить сложные медицинские или продовольственные проблемы. Должна быть создана благоприятная инфраструктура здравоохранения и структура промышленности, гарантирующая доступ к новым диагностическим методикам, вакцинам и лекарствам, растениям с улучшенными свойствами. Здесь также чрезвычайно важна эффективная система коммуникации между наукой и бизнесом. Наконец, абсолютно необходимое условие построения эффективного инновационного сектора экономики – взаимодействие научных и коммерческих структур с государством.

Справка STRF.ru
В 2008 году на формирование тематики по направлению «Живые системы» поданы 939 заявки (для сравнения: всего по программе – 3180),
– на конкурс подано 396 заявок (всего 1597),
– проведено 179 конкурсов (всего 731)
– участие в конкурсах приняли организации 23 ведомств (всего 36), из них победили 17
– заключены 179 контрактов (всего731)
– продолжаются до настоящего времени 120 контрактов (всего 630)
– заявки на формирование тематики по живым системам прислали 346 организации (всего 842)
– в качестве головных заявки на конкурс прислали 254 организации (всего 806)
– в качестве соисполнителей заявки на конкурс прислали 190 организации (всего 636)
– средний конкурс по лотам направления 2,212 (в среднем по программе – 2,185)
– бюджет контрактов на 2008 год составил 1041,2 млн. руб. (21,74% от бюджета всей программы)

Динамика роста и распределения финансирования по направлению живые системы в рамках Федеральной целевой научно-технической программы 2002–2006 годов и Федеральной целевой программы 2007–2012 годов:
2005 год – 303 контракта, 1168,7 млн.руб. (100%)
2006 год – 289 контрактов, 1227,0 млн.руб. (105%)
2007 год – 284 контракта, 2657,9 млн.руб. (227%)
2008 год – 299 контрактов, 3242,6 млн.руб. (277%)

Коллектив авторов, STRF.ru

Портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru
18.02.2009