Физиците са наясно с квантовите ефекти от повече от сто години, като например способността на квантите да изчезват на едно място и да се появяват на друго или да се намират на две места едновременно. Удивителните свойства на квантовата механика обаче са приложими не само във физиката, но и в биологията.

Най-добрият пример за квантовата биология е фотосинтезата: растенията и някои бактерии използват енергията на слънчевата светлина, за да изградят нужните им молекули. Оказва се, че фотосинтезата всъщност разчита на удивително явление - малките маси енергия "научават" всички възможни начини да се прилагат, а след това "избират" най-ефективния. Може би навигацията по птиците, ДНК мутациите и дори обонянието ни разчитат на квантовите ефекти по един или друг начин. Въпреки че тази област на науката все още е много спекулативна и противоречива, учените вярват, че веднъж извлечени от квантовата биология, идеите могат да доведат до създаването на нови лекарства и биомиметични системи (биомиметрията е друга нова научна област, където биологичните системи и структури се използват за създаване на нови материали и устройства).

3. Екзометеорология

Юпитер

Заедно с екзо-океанографите и екзогеолозите, екзометеоролозите се интересуват от изучаване естествени процесисрещащи се на други планети. Сега, когато мощните телескопи направиха възможно изследването на вътрешните процеси на близките планети и луни, екзометеоролозите могат да наблюдават техните атмосферни и метеорологични условия. и Сатурн, с невероятните си размери, са основни кандидати за изследване, както и Марс, с неговите редовни прашни бури.

Екзометеоролозите дори изучават планети извън нашата. слънчева система. И интересно е, че те в крайна сметка могат да открият признаци на извънземен живот на екзопланети, като открият органични следи в атмосферата или повишени нива въглероден двуокис- знак на индустриалната цивилизация.

4. Нутригеномика

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

Храната наистина има огромно влияние върху здравето - и всичко започва на молекулярно ниво, буквално. Нутригеномиката работи и в двете посоки: изучава как геномът ни влияе върху предпочитанията към храната и обратно. Основната цел на дисциплината е да създаде персонализирано хранене – това е необходимо, за да гарантираме, че храната ни е идеално пригодена за нашия уникален набор от гени.

5. Клиодинамика

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

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

6. Синтетична биология

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

Крейг Вентър, един от водещите експерти в тази област, заяви през 2008 г., че е пресъздал целия геном на бактерия чрез слепване на нейните химически компоненти. Две години по-късно неговият екип създава "синтетичен живот" - ДНК молекули, създадени с помощта цифров код, а след това 3D отпечатан и вграден в жива бактерия.

В бъдеще биолозите възнамеряват да анализират различни видове геном, за да създадат полезни организми за въвеждане в тялото и биороботи, които могат да произвеждат химични вещества- биогориво - от нулата. Съществува и идеята за създаване на изкуствени бактерии или ваксини за борба със замърсяването за лечение на сериозни заболявания. Потенциалът на тази научна дисциплина е просто огромен.

7. Рекомбинантни меметици

Тази област на науката тепърва се заражда, но вече е ясно, че е само въпрос на време - рано или късно учените ще получат по-добро разбиране за цялата човешка ноосфера (съвкупността от цялата информация, известна на хората) и как разпространението на информация засяга почти всички аспекти на човешкия живот.

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

8. Компютърна социология

Подобно на клиодинамиката, изчислителната социология се занимава с изучаване на социални явления и тенденции. Централно място в тази дисциплина е използването на компютри и свързаните с тях технологии за обработка на информация. Разбира се, тази дисциплина се развива едва с появата на компютрите и повсеместното разпространение на Интернет.

Особено внимание в тази дисциплина се отделя на огромните потоци от информация от нашето ежедневие, например писма до електронна поща, телефонни обаждания, публикации в социалните медии, покупки с кредитни карти, заявки в търсачките и т.н. Примери за работа могат да бъдат изучаването на структурата на социалните мрежи и как информацията се разпространява чрез тях или как възникват интимни отношения в Интернет.

9. Когнитивна икономика

Като правило икономиката не се свързва с традиционните научни дисциплини, но това може да се промени поради тясното взаимодействие на всички научни клонове. Тази дисциплина често се бърка с поведенческата икономика (изучаването на нашето поведение в контекста на икономическите решения). Когнитивната икономика е науката за това как мислим. Лий Колдуел, блогър за дисциплината, пише за това:

„Когнитивната (или финансовата) икономика… обръща внимание на това, което всъщност се случва в ума на човек, когато прави избор. Какво е вътрешна структурарешаване какво му влияе, каква информация възприема умът в този момент и как се обработва, какви са вътрешните форми на предпочитание към даден човек и в крайна сметка как всички тези процеси се отразяват в поведението?

С други думи, учените започват изследванията си на по-ниско, опростено ниво и формират микромодели на принципите на решения, за да разработят модел на широкомащабно икономическо поведение. Често това научна дисциплинавзаимодейства със сродни области, като например изчислителна икономика или когнитивна наука.

10. Пластмасова електроника

Обикновено електрониката се свързва с инертни и неорганични проводници и полупроводници като мед и силиций. Но новият клон на електрониката използва проводими полимери и проводими малки молекули на базата на въглерод. Органичната електроника включва разработването, синтеза и обработката на функционални органични и неорганични материали, заедно с разработването на модерни микро- и нанотехнологии.

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

11 Изчислителна биология

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

„С развитието на биологичните инструменти и лесния достъп до изчислителна мощност, биологията като такава трябва да работи с нарастващо количество данни, а скоростта на придобитите знания само нараства. Следователно, осмислянето на данните сега изисква изчислителен подход. В същото време, от гледна точка на физици и математици, биологията е нараснала до ниво, при което теоретичните модели на биологични механизми могат да бъдат тествани експериментално. Това доведе до развитието на изчислителната биология."

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

Как работи мозъчната поща – предаването на съобщения от мозък на мозък през интернет

10 мистерии на света, които науката най-накрая разкри

Топ 10 въпроса за Вселената, на които учените търсят отговори в момента

8 неща, които науката не може да обясни

2500-годишна научна тайна: защо се прозяваме

3 най-глупави аргумента, че противниците на Теорията на еволюцията оправдават невежеството си

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

Науките не възникват от само себе си, не защото някой ги измисля просто „от интерес“. Всяка наука се появява в резултат на необходимостта човечеството да решава определени проблеми, възникнали в процеса на неговото развитие. Биологията не е изключение, тя също възникна във връзка с решаването на проблеми, които са много важни за хората. Едно от тях винаги е било по-задълбочено разбиране на процесите в дивата природа, свързани с получаването на хранителни продукти, тоест познаване на характеристиките на растителния и животинския свят, техните промени под влияние на човека, начини за получаване на надеждна и все по-богата реколта. Решението на този проблем е една от основните причини за развитието на биологията.

Друга, не по-малко важна „пролет” е изучаването на биологичните характеристики на човек. Човекът е продукт на развитието на живата природа. Всички процеси на нашата жизнена дейност са подобни на тези, които протичат в природата. И затова само дълбоко разбиранебиологичните процеси служат като научна основа на медицината. Възникването на съзнанието, което означава гигантска стъпка напред в самопознанието на материята, също не може да бъде разбрано без задълбочени изследвания на живата природа в поне две посоки – възникването и развитието на мозъка като орган на мисленето (досега загадката на мисленето остава неразрешена) и появата на социалност, социален образ на живота.

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

През XX век. Населението на Земята се е увеличило толкова много, че развитието на човешкото общество се е превърнало в определящ фактор за развитието на земната биосфера. Досега стана ясно, че природатане само източник на храна и много необходими продукти и материали, но и необходимо условие за съществуването на самото човечество. Връзките ни с него се оказаха много по-тесни и по-жизнени, отколкото се смяташе в началото на 20 век.

Например въздухът изглеждаше същият неизчерпаем и постоянен ресурс на природата като, да речем, слънчева светлина. Всъщност не е така. Качественият състав на атмосферата, с който сме свикнали, с нейните 20,95% кислород и 0,03% въглероден диоксид, е производно на дейността на живите същества: дишане и фотосинтеза на растенията, окисляване на мъртви органични вещества. Кислородът във въздуха възниква само в резултат на жизнената дейност на растенията. Основните кислородни фабрики на Земята са тропическите гори и океанските водорасли. Но дори и днес, както показват наблюденията, количеството въглероден диоксид в земната атмосфера непрекъснато се увеличава в резултат на отделянето на огромно количество въглерод по време на изгарянето на нефт, газ, въглища, дърва и други антропогенни процеси. От 1958 до 1980 г. количеството въглероден диоксид в земната атмосфера се е увеличило с 4%. До края на века съдържанието му може да се увеличи с повече от 10%. През 70-те години. 20-ти век количеството кислород, постъпващ в атмосферата в резултат на жизнената дейност на растенията, се оценява в t/година, а годишното потребление от човечеството - в t/година. Това означава, че вече живеем за сметка на запасите от кислород, натрупани в миналото, през милиони години еволюция на живите същества на планетата.

Водата, която пием, или по-скоро чистотата на тази вода, нейното качество също се определя преди всичко от живата природа. Нашите пречиствателни съоръжения само завършват този огромен процес, който протича невидимо за нас в природата: водата в почвата или резервоара многократно преминава през телата на безброй безгръбначни, филтрира се от тях и, освободена от органични и неорганични примеси, става това, което познаваме то в реки, езера и извори.

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

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

За съжаление, това не е толкова лесно да се направи. В резултат на човешко изследване на цялата повърхност на планетата, развитието селско стопанство, индустрия, обезлесяване, замърсяване на континенти и океани, все по-голям брой видове растения, гъби, животни изчезват от лицето на Земята. Изчезнал вид не може да бъде възстановен. Той е продукт на милиони години еволюция и има уникален генофонд – само присъщият му код от наследствена информация, който определя уникалността на свойствата на всеки вид. Според някои оценки в началото на 80-те години. В света се унищожава средно по един животински вид дневно, като до 2000 г. този процент може да нарасне до един вид на час. У нас един вид гръбначни животни изчезва средно за 3,5 години. Как да променим тази тенденция и да се върнем към еволюционно оправдания път на постоянно нарастване на общата „сума на живота“, а не на нейното намаляване? Този проблем засяга цялото човечество, но е невъзможно да се разреши без работата на биолози.

Образно казано, съвременната биология е огромна, многоетажна сграда, съдържаща хиляди „стаи“ – направления, дисциплини, цели самостоятелни науки. Един списък от тях може да отнеме десетки страници.

В сградата на биологията се разграничават сякаш четири основни „етажа“, съответстващи на основните нива на организация на живата материя. Първият "етаж" е молекулярно-генетичен. Обект на изследване на живите тук са единиците на наследствената информация (гените), техните изменения - мутации и процесът на предаване на наследствена информация. Вторият "етаж" е онтогенетичен, или нивото на индивидуално развитие. Събитията на този „етаж” все още са най-малко проучени в биологията. Тук протича мистериозен процес, който определя появата в правилно място, в точното времекакво трябва да се появи в хода на нормалното развитие на всеки индивид - крак или око на животно, лист или кора на растение. Следващият "етаж" е нивото на популацията-вид. Елементарните единици на това ниво са популации, тоест сравнително малки, дълготрайни групи от индивиди от един и същи вид, в рамките на които се осъществява обменът на наследствена информация. Елементарните явления тук са необратими промени в генотипния състав на популациите и в крайна сметка появата на различни адаптации и нови видове. На последния, четвърти "етаж" се извършват процеси в екологични системиразличен мащаб - сложни съобщества от много видове, до биосферни процеси като цяло. Елементарните структури на тези съобщества са биогеоценози, а елементарните явления са преход на биогеоценоза от едно състояние динамичен балансв друг, което в крайна сметка води до промяна в цялата биосфера като цяло. Всяко ниво има свои собствени модели, но събитията, които се случват на всяко от тях, са тясно свързани със събитията на други нива.

През последните десетилетия молекулярната биология се придвижи донякъде напред (по отношение на броя на учените, заети в тази област, по отношение на средствата, отпуснати в различни държави за развитието на тази конкретна линия на изследване). Получени са забележителни резултати, вариращи от чисто теоретични (декодиране на генетичния код и синтез на първите изкуствени гени) до практически такива (например развитието на генното инженерство). Популационната биология сега започва да се развива бързо, което ще ни позволи успешно да решаваме много проблеми. съвременни проблемисвързани с увеличаване на производството на хранителни продукти, необходими за числено растящото човечество, опазването на бързо изчезващи видове живи организми, редица проблеми, свързани с нелеката задача за преход към управление еволюционно развитиевсе повече и повече Повече ▼видове. Не е далеч и интензивното развитие на биосферния „под” на изследванията.

Не бива да се мисли, че биолозите в класическите области – зоология, ботаника, морфология, физиология, систематика и други – вече са направили всичко. Тук има още много работа. Знаете ли, че по-малко от половината от организмите, обитаващи нашата планета, са научно описани (дават се точни описания и е дадено научно име) - само около 4,5 милиона вида, а според някои изчисления не повече от една трета или дори една четвърт от тях? Дори в нашата страна, която се намира предимно в умерения климатичен пояс, който не се отличава с разнообразието от органични форми, учените откриват десетки нови видове (главно безгръбначни) всяка година.

Но не са ли очарователни изследванията на палеонтолозите, които, използвайки разпръснати останки от изкопаеми организми, пресъздават облика на отдавна изчезнали животни, реконструират природата на минали епохи и откриват пътищата за развитие на органичния свят?

И тук изследователите чакат най-интересните находки. Колко сензационно беше например откриването на най-старите предядрени вкаменелости в скали на възраст над 3 милиарда години! Това означава, че още тогава е имало живот на Земята. Не по-малко вълнуваща и пълна с открития е работата на генетици, зоолози, ботаници, биохимици, физиолози и т.н.

Все повече сме, хората на Земята, и искаме да живеем все по-добре. Следователно развитието на обществото изисква все повече суровини, разнообразни продукти. Оттук възниква нелеката задача за засилване на всичко Национална икономика, включително тези от неговите отрасли, които са свързани с биологията, преди всичко земеделие, горско и ловно стопанство, риболов. Но не само тези индустрии. У нас, например, е създадена и успешно се развива микробиологичната индустрия - огромен отрасъл от националната икономика, който осигурява храни и фуражи (за добитък и птици, отглеждана риба и др.) продукти, най-новите лекарства и медицински препарати , и дори помага за извличане на различни минерали. Започна и вече дава първите си плодове друг биологичен отрасъл на националното стопанство – биотехнологиите, базирани на използването на процеси и структури, открити от физикохимичната (молекулярна) биология, за създаване на вещества и продукти, необходими на човечеството. Развитието на най-важните области на биологичните науки, разширяването на практическата им връзка с медицината и селското стопанство се споменава в „Основните насоки за икономическо и социално развитие на СССР за 1986-1990 г. и за периода до 2000 г. , приет от XXVII конгрес на КПСС.

Интензификацията също означава строги икономии природни ресурсии тяхното запазване в интерес на развиващото се общество. Забележително свойство на живите природни ресурси е тяхната възобновяемост, способността да се възстановяват в резултат на размножаването на живите организми. Следователно с интензифицирането на използването на живите природни ресурси е възможно и необходимо да гарантираме, че те ни служат неограничено дълго време. Това може да стане чрез организиране на реално икономическо, икономично използване и поддържане на живите сили на природата. Много учени решават тези проблеми. Партията и правителството обръщат голямо внимание на всички тези въпроси. Програмата на КПСС (нова редакция) гласи: „Партията счита за необходимо да засили контрола върху използването на природните ресурси, да разшири по-широко екологичното образование на населението“.

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

Няколко думи за това как да четете тази книга. Често ще виждате думи в курсив в текста. Това означава, че има специален запис в речника за това понятие. Азбучен указател в края на книгата ще ви помогне да се ориентирате в съдържанието на речника. Не забравяйте да разгледате и списъка за препоръчително четене.

Надяваме се, че " енциклопедичен речникмлад биолог ”ще ви помогне да научите много нови и вълнуващи неща за дивата природа, да намерите отговори на вашите въпроси, да събудите и развиете интерес към прекрасната наука за живота - биологията.

11 юли 2008 г

науки за живота(науки за живота) обединяват най-разнообразните клонове на биологията, биотехнологиите и медицината. IN последните годинитова е един от приоритетите на световната наука и икономика. Изборът на науките за живота като приоритетна посока на развитие се обяснява с редица причини. Тези науки са основата за осигуряване на приоритетните нужди на човечеството.

На първо място, това е здравеопазване. За да се грижите за здравето, трябва да разберете какво се случва със здравия човек и какво се случва с патологията. Особено важни са науките за живота в контекста на увеличаване на средната продължителност на живота: необходимостта да се осигури на възрастните членове на обществото здрава и активна старост поставя нови предизвикателства пред биологията и медицината. Второ, нарастващото световно население и растящият просперитет изискват разработването на нови начини за повишаване на производителността на селското стопанство, нови сортове растения - не само по-продуктивни, но и с подобрени потребителски свойства. На трето място, нарастващата тежест, упражнявана от човечеството върху природата, изисква все по-задълбочено изследване на околната среда и приемане на мерки за намаляване на тази тежест – например чрез методи за получаване на биогорива, биоразградими пластмаси, съвременни земеделски методи, намаляване на замърсяването на околната среда и биоремедиация. – възстановяване на замърсени или разрушени биоценози.

Централната връзка, обединяваща науките за живота, е биотехнологията в най-широкия смисъл на думата.

Приоритет на живите системи

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

Създаването на развита икономика в постиндустриално общество е невъзможно без актуализиране на технологичната структура и форми научна дейностсъответстваща на изходящата икономическа система. Ето защо една от ключовите задачи на нашата държава е формирането на ефективен и конкурентоспособен сектор на науката и иновациите. Основният инструмент на държавата в областта на развитието на науката и технологиите е федералната целева програма "Изследвания и разработки в приоритетни области на развитие на научно-техническия комплекс на Русия за 2007-2012 г.". В рамките на тази програма държавата финансира работата, съответстваща на избраните научни и научно-технически държавни приоритети, един от които е „Живи системи”.

Помощ за STRF:
Работата в приоритетната област „Живи системи“ се извършва и в рамките на Федералната целева програма „Изследвания и разработки в приоритетни области на развитие на научно-техническия комплекс на Русия за 2007-2012 г.“. В рамките на това направление през 2008 г. бяха разработени следните критични технологии, по-специално:
– биомедицински и ветеринарни технологии за поддържане на живота и защита на хората и животните;
– биокаталитични, биосинтетични и биосензорни технологии;
– геномни и постгеномни технологии за създаване на лекарства;
– клетъчни технологии;
- биоинженерни технологии.

концепция науки за животадойде да замени обичайното понятие „биологични науки“ и даде общо име на всички науки за живите: зоология и генетика, ботаника и молекулярна биология, физиология и биохимия, екология и медицина. Всички, които работят в тези области, се занимават с живи системи, тоест с живи организми, било то човек или цвете, вирус или бактерия. Можем да кажем, че живите системи са всичко, което се възпроизвежда, диша, яде и се движи.

Все пак не става дума само за промяна на името. Терминът "живи системи" е по-активен, по-структуриран. Той отразява систематичен подход към тази интердисциплинарна област на науката и знанието, в която работят биолози, химици, физици и математици. Освен това терминът "Живи системи" е много технологичен. Той осигурява не само познаването и откриването на принципите на организацията на живите, но и използването на тези знания под формата на нови технологии. Този подход приканва различни специалисти да преминат заедно от научна идея към нейното практическо изпълнение и използване в интерес на хората.

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

Тази колекция ще запознае накратко читателя с концепцията за технологични платформи и биотехнологии, както и с някои от разработките на водещите руски изследователски екипи, работещи в приоритетното направление „Живи системи“.

Помощ за STRF:
Разпределение на финансирането в посока "Живи системи" в рамките на Федералната целева програма през 2008 г. по региони (милиони рубли):
FEFD - 9 договора, бюджет 116.5
Волжски федерален окръг - 17 договора, бюджет 140.1
Северозападен федерален окръг - 32 договора, бюджет 156,0
Сибирски федерален окръг - 34 договора, бюджет 237,4
НЛО - 1 договор, бюджет 50
Централен федерален окръг - 202 договора, бюджет 2507.8
SFD - 4 договора, бюджет 34,85

Знанието като технология

В разговор за развитието на фундаментални и приложни разработки в областта на живите системи все по-често се среща понятието „технология“. В съвременната постиндустриална икономика технологиите се разбират като набор от документирани знания за целенасочена дейностизползване на технически средства (например организационни технологии, потребителски технологии, социални технологии, политически технологии). Трябва да се отбележи, че в пазарната икономика технологията като вид знание е стока. Комплексът от знания, обозначен с това понятие, повдига въпроси не само за това какво правим, но и как и най-важното защо го правим.

При определяне на стратегиите за развитие на научно-техническия комплекс в национален мащаб се използва понятието „технологична платформа”. Все още няма еднозначно определение на този термин. Въпреки това вече е очевидно, че това понятие включва набор от знания, методи, материално-техническа база и квалифициран персонал, който варира в зависимост от външни поръчки за научно-технологична работа. Приоритет„Живи системи“ могат да се разглеждат като съвкупност от няколко технологични платформи.

Разкрити мистерии

От живите системи черпим технологии, които са норма за природата. Тя ги използва при раждането, развитието и смъртта на всеки жив организъм. Освен това на всяко ниво от йерархията на жива система – генетична, клетъчна, органична – действа свой собствен набор от технологични решения.

Всяка жива система започва с основната молекула на живота, ДНК, която съхранява и предава наследствена информация от поколение на поколение. ДНК може условно да се раздели на семантични участъци – гени. Те изпращат команди за синтезиране на определени протеини, които формират характеристиките на организма и осигуряват неговия живот. Учените оценяват броя на гените в човек на 20-25 хиляди. Ако има сривове в гените, наречени мутации, човек развива сериозни заболявания. Количеството "записан" текст в генома е идентично с подаването на всекидневника "Известия" от 30 години.

ДНК живее и работи в клетката. Живата клетка е самото съвършенство. Тя знае как да превърне безполезните вещества в необходими, да синтезира вътрешни лекарства за тялото, строителен материал и много други. Всяка минута милиони химична реакцияпри най-често срещаните условия, водна средабез високо налягане и температура.

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

Стъпка по стъпка ние разкриваме тайните на живите системи и въз основа на това знание създаваме биотехнология.

Биотехнология

Биотехнологията може да се определи като процеси, при които живите системи или техните компоненти се използват за производство на вещества или други живи системи. Живите същества са един вид „фабрики“ на този процес изходни материали(хранителни вещества) в голямо разнообразие от храни, необходими за поддържане на живота им. И освен това тези фабрики са способни да се възпроизвеждат, тоест да пораждат други много подобни „фабрики“.

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

Благодарение на това знание, макар и все още непълно, изследователите са се научили да манипулират отделни елементи на живите системи – гени (геномни технологии), клетки (клетъчни технологии) – и да създават генетично модифицирани живи организми с черти, които са полезни за нас (генно инженерство). Ние сме в състояние да адаптираме естествените „фабрики“ за производство на продукта, от който се нуждаем (индустриална биотехнология). И нещо повече, да модифицираме генетично тези фабрики, така че те да синтезират това, от което имаме нужда.

Така създаваме биотехнологии, за които ще стане дума по-нататък. Но преди да ви запознаем с примери за технологии, които вече са в услуга на човека, трябва да кажем няколко думи за елегантно решение, което днес помага на учените да проникнат в тайните на живота и да научат за механизмите на живите системи. В крайна сметка процесите, протичащи в клетката, не се виждат, а научните изследвания изискват технологии, които могат да се използват, за да се видят и разберат. Между другото, това решение е биотехнология само по себе си.

светещи катерици

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

Такива светещи протеини се срещат в природата, например в морските ракообразни и медузите. По време на Втората световна война японците използвали като местен източник на светлина прах от "морската светулка" - ракообразно с двучерупчеста черупка. Когато се накисна с вода, светеше ярко. Именно от тази морска светулка и медуза О. Шимомура (Япония) в края на 50-те години на ХХ век за първи път изолира светещи катерици. Това беше началото на историята на известния днес GFP – зелен флуоресцентен протеин (зелен флуоресцентен протеин). А през 2008 г. О. Шимомура, М. Челфи и Р. Циен (САЩ) получиха Нобелова награда по химия за флуоресцентни протеини. С помощта на тези протеини могат да се направят различни живи обекти да светят, от клетъчни структури до цяло животно. Флуоресцентно фенерче, което с помощта на генетични манипулации можеше да се прикрепи към желаните протеини, даде възможност да се види къде и кога се синтезира този протеин, към кои части на клетката е насочен. Това беше революция в биологията и медицината.

Но червените флуоресцентни протеини са открити за първи път в корали и други морски организми от двама руски изследователи - Михаил Матс и Сергей Лукянов. Сега имаме флуоресцентни протеини във всеки цвят на дъгата и приложенията им са много широки: от най-съвременната биология и медицина, включително онкологията, и откриването на отрови и експлозиви, до светещи аквариумни риби.

Под ръководството на член-кореспондент на Руската академия на науките С. Лукянов (Институт биоорганична химияРуската академия на науките), беше създадена руската биотехнологична компания Evrogen, която доставя на учени от цял ​​свят многоцветни флуоресцентни етикети. Днес Евроген е един от лидерите на световния пазар на флуоресцентни протеини за биологични изследвания.

Генетична идентификация

Всички сме много различни. Външен вид, характер, способности, податливост към лекарства, отхвърляне на тази или онази храна - всичко това е генетично заложено. Уникалността на генома на всеки от нас го прави надежден инструмент за установяване на идентичност. По същество нашите гени са едни и същи пръстови отпечатъци, само че от различно естество. Методът за ДНК идентификация е въведен в съдебната практика от британския изследовател Алик Джефрис през 80-те години на миналия век. Днес това вече е често срещана и позната процедура в целия свят.

Използва се и в Русия. Ние обаче купуваме реактиви за анализ в чужбина. В Института по обща генетика на Руската академия на науките под ръководството на член-кореспондент на Руската академия на науките Николай Янковски се създава набор от реагенти за идентифициране на човешка ДНК. Появата на такъв вътрешен инструмент е много навременна, тъй като законът „За регистрацията на генома“, приет от Държавната дума на Руската федерация на 19 ноември 2008 г., ще влезе в сила на 1 януари 2009 г. Развитието на нашите учени не само ще ни позволи да откажем внос, но и ще даде на криминалистите по-усъвършенстван инструмент, който за разлика от западните аналози работи със силно увредена ДНК. И това е често срещан случай в съдебномедицинската експертиза.

С помощта на този инструмент ще бъде решена и друга важна социална задача - създаването на банка с генетични данни на нарушителите на закона, благодарение на която ще се увеличи разкриваемостта на престъпленията и ще се намали времето за разследване. В Обединеното кралство генетичната база данни за хора, по един или друг начин свързани с престъпния свят, вече има няколко милиона души.

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

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

Генетична диагностика

Да се ​​направи пълен анализ на генома на един човек все още струва много пари - два милиона долара. Вярно е, че след десет години, с подобряване на технологиите, цената ще падне, според прогнозите, до хиляда долара. Но в края на краищата е възможно и да не се опишат всички гени. Често е достатъчно да се оцени работата само на определени групи гени, които са критични за появата на различни заболявания.

Генетичната диагностика изисква специални устройства, миниатюрни, бързи и точни. Тези устройства се наричат ​​биочипове. Първият в света патент за биочипове за определяне на структурата на ДНК е на Русия – екипът на акад. Андрей Мирзабеков от Института по молекулярна биология. V.A. Engelhardt RAS. Тогава, в края на 80-те години на миналия век, екипът на Мирзабеков разработва технологията на микрочипове. По-късно те бяха наречени биочипове.

Биологичните микрочипове представляват малка пластина от стъкло или пластмаса, върху чиято повърхност има много клетки. Всяка от тези ямки съдържа маркер за определен регион на генома, който трябва да бъде открит в пробата. Ако кръвната проба на пациент бъде пусната върху биочипа, тогава можем да разберем дали съдържа това, което търсим - съответното кладенче ще свети поради флуоресцентния етикет.

Разглеждайки използван биочип, изследователите могат да поставят диагноза за предразположение към определени заболявания, както и да открият опасни вируси в кръвта на пациента, например туберкулоза или хепатит С. В крайна сметка вирусът не е нищо повече от чуждо ДНК в протеинова обвивка. Благодарение на новата техника продължителността на сложните лабораторни анализи на биологични материали е намалена от няколко седмици на един ден.

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

И Институтът по молекулярна биология на Руската академия на науките започна сертифициране на биочипове, които откриват разновидности на вируса на хепатит С при пациент. Пазарният потенциал на новата технология е огромен. Всъщност с помощта на традиционните анализи във всеки трети случай не е възможно да се установи към кой сорт принадлежи откритият вирус. Сега тази задача е решена.

С помощта на ДНК диагностика е възможно не само да се идентифицират заболявания и предразположеност към тях, но и да се коригира ежедневната диета. Например дали да включите пълномаслено мляко в него или не. Факт е, че при много хора пълномасленото мляко причинява гадене, диария и общо неразположение. Това се дължи на липсата на ензим, който разгражда млечната захар – лактозата. Поради това в тялото възникват проблеми. А наличието на ензима е генетично обусловено. Според генетични изследвания между една трета и половина от възрастните у нас (в зависимост от региона) не могат да усвояват пълномаслено мляко. Въпреки това училищната диета все още изисква чаша мляко на ден за всяко дете. С помощта на ДНК диагностика, разработена в Института по обща генетика на Руската академия на науките, е лесно да се установи на кого може да се препоръча пълномаслено мляко и на кого не. Това е целта на проекта „Опазване на здравето на здравите хора“, реализиран от Руската академия на науките съвместно с администрацията на Тамбовска област.

Генна терапия

Генетичната диагностика изгражда основата за медицината на бъдещето. Но медицината не е само диагноза, тя е и лечение. Можем ли да коригираме дефектни гени в жив организъм или да ги заменим с пълни в онези тежки случаи, когато традиционното лечение е безсилно? Това е предизвикателството на генната терапия.

Същността на генната терапия е проста с думи: необходимо е или да се „поправи“ счупен ген в клетките на онези тъкани и органи, където не работи, или да се достави пълноценен ген в тялото на пациента, което ние може да се синтезира в епруветка. Днес са разработени няколко метода за въвеждане на нови гени в клетките. Това включва доставянето на гени с помощта на неутрализирани вируси, микроинжектиране на генетичен материал в клетъчното ядро, обстрелване на клетки от специален пистолет с най-малките частици злато, които носят здрави гени на повърхността си и т.н. Досега успехите са много малко в областта на практическата генна терапия. Има обаче ярки и остроумни открития, направени, включително и в руски лаборатории.

Една от тези идеи, предназначена за лечение на рак, може свободно да се нарече „троянски кон“. Един от гените на херпесния вирус се инжектира в раковите клетки. До определено време този "троянски кон" не се разкрива. Но си струва да се въведе лекарство, широко използвано за лечение на херпес (ганцикловир) в тялото на пациента, тъй като генът започва да работи. В резултат на това в клетките се образува изключително токсично вещество, което унищожава тумора отвътре. Друг вариант за генна терапия на рака е доставянето на гени до раковите клетки, които ще провокират синтеза на така наречените "самоубийствени" протеини, което води до "самоубийство" на раковите клетки.

Технологията за доставяне на гени до раковите клетки се разработва от голям екип учени от Института по биоорганична химия. М. М. Шемякин и Ю. А. Овчинников RAS, Руски изследователски център за рак РАМН, Институт по молекулярна генетика РАН, Институт по генна биология РАН. Академик Евгений Свердлов ръководи работата. Основният акцент в проекта е върху създаването на лекарства срещу рак на белия дроб (първо място по смъртност) и рак на хранопровода (седмо място). Създадените методи и дизайни обаче ще бъдат полезни за борба с всеки вид рак, от който има повече от сто. След необходимите клинични изпитания, ако бъдат успешни, лекарствата ще влязат в практиката през 2012 г.

Диагностика на рак

Голям брой научни екипи в Русия и по света работят по проблема с рака. Това е разбираемо: всяка година ракът събира малко по-малка смъртоносна реколта от сърдечно-съдовите заболявания. Задачата на учените е да създадат технологии, които позволяват да се открие рак на най-ранните етапи и да се унищожат раковите клетки без странични ефекти за тялото. Ранната и бърза диагноза, когато анализът отнема само няколко часа, е изключително важна за конвенционалната терапия на рака. Лекарите знаят, че болестта е по-лесна за овладяване в зародиш. Следователно клиниките по света се нуждаят от диагностични технологии, които отговарят на тези изисквания. Тук на помощ идва биотехнологията.

Нов подход към ранната и бърза диагностика на рака беше предложен за първи път в света от Александър Четверин от Протеиновия институт на Руската академия на науките. Същността на метода е да се идентифицират в кръвта онези тРНК молекули, които премахват информация от съответните части на генома и носят командата за синтеза на ракови протеини. Ако такива молекули присъстват в кръвната проба на пациента, тогава може да се постави диагноза: има рак. Проблемът обаче е, че има много малко от тези молекули в кръвна проба, докато има много други. Как да намерим и видим онези отделни екземпляри, от които се нуждаем? Този проблем е решен от екип от учени, ръководен от А. Четверин.

Изследователите са се научили да разпространяват търсените, но невидими маркерни молекули на раковите клетки, използвайки така наречената полимеразна верижна реакция (PCR).

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

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

Лечение на рак

В областта на лечението на рак също има няколко нови подхода, базирани на биотехнологиите. Едно от тях е използването на специфични антитела като противоракови средства.

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

Учени от Лабораторията по молекулярна имунология (Институт по биоорганична химия на Руската академия на науките), водени от член-кореспондент на Руската академия на науките Сергей Деев, проектират ново поколение антитела, които разпознават целта и я унищожават. Този подход се основава на принципа на така наречения „магически куршум“, който винаги и точно намира своята жертва. Антителата са най-подходящи за тази роля. Една част от тяхната молекула служи като "антена", насочена към целта - повърхността на раковата клетка. И различни увреждащи агенти могат да се придържат към опашката на антитяло - токсини, органични молекули, радиоактивни изотопи. Те имат различни ефекти, но всички в крайна сметка убиват тумора.

Раковите клетки могат да бъдат унищожени почти естествено. Достатъчно е да се стартира механизмът на програмирана клетъчна смърт, вид самоубийство, предвидено от природата. Учените го наричат апоптоза. Механизмът на самоубийство се задейства от вътреклетъчни ензими, които разрушават протеините вътре в клетката и самата ДНК. За съжаление, раковите клетки са невероятно устойчиви, защото знаят как да потискат своите суицидни „настроения“. Проблемът е, че има много малко от тези ензими в раковите клетки и поради това е трудно да се започне апоптоза.

Този проблем обаче също е решен. За да стартират механизма за самоубийство, сибирските учени предлагат да се отворят мембраните на клетъчните структури, като митохондриите. Тогава клетката неизбежно ще умре. Институтът по биоорганична химия на Сибирския клон на Руската академия на науките, Държавният научен център "Вектор" (село Колцово), Общинската белодробна хирургична болница (Новосибирск), Научно-производственият фонд "Медицински технологии" (Курган), Изследователският институт по клинична и експериментална имунология на Руската академия на медицинските науки (Новосибирск) участва в този голям проект. Заедно изследователите избраха вещества, които могат да отворят мембраните на клетъчните структури, и разработиха метод за доставяне на тези вещества в раковата клетка.

Ваксини

Нашите познания за имунната система на животните могат да се използват не само за лечение на рак, но и за всякакви инфекциозни заболявания. Ние получаваме имунитет срещу повечето болести „по наследство“, срещу други придобиваме имунитет, като преболедуваме заболяване, причинено от нова инфекция. Но имунитетът също може да бъде трениран - например с помощта на ваксинация.

Ефективността на ваксинацията е демонстрирана за първи път преди повече от 200 години от лекар Едуард Дженър, който доказа, че човек, който е болен от кравешка шарка, става имунизиран срещу едра шарка. Оттогава много болести са взети под контрола на лекарите. От времето на Пастьор, отслабени или убити вируси са били използвани във ваксините. Но това налага ограничения: няма гаранция, че ваксината е напълно без активни вирусни частици, работата с много от тях изисква голямо внимание, а срокът на годност на ваксината зависи от условията на съхранение.

Тези трудности могат да бъдат заобиколени с помощта на методи на генно инженерство. Използвайки ги, можете да развиете отделни компоненти на бактерии и вируси и след това да ги прилагате на пациенти - защитният ефект ще бъде не по-лош, отколкото при конвенционалните ваксини. Първите генно-инженерни ваксини са за животни - срещу шап, бяс, дизентерия и други болести по животните. Първата генетично конструирана човешка ваксина беше ваксината срещу хепатит В.

Днес за повечето инфекции можем да направим ваксини – класически или генно-инженерни. Основният проблем е свързан с чумата на ХХ век – СПИН. Ваксинацията е точно за него. В крайна сметка той засилва имунната система, кара тялото да произвежда повече имунни клетки. А вирусът на човешкия имунодефицит (ХИВ), който причинява СПИН, живее и се размножава в тези клетки. С други думи, ние му даваме още повече възможности – нови, здрави клетки на имунната система да заразява.

Изследванията за търсене на ваксини срещу СПИН имат дълга история и се основават на откритие, направено през 70-те години на миналия век от бъдещите академици Р. В. Петров, В. А. Кабанов и Р. М. Хайтов. Същността му се крие във факта, че полиелектролити (заредени полимерни молекули, които са разтворими във вода)взаимодействат с клетките на имунната система и индуцират последните да произвеждат интензивно антитела. И ако, например, един от протеините, които съставляват обвивката на вируса, е прикрепен към полиелектролитната молекула, тогава имунният отговор срещу този вирус ще се включи. Според механизма на действие такава ваксина е коренно различна от всички ваксини, създадени преди това в света.

Първият в света и засега единственият полиелектролит, който е разрешен за въвеждане в човешкото тяло, стана полиоксидоний. След това протеините на грипния вирус бяха "пришити" към полимера. Резултатът беше ваксината Grippol, която защитава милиони хора в Русия от вирусна инфекция в продължение на почти 10 години.

По същата методология днес се създава ваксина срещу СПИН. Протеин, характерен за вируса на СПИН, е свързан с полиелектролит. Получената ваксина беше успешно тествана при мишки и зайци. Въз основа на резултатите от предклиничните изпитвания Институтът по имунология на Руската академия на науките получи разрешение за провеждане на клинични изпитвания с участието на доброволци. Ако всички етапи на тестване на лекарството са успешни, то може да се използва не само за превенция на ХИВ инфекция, но и за лечение на СПИН.

Лекарства, дарени от биотехнологии

Лекарствата все още са основният инструмент на медицинската практика. Възможностите на химическата индустрия, която произвежда лъвския дял от лекарствата, обаче са ограничени. Химическият синтез на много вещества е сложен и често невъзможен, както например синтезът на по-голямата част от протеините. Тук на помощ идва биотехнологията.

Производството на лекарства с помощта на микроорганизми има дълга история. Първият антибиотик, пеницилинът, е изолиран от плесен през 1928 г. и той промишлено производствозапочна през 1940 г. След пеницилина бяха открити и масово произведени други антибиотици.

Дълго време много лекарствана базата на човешки протеини могат да бъдат получени само в малки количества, тяхното производство е много скъпо. Генното инженерство даде надежда, че гамата от протеинови лекарства и техният брой ще се увеличат драстично. И тези очаквания бяха оправдани. Няколко десетки лекарства, получени по биотехнологичен път, вече са влезли в медицинската практика. Според оценките на специалистите годишният обем на световния пазар на лекарства на базата на генно-инженерни протеини се увеличава с 15% и до 2010 г. ще възлезе на 18 милиарда долара.

Най-яркият пример за работата на нашите биотехнолози в тази област е генетично модифицираният човешки инсулин, който се произвежда в Института по биоорганична химия. M.M.Shemyakin и Yu.A.Ovchinnikov RAS. Инсулинът, тоест хормон с протеинова структура, регулира разграждането на захарта в нашето тяло. Може да се извлече от животни. Правеха го и преди. Но дори инсулинът от панкреаса на прасетата - биохимично най-близките до нас животни - все още е малко по-различен от човешкия.

Активността му в човешкото тяло е по-ниска от активността на човешкия инсулин. Освен това имунната ни система не понася чужди протеини и ги отхвърля с всички сили. Следователно инжектираният свински инсулин може да изчезне, преди да има време да има лечебен ефект. Проблемът беше решен чрез технологията на генното инженерство, според която днес се произвежда човешки инсулин, включително в Русия.

В допълнение към генетично модифицирания човешки инсулин в Института по биоорганична химия. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинников от Руската академия на науките, IBCh RAS, съвместно с Хематологичния изследователски център на Руската академия на медицинските науки, създадоха технология за производство на протеини за борба с масивна кръвозагуба. Човешкият серумен албумин и факторът на кръвосъсирването са отлични инструменти за първа помощ и реанимация, изисквани от медицината при бедствия.

генетично модифицирани растения

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

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

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

Продължаваме да подобряваме качеството на растенията и да разработваме нови сортове чрез отглеждане. Но този труден и отнемащ време процес изисква много време. Генетичното инженерство, което ни позволи да вмъкнем полезни гени в генома на растенията, изведе растениевъдството на съвсем ново ниво.

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

В Биоинженерния център на Руската академия на науките, ръководен от акад. К. Г. Скрябин. Заедно с беларуски колеги те създават първата домашна генетично модифицирана култура - сортът картофи Елизавета, който е устойчив на колорадския бръмбар.

Първите генетично модифицирани култури, произведени в началото на 80-те години, бяха устойчиви на хербициди и насекоми. Днес с помощта на генното инженерство получаваме сортове, които съдържат повече хранителни вещества, устойчиви са на бактерии и вируси, на суша и студ. През 1994 г. за първи път е създаден сорт домати, устойчив на гниене. Този сорт се появи на пазарите на генетично модифицирани продукти след две години. Друг трансгенен продукт, Златен ориз, стана широко известен. В него, за разлика от обикновения ориз, се образува бета-каротин – предшественик на витамин А, абсолютно необходим за растежа на организма. Златният ориз отчасти решава проблема с доброто хранене в страни, където оризът все още е основното ястие в диетата. А това са поне два милиарда души.

Храненето и добивът не са единствените цели, преследвани от генните инженери. Възможно е да се създадат такива сортове растения, които ще съдържат ваксини и лекарства в листата и плодовете си. Това е много ценно и удобно: ваксините от трансгенни растения не могат да бъдат заразени опасни вирусиживотни, а самите растения са лесни за отглеждане в големи количества. И накрая, на базата на растения е възможно да се създадат "ядливи" ваксини, когато е достатъчно да се изяде определено количество трансгенен плод или зеленчук, като картоф или банан, за ваксинация. Например морков, съдържащ вещества, които участват във формирането на имунния отговор на организма. Такива растения са създадени съвместно от учени от два водещи биологични института в Сибир: Института по цитология и генетика на Сибирския клон на Руската академия на науките и Института химическа биологияИ фундаментална медицинаТАКА БЯГАХ.

Не може да се каже, че обществото се отнася предпазливо към генетично модифицираните растения (GMP). А в самата научна общност дискусията за възможната потенциална опасност от GMR продължава. Затова в цял свят се провеждат проучвания за оценка на рисковете, свързани с използването на GMR – хранителни, агротехнически, екологични. Докато Световната здравна организация заявява следното: „Опитът, натрупан в продължение на 10 години от търговската употреба на ГМ култури, анализът на резултатите от специални проучвания показва, че досега не е имало нито един доказан случай на токсичност или неблагоприятно въздействие на регистрирани ГМ култури като източници на храна или фуражи в света."

От 1996 г., когато започна комерсиалното отглеждане на HMR, до 2007 г цялата зоназасети с трансгенни растения се увеличават от 1,7 милиона на 114 милиона хектара, което е около 9% от цялата обработваема земя в света. Освен това 99% от тази площ е заета от пет култури: соя, памук, ориз, царевица и рапица. В общия обем на производството им генетично модифицираните сортове заемат над 25%. Абсолютният лидер в използването на GMR са САЩ, където още през 2002 г. 75% от памука и соята са били трансгенни. В Аржентина делът на трансгенната соя е бил 99%, в Канада по този начин е произведено 65% от рапицата, а в Китай - 51% от памука. Отглеждането на HMR през 2007 г. включва 12 милиона фермери, от които 90% живеят в развиващите се страни. В Русия промишленото отглеждане на HMR е забранено със закон.

генетично модифицирани животни

Подобна стратегия се използва от генните инженери за отглеждане на нови породи животни. В този случай генът, отговорен за проявата на някаква ценна черта, се въвежда в оплодено яйце, от което се развива нов организъм. Например, ако генният набор на животно е допълнен с ген за хормон, стимулиращ растежа, тогава такива животни ще растат по-бързо с по-малко консумирана храна. Резултатът е по-евтино месо.

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

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

Технологията за производство на козе мляко с човешки лактоферин се разработва в Института по генна биология на Руската академия на науките и Научно-практическия център Национална академияНауки на Беларус върху животновъдството. Тази година се родиха първите две трансгенни деца. За създаването на всеки един от тях са изразходвани 25 милиона рубли за няколко години изследвания. Остава да изчакаме, докато пораснат, размножат се и започнат да дават мляко с ценен човешки протеин.

Клетъчно инженерство

Има още една примамлива област на биотехнологиите - клетъчната технология. Стволовите клетки, фантастични по своите способности, живеят и работят в човешкото тяло. Те заместват мъртвите клетки (да речем, еритроцит, червена кръвна клетка, живее само 100 дни), лекуват нашите фрактури и рани, възстановяват увредените тъкани.

Съществуването на стволови клетки е предсказано от Александър Максимов, руски хематолог от Санкт Петербург, още през 1909 година. Няколко десетилетия по-късно теоретичното му предположение е потвърдено експериментално: стволовите клетки са открити и изолирани. Но истинският бум започва в края на 20-ти век, когато напредъкът в експерименталната технология дава възможност да се види потенциалът на тези клетки.

Досега напредъкът в медицината, свързан с използването на стволови клетки, е повече от скромен. Ние знаем как да изолираме, съхраняваме, размножаваме и експериментираме с тези клетки. Но ние все още не разбираме напълно механизма на техните магически трансформации, когато безлика стволова клетка се превръща в кръвна клетка или мускулна тъкан. Все още не сме разбрали напълно химическия език, на който е наредено да се трансформира стволовата клетка. Това невежество поражда рискове от използването на стволови клетки и възпрепятства активното им въвеждане в медицинската практика. Има обаче напредък в лечението на незарастващи фрактури при възрастните хора, както и в рехабилитацията след инфаркти и сърдечни операции.

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

Докато сме на етап натрупване на знания за стволовите клетки. Усилията на учените са насочени към изследвания, върху създаване на инфраструктура, по-специално банки за стволови клетки, първата от които в Русия беше Gemabank. Отглеждане на органи, лечение множествена склерозаи невродегенеративните заболявания е бъдещето, макар и не толкова далечно.

биоинформатика

Обемът на знания и информация нараства като снежна топка. Изучавайки принципите на функционирането на живите системи, ние осъзнаваме невероятната сложност на структурата на живата материя, в която разнообразни биохимични реакции са сложно преплетени помежду си и образуват сложни мрежи. Възможно е да се разплете тази „мрежа“ на живота само с помощта на съвременни математически методи за моделиране на процеси в живите системи.

Ето защо на пресечната точка на биологията и математиката се ражда ново направление – биоинформатика, без която работата на биотехнологите вече е немислима. Повечето от методите на биоинформатиката, разбира се, работят за медицината, а именно за търсенето на нови лекарствени съединения. Те могат да бъдат търсени въз основа на познаването на структурата на молекулата, която е отговорна за развитието на определено заболяване. Ако такава молекула бъде блокирана от някакво вещество, избрано с висока точност, тогава ходът на заболяването може да бъде спрян. Биоинформатиката прави възможно откриването на блокираща молекула, подходяща за клинична употреба. Ако знаем целта, да речем, структурата на протеин "причиняващ заболяване", тогава с помощта на компютърни програмиможем да симулираме химическа структуралекарства. Този подход може значително да спести време и ресурси, изразходвани за сортиране и тестване на десетки хиляди химични съединения.

Сред лидерите в създаването на лекарства, използващи биоинформатика в Русия, е компанията Khimrar. В търсене на потенциални противоракови лекарства, той се занимава по-специално с скрининг на много хиляди химични съединения. Сред най-силните руснаци научни центровезанимава се с биоинформатика, включва и Института по цитология и генетика на Сибирския клон на Руската академия на науките. В началото на 60-те години на миналия век в Новосибирския Академгородок се формира уникална научна школа, която обединява биолози и математици. Основната област на работа на новосибирските биоинформатици е анализът на взаимодействието на протеините вътре в клетките и търсенето на потенциални молекулярни цели за нови лекарства.

За да се разбере механизмът на развитието на определено заболяване, е важно да се знае кои от хилядите гени, работещи в болната клетка, са наистина отговорни за заболяването. Тази далеч не лесна задача се усложнява от факта, че гените по правило не работят самостоятелно, а само във връзка с други гени. Но как да вземем предвид приноса на други гени към определено заболяване? И тук биоинформатиката идва на помощ на лекарите. С помощта на математически алгоритми е възможно да се изгради карта, на която пресечните точки на пътищата показват взаимодействията на гените. Такива карти разкриват клъстери от гени, които работят в болна клетка на различни етапи на заболяването. Тази информация е изключително важна например за избор на стратегия за лечение на рак в зависимост от стадия на заболяването.

Индустриална биотехнология

Човекът използва биотехнологията от незапомнени времена. Хората правеха сирене от мляко, ферментираха зеле за зимата, приготвяха забавни напитки от всичко, което е ферментирало. Всичко това са класически микробиологични процеси, в които основната движеща сила е микроорганизмът, най-малката жива система.

Днес спектърът от задачи, решавани от биотехнологиите, се е разширил невероятно. Вече говорихме за генетичната диагностика на заболявания, новите ваксини и лекарства, получени с помощта на биотехнологиите, генетично модифицирани организми. Животът обаче поражда и други предизвикателства. Гигантско химическо производство, където получаваме вещества, необходими за изграждането на комфортна среда за живот (влакна, пластмаси, Строителни материалии много повече) днес вече не изглеждат толкова привлекателни, колкото преди 60 години. Те консумират много енергия и ресурси (високо налягане, температури, катализатори от благородни метали), те замърсяват заобикаляща средаи заемат ценни земи. Може ли биотехнологиите тук да предложат замяна?

Да те могат. Например генетично модифицирани микроорганизми, които работят като ефективни катализатори за промишлени химически процеси. Такива биокатализатори са създадени във Всеруския изследователски институт по генетика и размножаване на микроорганизми, например за опасния и мръсен етап от получаване на токсичното вещество акриламид. Изработен е от полимер полиакриламид,използва се при пречистване на вода, и при производството на пелени, и за производството на хартия с покритие и за много други цели. Биокатализаторът позволява химическа реакция за получаване на мономер при стайна температура, без използване на агресивни реагенти и високо налягане.

Биокатализаторът е въведен в промишлена употреба в Русия с усилията на научния екип на CJSC Bioamid (Саратов) под ръководството на Сергей Воронин. Същият екип разработи биотехнология за производство на аспарагинова киселина и създаде импортозамещаващия кардиологичен препарат „Аспаркам Л“. Лекарството вече е навлязло на пазара в Русия и Беларус. Руското лекарство е не само по-евтино от вносните аналози, но според лекарите е по-ефективно. Факт е, че "Asparkam L" съдържа само един оптичен изомер на киселината, този, който има терапевтични ефекти. А западният аналог, панангин, се основава на смес от два оптични изомера, L и D, вторият от които просто служи като баласт. Откритието на екипа на Bioamide се крие във факта, че те успяха да разделят тези два трудни за разделяне изомера и да поставят процеса на индустриална основа.

Възможно е в бъдеще гигантските химически заводи да изчезнат напълно, а вместо тях да има малки безопасни цехове, които не вредят на околната среда, където ще работят микроорганизми, произвеждащи всички необходими междинни продукти за различни индустрии. Освен това малките зелени фабрики, независимо дали са микроорганизми или растения, ни позволяват да получим полезни вещества, които не могат да бъдат направени в химически реактор. Например протеин от паякова коприна. Рамковите нишки на улавящите мрежи, които паякът плете за жертвите си, са няколко пъти по-здрави от стоманата при скъсване. Изглежда, че поставят паяци в работилници и изтеглят протеинови нишки от тях. Но паяците не живеят в един буркан - те ще се изядат един друг.

Красиво решение беше намерено от екип от учени, ръководени от доктор по биология Владимир Богуш (Държавен научноизследователски институт по генетика и селекция на микроорганизми) и доктор по биология Елеонора Пирузян (Институт по обща генетика на Руската академия на науките). Първо, гените, отговорни за синтеза на протеина на паяка коприна, бяха изолирани от генома на паяка. След това тези гени се вмъкват в клетките на дрожди и тютюн. И тези, и други започнаха да произвеждат протеина, от който се нуждаем. В резултат на това е създадена основата за производствената технология на уникален и почти естествен конструктивен материал, лек и изключително издръжлив, от който могат да се изработят въжета, бронежилетки и много други.

Има и други проблеми. Например огромно количество отпадъци. Биотехнологиите ни позволяват да превърнем отпадъците в доходи. Страничните продукти от селското стопанство, горското стопанство и хранително-вкусовата промишленост могат да бъдат превърнати в метан, биогаз, подходящ за отопление и производство на енергия. И можете - в метанол и етанол, основните компоненти на биогоривата.

Индустриалните приложения на биотехнологиите се преследват активно в Химическия факултет на Московския държавен университет. М. В. Ломоносов. Включва няколко лаборатории, ангажирани с различни проекти - от създаването на промишлени биосензори до производството на ензими за тънки органичен синтез, от технологии за обезвреждане на промишлени отпадъци до разработване на методи за получаване на биогорива.

Наука, бизнес, правителство

Постигнатите успехи са резултат от обединените усилия на биолози, химици, лекари и други специалисти, работещи в пространството на живите системи. Взаимовръзката на различните дисциплини се оказа ползотворна. Разбира се, биотехнологиите не са панацея за разрешаване глобални проблеми, но инструмент, който обещава страхотно обещание, ако се използва правилно.

Днес общият обем на пазара на биотехнологии в света е 8 трилиона. долара. Биотехнологиите също са водещи по отношение на финансирането на научноизследователска и развойна дейност: само в Съединените щати правителствените агенции и частните компании харчат повече от 30 милиарда долара годишно за тази цел.

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

Помогнете на STRF.ru
През 2008 г. са подадени 939 заявления за формиране на теми в направление "Живи системи" (за сравнение: общо за програмата - 3180),
– за конкурса са подадени 396 заявления (общо 1597),
– Проведени са 179 състезания (общо 731)
– в състезанията взеха участие организации от 23 катедри (общо 36), като 17 от тях спечелиха
– сключени са 179 договора (общо 731)
– 120 текущи договора (общо 630)
– заявления за формиране на теми за живи системи са изпратени от 346 организации (общо 842)
– 254 организации (общо 806), изпратени като ръководители на конкурса
– 190 организации (общо 636) изпратиха заявления за конкурса като съизпълнители
– средна конкуренция за лотове в посока 2 212 (средно за програмата – 2 185)
– бюджетът на договора за 2008 г. възлиза на 1 041,2 милиона рубли. (21,74% от общия програмен бюджет)

Динамика на растежа и разпределението на финансирането в посока живи системи в рамките на Федералната целева научно-техническа програма за 2002–2006 г. и Федералната целева програма за 2007–2012 г.:
2005 г. - 303 договора, 1168,7 милиона рубли. (сто%)
2006 г. - 289 договора, 1227,0 милиона рубли. (105%)
2007 г. - 284 договора, 2657,9 милиона рубли. (227%)
2008 г. - 299 договора, 3242,6 милиона рубли. (277%)

Докторът на физико-математическите науки Александър Печен описа пред Lente.ru най-много обещаващи направленияфизика и сродни науки след резултатите от най-голямата награда за млади учени Национална награда Блаватник. Сега Печен е водещ изследовател и научен секретар Математически институткръстен на V.A. Стеклова руска академиянауки, той получава образование във Физическия факултет на Московския държавен университет, работи в Принстънския университет и става един от първите руснаци, получили наградата Блаватник през 2009 г.

основна тема

Снимка: Jens Kalaene / ZB / Global Look

Photonics изследва възможностите за използване на светлината за предаване, съхранение, обработка на информация, контрол на микрообекти (клетки, макромолекули) и квантови системи (отделни атоми). Фотонните технологии могат да ускорят или направят енергията по-евтина при предаването, съхранението и обработката на информация. Това е важно например за центровете за данни, които сега са най-големите консуматори на енергия в Съединените щати. Модулирана светлина и изкуствено създадени материали със специални оптични свойства, които не се срещат в природата, са в основата на лазера и фотохимията, както и на такива интересни неща като наметала невидими и оптични пинсети.

Практическо приложение на фотониката

Снимка: лаборатория Тачи, Токийския университет

метаматериали - нов класизкуствени материали със специални оптични свойства, които ви позволяват да скриете предмети, да ги направите невидими. Теоретично такива материали са изследвани за първи път от съветския физик Виктор Веселаго.

В момента се извършва активно разработване на такива материали. Например, през 2009 г. физика невидими килими за инфрачервена светлина.

Оптични пинсети - инструмент, който ви позволява да манипулирате микроскопични обекти с помощта на лазерна светлина, например за сортиране и преместване на отделни клетки, протеинови молекули.

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

Номинирани

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

Сега във фотониката се формира нов подход към контрола на квантовите системи, тоест на отделни атоми или молекули. (Това е основната тема на научните трудове на Александър Печеня - прибл. "ленти.ру"). Традиционно частиците се контролират от лазер с променлив интензитет. Новите методи използват средата за това. В традиционните системи неговото влияние почти никога не може да бъде елиминирано и има разрушителен ефект върху атомните и молекулярните квантови системи. Сега обаче влиянието на външната среда се отчита и използва за управление на тези системи.

Контролът на квантовите системи се прилага при контрола на скоростта на химичните реакции с помощта на лазер за увеличаване на добива на желания реакционен продукт и селективно разкъсване. химическа връзкав сложни молекули, разделяне на изотопи с помощта на лазери или некохерентно оптично излъчване. Квантовото управление се използва както в квантовите изчисления, които все още се изучават, така и на практика – за увеличаване на скоростта на магнитно-резонансната томография.

Квантови симулатори и нови материали

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

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

Медицина и биотехнология

Снимка: Robson Fernandjes / Estadao Conteudo / Global Look

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

Една от обещаващите области на невронауката обаче е оптогенетиката, която изучава контрола на невроните с помощта на светлинни импулси. Използването на оптични светлинни водачи и светлочувствителни протеини прави възможно постигането на висока точност на излагане на нервни клетки. Чрез целенасочено активиране и дезактивиране на различни области на мозъка, оптогенетиката революционизира изследването на нервната система през последните години.

Математическа физика

Съвременните теоретични модели изискват сложен математически апарат. Въпреки че Нобеловата награда не се присъжда в тази дисциплина, има по-малко известни такива, както и номинации в сродни области. Например Клемент Хонглер спечели регионалната награда на Блаватник за 2014 г. Прави впечатление, че той получава докторска степен под ръководството на руски математики носител на наградата на Фийлдс Станислав Смирнов. Хонглер съобщава за нови точни резултати в модела на Изинг, математически модел, използван за описване на процеса на намагнитване на материалите. Моделът Ising също служи като основа за днешните най-големи квантови изчислителни устройства D-Wave, произведени от D-Wave Systems. Ще направя резервация, че продължават дискусии за степента, до която тези компютри трябва да се считат за квантови.

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

Интересни са и посоките, свързани с скитащи планети, които не са свързани с нито една звезда, и създаването на нови наблюдателни инструменти, които скоро ще бъдат пуснати в експлоатация за търсене и изследване на планети извън Слънчевата система. Те ще помогнат значително да разширим познанията си за такива планети, да изследваме химичния състав на техните атмосфери, да установим наличието на органична материяи търси там живот.

Комерсиализация на изследванията

Настоящата тенденция е комерсиализацията на научните открития. По време на награждаването от носителите на наградата бяха основани почти две дузини компании в областта на медицинската диагностика, съхранението на енергия, анализа на данни. Разработва се и биомедицинският ускорител на Харвард Блаватник.

Нивото на съвременната наука позволява сравнително бързо преминаване от фундаментални изследванияприлага, а след това прилага научни открития в търговски продукти.