Биотехнология и физика. Примеры биотехнологических процессов
21971 0
Биотехнологическим путем получают некоторые витамины. Наибольшее значение имеет биотехнологическое производство витаминов В2, В12 и С, а также в-каротина (провитамина А). Для их получения используют различные бактерии, дрожжевые и плесневые грибы. В зависимости от вида микроорганизма и витамина питательной средой могут служить кукурузно-соевая мука, растительные масла, керосин, метанол, глюкоза, сахароза.
Так, витамин В2 получают ферментацией растительного масла с помощью гриба Ashbya gossypii. Ведущие компании рассматривают возможность полной замены химической технологии производства витамина В2 на биотехнологическую. Важное направление биотехнологии, интенсивно развивающееся в последнее время, - освоение возобновляемых источников энергии, наиболее распространённым из которых является биогаз.
Этим термином обозначают газообразный продукт, получаемый в результате анаэробной, то есть происходящей без доступа воздуха, ферментации (сбраживания) органических веществ самого разного происхождения. Биогаз представляет собой смесь газов. Его основные компоненты: метан - 55 - 70%, углекислый газ - 28-43%, также в очень малых количествах азот, кислород, водород и сероводород. Биогаз успешно применяется как высококалорийное топливо.
При получении биогаза (рис. 9) типовыми являются подготовительные стадии - подготовка сырья и посевного материала, метановое брожение, сушка как стадия концентрирования. Компримирование можно рассматривать как создание готовой формы продукта.
Рис. 9. Схема производства биогаза
В среднем 1 кг сухого органического вещества, биологически перебродившего на 70%, производит приблизительно 0,8-1,0 м3 биогаза.
Поскольку разложение органических отходов происходит за счёт деятельности определенных типов бактерий, существенное влияние на него оказывает окружающая среда. Так, количество вырабатываемого газа в значительной степени зависит от температуры: чем теплее, тем выше скорость и степень ферментации органического сырья. Именно поэтому, вероятно, первые установки для получения биогаза появились в странах с теплым климатом.
Однако применение надежной теплоизоляции, а иногда и подогретой воды, позволяет освоить строительство генераторов биогаза в районах, где температура зимой опускается до -20°С. На получение биогаза влияют также продолжительность брожения, конструкция установки, размер и содержание твёрдых веществ, количества загрузки, интенсивности перемешивания, соотношение углерод - азот.
Существуют определенные требования и к сырью: оно должно быть подходящим для развития бактерий, содержать биологически разлагающееся органическое вещество и в большом количестве воду. Желательно, чтобы среда была нейтральной и без веществ, мешающих действию бактерий, например, мыла, стиральных порошков, антибиотиков.
Для получения биогаза можно использовать растительные и хозяйственные отходы, навоз, сточные воды и т. п.
В процессе ферментации жидкость в резервуаре имеет тенденцию к разделению на три фракции. Верхняя - корка, образованная из крупных частиц, увлекаемых поднимающимися пузырьками газа, через некоторое время может стать достаточно твердой и будет мешать выделению биогаза. В средней части ферментера скапливается жидкость. Нижняя, грязеобразная фракция выпадает в осадок. Бактерии наиболее активны в средней зоне, поэтому содержимое резервуара необходимо периодически перемешивать.
Перемешивание может осуществляться с помощью механических приспособлений, гидравлическими средствами (рециркуляция под действием насоса), под напором пневматической системы (частичная рециркуляция биогаза) или с помощью различных методов самоперемешивания.
Весьма эффективной является также конверсия биомассы в биоэтанол. В Бразилии биоэтанол получают из сахарного тростника, в США - из кукурузы. С каждым годом повышается эффективность производства биоэтанола. По данным Минсельхоза США, сегодня при сжигании биоэтанол дает на 67 % больше энергии, чем было потрачено на его производство (в 1995 г. этот показатель составлял 24 %). Биоэтанол используется в качестве моторного топлива либо в чистом виде, либо в смеси с бензином. Для получения биодизеля используют в основном рапс.
Важнейшим биотехнологическим процессом является биологическая очистка стоков. Биологические методы удаления загрязнений признаны наиболее экономически и экологически эффективными. Процесс очистки имеет целый ряд подготовительных стадий (см. рис.10).
Рис. 10. Биологическая очистка стоков
Собственно биотехнологической стадией, получившей наибольшее распространение в нашей стране, является очистка (биоокисление) с помощью аэробных микроорганизмов, осуществляемая в аэротенках, биофильтрах и биопрудах.
Существенными недостатками аэробных технологий являются высокие затраты на аэрацию, необходимость использования значительных площадей под очистные сооружения, наличие неприятных запахов, проблемы, связанные с обработкой и утилизацией больших количеств образующегося избыточного ила (избыточный ил можно утилизировать одним из следующих способов: высушивание на «иловых площадках» (это самый неэкологичный способ), концентрирование с помощью флотации, переработка в биогаз).
Исключить недостатки аэробных технологий может анаэробная обработка сточных вод, не требующая затрат энергии на аэрацию и сопряженная с образованием ценного энергоносителя - метана. Деградация органических веществ при анаэробном метановом брожении является многоступенчатым процессом, в котором углерод-углеродные связи постепенно разрушаются под действием различных групп микроорганизмов. Анаэробные процессы по сравнению с аэробными сопровождаются образованием значительно меньших (более чем в 10 раз) количеств ила; реакторы, работающие с использованием анаэробной технологии, весьма компактны. Указанные преимущества обусловили значительный интерес к анаэробной очистке во многих странах мира.
Наибольшее распространение анаэробная технология получила в пивоваренной промышленности и производстве прохладительных напитков.В России эти технологии только начинают развиваться. До настоящего времени построено 5 реакторов (Кашира, Москва, Ступино, Самара, Хабаровск; для сравнения - в Индии имеется 150 анаэробных реакторов, Японии - 122, США - 108, Нидерландах - 98, Германии -94). В стадии проектирования находятся анаэробные сооружения для пивоваренной промышленности в Санкт-Петербурге, Туле, Ростове-на-Дону, Ярославле, Калуге, а также для производства безалкогольных напитков в Черноголовке Московской обл.
Недостатком анаэробных технологий является невозможность обеспечения качества очистки, удовлетворяющее нормам сброса в рыбохозяйственные водоемы, так как при их использовании практически не удаляются соединения азота и фосфора. В этом случае требуется применять аэробную доочистку, но затраты на нее уже значительно снижены, поскольку до 90 % загрязнений удаляется на анаэробной стадии.
Одним из перспективных направлений в биотехнологии является разработка методов детоксикации и утилизации токсичных веществ. Среди токсичных загрязнений, поступающих в поверхностные воды с промышленными стоками, наиболее распространены фенолы и соединения тяжелых металлов. Самым эффективным способом обезвреживания промышленных сточных вод является сорбционная очистка воды. Установлено, что эффективными сорбентами могут служить торф и различные биомассы (отходы микробиологических производств).
Твердое вещество торфа, формирующееся в процессе биохимического разложения растений, состоит из высокомолекулярных соединений различной химической природы: целлюлозы, гемицеллюлозы, гуминовых веществ, лигнина и др. Торф можно использовать в качестве сорбционного фильтрующего материала для очистки нефтесодержащих и фенолсодержащих сточных вод. Биомасса микроорганизмов, используемая для получения биосорбентов, образуется в результате микробиологического синтеза антибиотиков, ферментов и других биологически активных веществ и представляет собой частично разрушенные клетки микроорганизмов, содержащие белки, полисахариды и др.
Известны два основных механизма биологического связывания веществ - биосорбция и биоаккумуляция. Биосорбция связана с рядом процессов (сорбцион-ное связывание, ионный обмен, комплексообразование, хелатное связывание, микроосаждение), которые приводят к отложению вещества на биологических структурах. В отличие от биосорбции, биоаккумуляция осуществляется только живущими организмами и связана с активным обменом веществ. На основании результатов многочисленных исследований установлено, что сорбенты на основе торфа и отходов микробиологических производств селективны и относительно дешевы. Это приводит к удешевлению процесса утилизации вредных веществ при сохранении высокой степени очистки сточных вод и способствует решению проблемы создания безотходных технологий.
В последние годы интенсивно развивается биогеотехнология - область биотехнологии, исследующая роль микроорганизмов в процессах образования и разрушения месторождений нефти, угля, сульфидных руд, серы, железа, марганца, других металлов. Одним из примеров использования биотехнологии при добыче полезных ископаемых является технология низкотемпературного бактериально-химического выщелачивания металлов из сульфидных руд.
В этом процессе используются специфические микроорганизмы, окисляющие сульфиды, серу и железо. В результате окисления сульфидной серы образуется серная кислота, которая переводит в раствор ионы цветных металлов. Затем эти металлы извлекаются из раствора или электролизом, или на ионообменных колонках, или иным способом. Чаще всего используется так называемый метод кучного выщелачивания. Метод бактериально-химического выщелачивания используется для получения меди, цинка и ряда других цветных металлов, особенно из руд с низким содержанием металлов.
По сравнению с традиционными способами высокотемпературного обжига сульфидных руд этот метод значительно менее энергоемкий и экологически безопасный. Разработаны также методы биогенного извлечения золота. Биотехнологии находят все большее применение при добыче нефти и при очистке от нефтяных загрязнений. При применении немикробиологических методов средняя величина нефтеотдачи составляет лишь 40-45 % от разведанных нефтяных запасов. Микробиологические методы повышения нефтеотдачи основаны на способности микроорганизмов продуцировать такие нефтевытесняющие вещества как газы, растворители и т.д.
Кроме того, многие микроорганизмы окисляют нефтяные углеводороды с образованием С02 и низкомолекулярных органических кислот, которые растворяют карбонатные минералы, увеличивая пористость нефтяного пласта, что также благоприятно влияет на повышение нефтеотдачи. Для очистки загрязненных нефтью территорий их обрабатывают нефтеокисляющими микроорганизмами, что позволяет утилизировать углеводороды нефти, превращая их в биомассу микроорганизмов и диоксид углерода. Помимо этих, уже достаточно широко использующихся биотехнологических методов, в стадии разработки находятся новые биотехнологии, связанные с очисткой воздуха от сероводорода и летучих органических соединений, утилизацией органических веществ, образующихся при детоксикации химического оружия, борьбой с коррозией трубопроводов и т.д.
Приведённые выше примеры биотехнологических производств показывают, что в зависимости от типа продукта схема его получения включает далеко не все биотехнологические процессы и содержит различное количество стадий. Следует отметить, что наряду с собственно биотехнологическими (ферментация, биоокисление, биокатализ, биокомпостирование, стерилизация среды, дезинтеграция) сюда входят процессы, распространённые и в химической промышленности: фильтрация, сепарация, отстаивание, центрифугирование и т.д. Но эти стадии в биотехнологических производствах имеют свою специфику.
Поскольку данное пособие предназначено прежде всего студентам химикам, в нем не рассматриваются многие направления использования биотехнологий в медицине (получение вакцин, антибиотиков, иммуномодуляторов, иммунодепрессантов, медицинских ферментов, кровезаменителей и т.д.). Сведения об этих аспектах биотехнологии можно найти в книгах и статьях, указанных в списке литературы.
С.В. Макаров, Т.Е. Никифорова, Н.А. Козлов
Понятие биотехнологии
Определение 1
Биотехнологией называется наука, занимающаяся изучением возможности использования живых организмов либо продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач.
При помощи биотехнологий обеспечиваются определенные потребности, такие как разработка медицинских препаратов, создание новых видов животных и растений или их модификация, что позволяет увеличить качество пищевых продуктов.
В качестве науки биотехнология зародилась в начале 70-х годов ХХ века. Отправной точкой послужила генная инженерия, когда ученым удалось перенести генетический материал из одного организма к другому без половых процессов, с применением рекомбинантной ДНК или РНК. Этот метод используется для улучшения или изменения определенного организма.
Биотехнологии в современной медицине
Биотехнологии, применяемые в медицины, делятся на две группы:
- диагностические, которые бывают химическими и физическими
- лечебные
Производственные процессы, в которых создаются биообъекты или вещества медицинского назначения, также относятся к медицинским. Это могут быть витамины. Ферменты, антибиотики, полисахариды, аминокислоты.
В медицине биотехнологии применяются для производства инсулина, для чего используются генно-модифицированные бактерии. Также биотехнологии в медицине применяются для создания эритропоэтина.
Замечание 1
Эритропоэтин – это гормон, который стимулирует образование эритроцитов в костном мозге.
Биотехнологии в современной науке
Применение биотехнологий в современной науке играет важнейшую роль и приносит огромную пользу. В результате открытия генной инженерии появились возможности выведения новых сортов растений и пород животных, которые станут очень полезными для сельского хозяйства.
Изучение биотехнологий не связано исключительно только с биологическими науками. Например, биотехнологии используются в микроэлектронике, где разработаны ион-селективные транзисторы на основе полевого эффекта. Также биотехнологии применяются для увеличения нефтеотдачи нефтяных пластов. Особенно развитым направлением использования биотехнологий является их применение для очистки бытовых и сточных вод. Кроме перечисленных, в развитие биотехнологий внесли свой вклад и другие научные дисциплины. Таким образом, биотехнологии относят к комплексной науке.
Дефицит социально-экономических потребностей является еще одной причиной активного изучения биотехнологий. По мнению ученых, биотехнологии смогут помочь в решение таких проблем, как:
- дефицит в некоторых регионах пресной или очищенной воды
- загрязнение окружающей среды химическими веществами
- недостаток энергетических ресурсов
- необходимость в новых экологически чистых материалах
- повышение уровня медицины и т.д.
Современные биотехнологии: применение на практике, этические проблемы
Биотехнологии являются не только наукой, но и сферой практической деятельности человека, которая занимается производством разного вида продукции при помощи живых клеток или организмов.
Генетика является теоретической основой биотехнологии. Практической основой биотехнологии является микробиологическая промышленность. Она, в свою очередь, получила активное развитие после открытия антибиотиков.
Объектами биотехнологий являются бактерии, вирусы, грибы, а также изолированные клетки и органоиды.
Основными сферами современных биотехнологий являются генетическая и клеточная инженерия в сочетании с биохимией.
Клеточная инженерия – это процесс выращивания клеток различных живых организмов в специально созданных условиях, а также исследования над ними.
Клеточная инженерия растений является самым успешным направлением, она дала возможность ускорения селекционных процессов, в результате чего время выведения нового сорта сократилось с 11 до 3 лет.
Определение 2
Генетическая инженерия – это область молекулярной биологии, которая изучает гены живых организмов, занимается выделением генов из клеток, а также проведением манипуляций над ними. Ферменты и векторы являются главными инструментами генной инженерии.
Клонированием называется процесс получения потомков, полностью идентичных прототипу. Первые опыты были проведены на растениях, клонирование происходило вегетативным путем.
Клонирование бактерий – это процесс искусственного размножения растений, которым управляет человек.
В конце ХХ ученые стали активно обсуждать возможность клонирования человека.
Генная инженерия проводит исследования микроорганизмов и человека. также она изучает заболевания, связанные с онкологией и иммунной системой.
Потенциал, открываемый биотехнологиями, огромен не только для науки, но и для других сфер деятельности. Использование биотехнологических методов предоставило возможность массового производства всех белков.
В будущем предполагается, что биотехнологии позволят улучшать растения и животных. При помощи генной инженерии будут бороться с наследственными заболеваниями.
Генная инженерия, являясь основным направлением в биотехнологии, ускоряет решение проблемы аграрного, энергетического, продовольственного кризиса.
Замечание 2
Самое большое влияние биотехнологии оказывают на медицину и фармацевтику. Ожидается, что в будущем станет возможным лечение неизлечимых заболеваний.
В современной биотехнологии активно развивается отрасль микробного синтеза веществ, ценных для человека. еще одним важным направлением современных биотехнологий является получение экологически чистой энергии.
Однако существует ряд проблем, связанных с этической стороной исследования в области биотехнологий. После того, как информация о проведении опытов над эмбрионами человека и попытками клонирования стала достояние общественности, возникли бурные дискуссии на эту тему среди ученых и обычных людей. Поэтому подобные исследования подвергаются строгому регламентированию. следования этому регламенту является обязательным для всех ученых и исследователей. Стоит ли клонировать человека - это сложный вопрос. С одной стороны, это открывает новые возможности, а с другой - ни один ученый не может со стопроцентной уверенностью предсказать возможные последствия.
Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году. Отдельные элементы биотехнологии появились достаточно давно. По сути, это были попытки использовать в промышленном производстве отдельные клетки (микроорганизмы) и некоторые ферменты, способствующие протеканию ряда химических процессов.
Так, в 1814 году петербургский академик К. С. Кирхгоф открыл явление биологического катализа и пытался биокаталитическим путём получить сахар из доступного отечественного сырья (до середины XIX века сахар получали только из сахарного тростника). В 1891 году в США японский биохимик Дз. Такамине получил первый патент на использование ферментных препаратов в промышленных целях: учёный предложил применить диастазу для осахаривания растительных отходов.
В начале XX века активно развивалась бродильная и микробиологическая промышленность. В эти же годы были предприняты первые попытки использовать ферменты в текстильной промышленности.
В 1916–1917 годах русский биохимик А. М. Коленев пытался разработать способ, который позволил бы управлять действием ферментов в природном сырье при производстве табака.
Огромный вклад в дело практического использования достижений биохимии внёс академик А. Н. Бах, создавший важное прикладное направление биохимии – техническую биохимию. А. Н. Бах и его ученики разработали множество рекомендаций по улучшению технологий обработки самого различного биохимического сырья, совершенствованию технологий хлебопечения, пивоварения, виноделия, производства чая и табака и т. п., а также рекомендации по повышению урожая культурных растений путём управления протекающими в них биохимическими процессами.
Все эти исследования, а также прогресс химической и микробиологической промышленности и создание новых промышленных биохимических производств (чая, табака и т. п.) были важнейшими предпосылками возникновения современной биотехнологии.
В производственном отношении основой биотехнологии в процессе её формирования стала микробиологическая промышленность. За послевоенные годы микробиологическая промышленность приобрела принципиально новые черты: микроорганизмы стали использовать не только как средство повышения интенсивности биохимических процессов, но и как миниатюрные синтетические фабрики, способные синтезировать внутри своих клеток ценнейшие и сложнейшие химические соединения. Перелом был связан с открытием и началом производства антибиотиков.
Первый антибиотик – пенициллин – был выделен в 1940 году. Вслед за пенициллином были открыты и другие антибиотики (эта работа продолжается и поныне). С открытием антибиотиков сразу же появились новые задачи: налаживание производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня доступности новых лекарств, получением их в очень больших количествах, необходимых медицине.
Синтезировать антибиотики химически было очень дорого или вообще невероятно трудно, почти невозможно (недаром химический синтез тетрациклина советским учёным академиком М. М. Шемякиным считается одним из крупнейших достижений органического синтеза). И тогда решили для промышленного производства лекарственных препаратов использовать микроорганизмы, синтезирующие пенициллин и другие антибиотики. Так возникло важнейшее направление биотехнологии, основанное на использовании процессов микробиологического синтеза.
Виды биотехнологии
Биоинженерия
Биоинженерия или биомедицинская инженерия – это дисциплина, направленная на углубление знаний в области инженерии, биологии и медицины и укрепление здоровья человечества за счёт междисциплинарных разработок, которые объединяют в себе инженерные подходы с достижениями биомедицинской науки и клинической практики. Биоинженерия/биомедицинская инженерия – это применение технических подходов для решения медицинских проблем в целях улучшения охраны здоровья. Эта инженерная дисциплина направлена на использование знаний и опыта для нахождения и решения проблем биологии и медицины.
Биоинженеры работают на благо человечества, имеют дело с живыми системами и применяют передовые технологии для решения медицинских проблем. Специалисты по биомедицинской инженерии могут участвовать в создании приборов и оборудования, в разработке новых процедур на основе междисциплинарных знаний, в исследованиях, направленных на получение новой информации для решения новых задач.
Среди важных достижений биоинженерии можно упомянуть разработку искусственных суставов, магниторезонансной томографии, кардиостимуляторов, артроскопии, ангиопластики, биоинженерных протезов кожи, почечного диализа, аппаратов искусственного кровообращения. Также одним из основных направлений биоинженерных исследований является применение методов компьютерного моделирования для создания белков с новыми свойствами, а также моделирования взаимодействия различных соединений с клеточными рецепторами в целях разработки новых фармацевтических препаратов («drug design»).
Биомедицина
Раздел медицины, изучающий с теоретических позиций организм человека, его строение и функцию в норме и патологии, патологические состояния, методы их диагностики, коррекции и лечения. Биомедицина включает накопленные сведения и исследования, в большей или меньшей степени общие медицине, ветеринарии, стоматологии и фундаментальным биологическим наукам, таким, как химия, биологическая химия, биология, гистология, генетика, эмбриология, анатомия, физиология, патология, биомедицинский инжиниринг, зоология, ботаника и микробиология.
Слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя наноустройства и наноструктуры. В мире уже созданы ряд технологий для наномедицинской отрасли. К ним относятся адресная доставка лекарств к больным клеткам, лаборатории на чипе, новые бактерицидные средства.
Биофармакология
Раздел фармакологии, который изучает физиологические эффекты, производимые веществами биологического и биотехнологического происхождения. Фактически, биофармакология – это плод конвергенции двух традиционных наук – биотехнологии, а именно, той её ветви, которую именуют «красной», медицинской биотехнологией, и фармакологии, ранее интересовавшейся лишь низкомолекулярными химическими веществами, в результате взаимного интереса.
Объекты биофармакологических исследований – изучение биофармацевтических препаратов, планирование их получения, организация производства. Биофармакологические лечебные средства и средства для профилактики заболеваний получают с использованием живых биологических систем, тканей организмов и их производных, с использованием средств биотехнологии, то есть лекарственные вещества биологического и биотехнологического происхождения.
Биоинформатика
Совокупность методов и подходов, включающих в себя:
- математические методы компьютерного анализа в сравнительной геномике (геномная биоинформатика);
- разработка алгоритмов и программ для предсказания пространственной структуры белков (структурная биоинформатика);
- исследование стратегий, соответствующих вычислительных методологий, а также общее управление информационной сложности биологических систем.
В биоинформатике используются методы прикладной математики, статистики и информатики. Биоинформатика используется в биохимии, биофизике, экологии и в других областях.
Бионика
Прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги. Проще говоря, бионика – это соединение биологии и техники. Бионика рассматривает биологию и технику совсем с новой стороны, объясняя, какие общие черты и какие различия существуют в природе и в технике.
Различают :
- биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;
- теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;
- техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.
Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.
Биоремедиация
Комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов – растений, грибов, насекомых, червей и других организмов.
Клонирование
Появление естественным путём или получение нескольких генетически идентичных организмов путём бесполого (в том числе вегетативного) размножения. Термин «клонирование» в том же смысле нередко применяют и по отношению к клеткам многоклеточных организмов. Клонированием называют также получение нескольких идентичных копий наследственных молекул (молекулярное клонирование). Наконец, клонированием также часто называют биотехнологические методы, используемые для искусственного получения клонов организмов, клеток или молекул. Группа генетически идентичных организмов или клеток – клон.
Генетическая инженерия
Суть генетической инженерии заключается в искусственном создании генов с нужными свойствами и введение их в соответствующую клетку. Перенос гена осуществляет вектор (рекомбинантная ДНК) – специальная молекула ДНК, сконструированная на основе ДНК вирусов или плазмид, которая содержит нужный ген, транспортирует его в клетку и обеспечивает его встраивание в генетический аппарат клетки.
Для маркировки определенных клеток организмов в молекулярно-генетических исследованиях используют ген GFP, выделенный из медузы. Он обеспечивает синтез флуоресцентного белка, который светится в темноте.
Генетическая инженерия широко используется как в научных исследованиях, так и в новейших методах селекции.
Биотехнология – это совокупность промышленных методов, которые применяют для производства различных веществ с использованием живых организмов, биологических процессов или явлений. Традиционная биотехнология основана на явлении ферментации – использовании в производственных процессах ферментов микроорганизмов. Клеточная инженерия – это отрасль биотехнологии, которая разрабатывает и использует технологии культивирования клеток и тканей вне организма в искусственных условиях. Генетическая инженерия – это отрасль биотехнологии, которая разрабатывает и использует технологии выделения генов из организмов и отдельных клеток, их видоизменение и введение в другие клетки или организмы.
Некоторые этические и правовые аспекты применения биотехнологических методов
Этика – учение о нравственности, согласно которому главной добродетелью считается умение найти середину между двух крайностей. Данная наука основана Аристотелем.
Биоэтика – часть этики, изучающая нравственную сторону деятельности человека в медицине, биологии. Термин предложен В.Р. Поттером в 1969 г.
В узком смысле биоэтика обозначает круг этических проблем в сфере медицины. В широком смысле биоэтика относится к исследованию социальных, экологических, медицинских и социально-правовых проблем, касающихся не только человека, но и любых живых организмов, включенных в экосистемы. То есть она имеет философскую направленность, оценивает результаты развития новых технологий и идей в медицине, биотехнологии и биологии в целом.
Современные биотехнологические методы обладают настолько мощным и не до конца изученным потенциалом, что их широкое применение возможно только при строгом соблюдении этических норм. Существующие в обществе моральные принципы обязывают искать компромисс между интересами общества и индивида. Более того, интересы личности ставятся в настоящее время выше интересов общества. Поэтому соблюдение и дальнейшее развитие этических норм в этой сфере должно быть направлено, прежде всего, на всемерную защиту интересов человека.
Массовое внедрение в медицинскую практику и коммерциализация принципиально новых технологий в области генной инженерии и клонирования, привело также к необходимости создания соответствующей правовой базы, регулирующей все юридические аспекты деятельности в этих направлениях.
Остановимся на тех направлениях в биотехнологических исследованиях, которые напрямую связаны с высоким риском нарушения прав личности и вызывают наиболее острую дискуссию по поводу их широкого применения: пересадка органов и клеток в терапевтических целях и клонирование.
В последние годы резко возрос интерес к изучению и применению в биомедицине эмбриональных стволовых клеток человека и техники клонирования с целью их получения. Как известно, эмбриональные стволовые клетки способны трансформироваться в разные типы клеток и тканей (кроветворные, половые, мышечные, нервные и др.). Они оказались перспективными для применения в генной терапии, трансплантологии, гематологии, ветеринарии, фармакотоксикологии, при тестировании лекарств и пр.
Выделение этих клеток производят из эмбрионов и плодов человека 5-8 недель развития, полученных при медицинском прерывании беременности (в результате аборта), что порождает многочисленные вопросы относительно этической и юридической правомерности проведения исследований на эмбрионах человека, в том числе такие:
- насколько необходимы и оправданы научные исследования на эмбриональных стволовых клетках человека?
- допустимо ли ради прогресса медицины разрушать человеческую жизнь и насколько это морально?
- достаточно ли проработана правовая база для применения этих технологий?
В ряде стран запрещены любые исследования на эмбрионах (например, в Австрии, Германии). Во Франции права эмбриона защищаются с момента его зачатия. В Великобритании, Канаде и Австралии, хотя создание эмбрионов для исследовательских целей не запрещено, но разработана система законодательных актов, регулирующая и контролирующая подобные исследования.
В России ситуация в этой области более чем неопределенная: деятельность по изучению и использованию стволовых клеток недостаточно отрегулирована, остаются существенные пробелы в законодательстве, мешающие развитию этого направления. В отношении же клонирования в 2002 г. федеральным законом был введен временный (на 5 лет) запрет на клонирование человека, но срок его действия истек в 2007 г., и вопрос остается открытым.
Рынок биотехнологий
Параллелей с современным биотехом у ИТ гораздо больше, чем может показаться на первый взгляд. Информационные технологии не появились сами по себе, их расцвету предшествовали фундаментальные открытия в физике, физике материалов, вычислительной математике и кибернетике. В результате сегодня ИТ – это область «легких стартапов», от возникновения идеи до принесения прибыли в которых проходит совсем немного времени, и мало кто задумывается о той работе, которая была проделана до сегодняшнего дня.
Ситуация с биотехнологиями аналогична, просто мы сейчас находимся на более раннем этапе, когда ещё идет разработка инструментов, программ. Биотехнологии ждут появления своего «персонального компьютера»”, только в нашем случае он не будет понятным массовым устройством – речь идёт скорее о наборе эффективных и недорогих инструментов.
Можно сказать, что сейчас ситуация подобна той, что была в 1990-е в ИТ. Технологии все еще развиваются и стоят достаточно дорого. Например, полное секвенирование человека стоит $1000. Это намного дешевле, чем цена в $3,3 млрд. у Human Genome Project, но она все еще невероятно высока для обывателя, а её применение для клинической диагностики на широком уровне пока еще невозможно. Для этого нужно, чтобы технология подешевела ещё раз в 10 и улучшила технические свойства настолько, чтобы ошибки секвенирования были нивелированы. В биотехе пока нет таких мощных проектов, как Facebook, но Illumina, Oxford Nanopore, Roche – всё это крайне успешные компании, чья деятельность часто напоминает Google, скупающий интересные стартапы. А Nanopore, например, стали миллиардерами, еще не выйдя на рынок, благодаря сочетанию хорошей исходной идеи, менеджмента и успехов в привлечении финансирования.
Сегодня биотехнологии – это ещё и рынок больших данных, и это продолжает параллели с ИТ, который в данном случае служит уже своего рода инструментом для более крупного и сложного биотеха. Такие компании как Editas Medicine (одни из создателей нашумевшей технологии редактирования генома CRISPR/Cas9) сделали свой IP на результатах секвенирования геномных данных бактерий из открытых источников. Они далеко не первыми стали пожинать плоды от накопленной информации, они даже не были первыми, кто открыл принцип действия кластера CRISPR, однако именно Editas Medicine создали биотехнологический продукт. Сегодня это компания стоимостью более $1 млрд.
И это не единственный бизнес, который возникнет благодаря анализу уже существующих данных. Более того, нельзя сказать, что за такими данными стоит очередь – их уже гораздо больше, чем можно проанализировать, а будет ещё больше, ведь учёные не перестают секвенировать. К сожалению, методы анализа еще несовершенны, поэтому не всем удается превратить данные в многомиллиардный продукт. Но если мы прикинем скорость развития инструментов анализа (подсказка: она очень высокая), несложно понять, что в будущем компаний, заметивших в больших данных генома что-то интересное, станет гораздо больше.
Может ли Россия стать биотехнологической страной?
Основная проблема биотехнологий в России – это не запрет ГМО, как многим кажется, а большое количество всевозможных бюрократических барьеров. Этот факт отмечают и в правительстве. Но даже к барьерам можно приспособиться. Последние 26 лет мы развиваемся под прессом реформ, постоянной смены правил игры, а бизнесу нужна стабильность и уверенность в том, что не будет происходить никаких потрясений.
Если российским биотехнологиям не мешать, они начнут развиваться. Также хочется отметить, что необдуманное желание помогать, те самые непродуманные госинвестиции, на самом деле, приводят к противоположному результату – субсидирование приучает компании к тому, что они будут поддерживаться государством постоянно. Как показывает практика, компании на госинвестициях становятся не эффективными. Везде нужна здоровая конкуренция, поэтому первоначальные вклады должны идти даже не от государства, а от бизнеса, который должен чувствовать уверенность в завтрашнем дня, с чем у нас пока проблемы.
Самое правильное для государства – это инвестировать в создания оптимальной среды для биотеха. У нас есть и умы, и люди с энергией и желанием созидать – важно не дать этому желанию пропасть.
Сегодня биотехнологии находятся в фазе интенсивного роста, но уже можно представить вектор их развития. Ведь сам смысл технологий не изменится, как он не изменился после появления компьютера: его идея в 1951 году не особо отличалась от той, что стоит за современными компьютерами. Существенно отличается только функционал и производительность. То же самое произойдёт и с биотехнологиями, а драйвер их развития даже понятнее – это вечное желание людей быть здоровыми и жить долго, не соблюдая при этом всех сложных правил здорового образа жизни. Поэтому в самом ближайшем будущем нас ждёт расцвет биотехнологий, и в конечном счёте это прекрасные новости для всего человечества.
Сегодня перед биотехнологом стоит много нерешённых технологических задач. Можно изменять биологические организмы для обеспечения потребностей людей с помощью клеточных и генно-инженерных методов. Например, улучшать качество продуктов, получать новые виды растений и модифицировать животных, придавать живым организмам необходимые свойства и создавать новые лекарственные препараты методами генной инженерии, искусственного отбора, гибридизации.
Однако, чтобы работать биотехнологом, нужно знать не только генетику, молекулярную биологию, биохимию, клеточную биологию, но также ботанику, химию, математику, информационные технологии, физику и другое. Грубо говоря, биотехнологи - это инженеры в области естественных и точных наук. Генеральный директор инновационной биотехнологической Biocad Дмитрий Морозов рассказал об этой интересной профессии и будущем биотехнологий.
Biocad - это международная инновационная биотехнологическая компания. В ней есть научно-исследовательский центр, проводятся доклинические и клинические исследования собственных фармацевтических препаратов. Департамент перспективных исследований Biocad занимается разработкой лекарственных препаратов передовой генной и клеточной терапии, а, кроме того, поиском и анализом сигнальных путей, закономерностей и мишеней, которые позволяют разрабатывать препараты превентивной медицины.
Дмитрий Морозов,
генеральный директор компании Biocad
Что такое биотехнология?
Биотехнология - это использование живых систем, клеток, организмов для практических нужд человека. То есть использование современной науки для манипуляции с живыми объектами, чтобы получить некую выгоду и улучшить жизнь человека.
Биотехнология отталкивается от потребностей. Например, не зря люди ездят на север и изучают гейзеры. Они понимают, что 10 лет могут искать и ничего не найти. Но они всё равно это делают, потому что рано или поздно найдут какую-нибудь бактерию, которая позволит делать дешёвое биотопливо, используя один ген этой бактерии. Так или иначе каждый человек, когда занимается наукой, надеется её применить (кроме теоретических физиков, хотя, наверное, они тоже захотели бы в космос полететь). В компании Biocad мы используем микроорганизмы для создания лекарств.
В биотехнологии много дисциплин, и все успешные проекты и направления связаны с их комбинацией.
Говорят, все открытия происходят на стыке разных специальностей: математика, биология - биоинформатика; биология, химия - биохимия; медицина, информатика, биология - биомедицинская информатика. Это всё отдельные блоки, которыми занимаются разные люди. Биотехнология сегодня, наверное, более всего уделяет внимание созданию лекарств разных типов. Кроме фармацевтического направления биотехнологии интересно сельское хозяйство (улучшение свойств еды), экология, энергетика (получение биотоплива) и прочее. И, конечно, в будущем можно думать о коррекции человека.
Генная инженерия и биотехнология
В биотехнологии важное место занимает генная инженерия. Она широко распространена в исследованиях, однако вовсе не обязательно использовать её методы, чтобы получить полезные свойства у объекта. Например, можно разобраться в особенностях метаболизма организма: как он живёт в нормальной среде обитания и что получится, если мы переведём его в другую среду обитания, с другими питательными факторами, в другую атмосферу - возможно, это поможет ему в итоге, и это может быстрее размножаться. Но это же не генная инженерия.
Биотехнология - это манипуляции со знаниями, которые есть о данном объекте. Генная инженерия просто расширяет круг возможностей, разных комбинаций, даёт возможность совершать манипуляции на уровне молекул, поэтому более точна.
Биотехнология на самом деле существует столько, сколько сельское хозяйство. В сельском хозяйстве часто есть конкретная практическая цель - например, вывести породу быстрых лошадей или устойчивое к холоду растение. Этим люди занимаются уже сотни лет с помощью селекции, которая на самом деле является генетическим методом отбора.
Биотехнологическая этика: как общество относится к биотеху?
Люди по-разному воспринимают нововведения в биотехнологии. Есть негативные и позитивные примеры восприятия.
Негативные - это, например, мнение, что внедрение нового приведёт к появлению вирусов, которые будут распространяться по всему миру и от которых нет ни вакцины, ни лечения, и что периодические эпидемии именно с этим и связаны.
Из позитивных - например, можно создать вирус, который на время меняет цвет глаз. Постепенно они становятся своего цвета, и каплями антибиотиков можно снова сделать их голубыми. Это мало связано со здравоохранением в привычном смысле, но всё равно здорово. Подобные манипуляции уже в теории можно делать, и к таким технологиям общество относится позитивно и с улыбкой. Однако в целом люди боятся внедрения новых технологий. Да и чтобы внедрить новое, нужно на высшем уровне обсудить этические вопросы того или иного воздействия препарата, и обычно это происходит долго.
Биотехнология в Biocad: лечение нуклеиновой кислотой
Два года назад в Biocad мы открыли Департамент перспективных исследований, основная цель которого - создание лекарственных продуктов передовой генной терапии. Этот термин объединяет три группы лекарственных препаратов, которые не похожи на все остальные лекарства, к которым мы привыкли.
Во-первых, это препараты для генной терапии, во-вторых, это препараты, в основе которых лежит манипуляция с соматическими и стволовыми клетками человека, в-третьих, это препараты тканевой инженерии.
В основе действия классических лекарств лежит либо малая молекула химической природы, либо какой-то белок, например, антитело, который можно легко получить с помощью биотехнологических методов. В нашей разработке лекарственным веществом, то есть действующим фактором, является нуклеиновая кислота РНК или ДНК.
Это новый способ воздействия на организм человека. Это направление не так давно стало бурно развиваться, поэтому к нему пока что относятся с осторожностью.
Как работают препараты для генной терапии
Наше лекарство - это рекомбинантный вирус, наночастица на базе вируса, внутри которой находится ген, которого недостаёт больному человеку. Направлены эти продукты, как правило, на заболевания, которые плохо поддаются лечению (наследственные заболевания с тяжёлыми проявлениями вплоть до летального исхода в раннем возрасте: дистрофия, нарушение зрения, световосприятия, иммунодефициты). Это в основном моногенные заболевания, в которых проявление болезни обусловлено дефектом одного гена. В таких случаях они очень хорошо лечатся. В лаборатории мы создаем терапевтические вирусные частицы, а биоинформатики помогают нам моделировать их работу.
В случае полигенных заболеваний , например, рака, можно использовать методы генной терапии для модификаций клеток иммунной системы человека, чтобы получать иммунные клетки с высокой специфичностью к опухолевым клеткам. В лабораториях наши учёные осуществляют полный цикл разработки этих двух типов продуктов (от идеи до создания прототипов, готовых для тестирования на животных). Такого в России нет, наверное, нигде.
Перспективные исследования в биотехнологии
медицина будущего: Развитие новых типов лекарств
Наш департамент назван по аналогии с Управлением перспективных исследовательских проектов США (DARPA). Они пытаются внедрять достижения науки в целях увеличения обороноспособности страны - это ускоренная регенерация, универсальные доноры, оружие и прочее.
Возможно, в ближайшие 5-10 лет благодаря взаимосвязи кибернетики и биотехнологии действительно будут созданы умные лекарства. Например, создание очень маленьких чипов : это капсула или робот с частицами лекарственного средства, циркулирующие в крови, из которых в зависимости от состояния человека нужное вещество будет впрыскиваться в кровь. Подобным занимаются, например, в MIT. Уже есть успешные примеры: в зависимости от уровня глюкозы в организм вбрасывается инсулин, что минимизирует степень инвазивности лечебной процедуры. Человек один раз внедрил чип, сделал инъекцию и на очень длительное время забыл, что нужно принимать лекарство.
Даже известный футуролог Рэй Курцвелл говорит, что люди начнут жить дольше с помощью нанороботов к 2025 году. Скорее всего, он имеет ввиду препараты, которые будут бороться с онкологическими заболеваниями.
Нанороботы - новый формат препаратов, потому что с точки зрения веществ, из которых состоят лекарства, люди уже всё сделали. Мы ничего больше предложить не можем - типов химических соединений, которые можно использовать для терапии немного. Это либо белки, либо малые молекулы, либо нуклеиновые кислоты , которые теперь тоже применяются.
Вариантов и тех, и других, и третьих, конечно, можно сделать безграничное количество, но они имеют ограниченный потенциал применения, так как работают по общим химическим принципам. По-другому воздействовать на клетку уже никак невозможно.
Поэтому в будущем главным вопросом будет доставка нанороботами этих трёх «блоков», что приведет к появлению новых форматов терапии.
Конечно, большинство хочет просто принять таблетку, но не все лекарственные вещества можно в неё «вложить». Более простой вариант - капсула. Более эффективный - инъекция и суппозитории. И если был бы какой-то универсальный способ лечения, например, закалывать какой-то чип с концентратом лекарственного средства под кожу, но раз в год, думаю, многие бы на это пошли.
Фото предоставлено компанией Biocad.
Диагностика заболеваний
Развитие малоинвазивных методов диагностики будет нужно человеку, чтобы, грубо говоря, по капле крови можно было быстро определять состояние человека: есть ли у него онкологическое заболевание и, если да, то есть ли метастазы, что за рак и прочее.
Сейчас это можно делать по определённому количеству миллилитров крови с помощью высокопроизводительных методов, но пока это довольно дорого. Мы идём к индивидуальному профилированию человека, чтобы знать про себя всё до уровня молекулы. Человек будет понимать, что конкретно с ним происходит в данный момент.
Может возникнуть нечто вроде социальной сети профайлов, где будут храниться все данные - например, по экспрессии генов за последний месяц. Кажется, что здесь всё легко, но на самом деле это миллиарды последовательностей, сотни генов с разными мутациями, разной степени значимости. Поэтому нужен будет новый класс врачей-теоретиков, которые будут уметь интерпретировать это огромное количество данных.
Регенерация, искусственный интеллект
Наверное, в будущем мы научимся регенерировать ткани и органы. Уже сейчас выращивают органы с нуля до реального размера из клетки благодаря 3D-печати. Также пытаются восстанавливать спинной мозг после травмы - печатать нейроны в месте повреждения. Иными словами, прививать человеку его же клетки, размноженные в лабораторных условиях.
Также учёные будут больше использовать искусственный интеллект и нейросети, чтобы создавать новые лекарственные препараты. Самообучающийся ИИ должен будет сам накапливать достаточное количество знаний, которые позволят ему давать правильные ответы. Если это не контролировать, может, наверное, произойти катастрофа, но, с другой стороны, он сможет значительно развязать руки исследователям и дать возможность генерировать новые идеи, ведь ИИ будет брать на себя все рутинные процедуры.
