Нанобиотехнология

В проблемных научных статьях можно встретить  рассчитанные на эффект и свободные  от каких-либо догм высказывания о биотехнологии  некоторых крупных экспериментаторов, носящие своего рода мировоззренческий  характер, например: «Биотехнология —  это приближение к Богу». Здесь  подразумевается, что такая кардинальная цель молекулярной биологии и молекулярной генетики как познание генома человека — это заигрывание с Богом, а последующее оперирование геномом, его совершенствование (область  биотехнологии) — попытка человека приблизиться по могуществу к Богу.

 

2. Этапы развития  биотехнологии

В развитии биотехнологии выделяют следующие  периоды:

эмпирический,

научный,

современный (молекулярный).

Последний специально отделяется от предыдущего, так как биотехнологи уже могут создавать и использовать в производстве неприродные организмы, полученные генно-инженерными методами.

1) Эмпирическая  биотехнология неотделима от  цивилизации, преимущественно как  сфера производства (с древнейших  времен — приготовление теста,  получение молочнокислых продуктов,  сыро-, виноделие, пивоварение, ферментация табака и чая, выделка кож и обработка растительных волокон). В течение тысячелетий человек применял в своих целях ферментативные процессы, не имея понятия ни о ферментах, ни о клетках с их видовой специфичностью и, тем более, генетическим аппаратом. Причем прогресс точных наук долгое время не влиял на технологические приемы, используемые в эмпирической биотехнологии.

2) Быстрое  развитие биотехнологии как научной  дисциплины с середины XIX в. было инициировано работами Л. Пастера (1822 — 1895).

Именно Л.Пастер ввел понятие биообъекта, не прибегая, впрочем, к такому термину, доказал «живую природу» брожений: каждое осуществлявшееся в производственных условиях брожение (спиртовое, уксусно-, молочнокислое и т.д.) вызывается своим микроорганизмом, а срыв производственного процесса обусловлен несоблюдением чистоты культуры микроорганизма, являющегося в данном случае биообъектом.

Практическое  значение этих исследований Л. Пастера  сводится к требованию поддержания  чистоты культуры, т.е. к проведению производственного процесса с индивидуальным, имеющим точные характеристики биообъектом.

Позднее, приступив  к работам в области медицины, Л. Пастер исходил из своей концепции  о причине заразных болезней, сводя  ее в каждом случае к конкретному, определенному микроорганизму. Хотя техника того времени не позволяла  увидеть возбудителя инфекции, как, например, в случае вируса бешенства, однако Л.Пастер считал, что «мы его не видим, но мы им управляем». Целенаправленное воздействие на возбудителя инфекции (в целях ослабления его патогенности) позволяет получать вакцины.

Ослабленный патоген и животное, в организм которого он введен, могут рассматриваться  как своеобразный биообъект, а получаемая вакцина - как биотехнологический препарат. Л. Пастер создал строго научные основы получения вакцин, тогда как замечательные  достижения Э.Дженнера в борьбе с оспой были результатом освоения эмпирического опыта индийской медицины.

3) Современная  биотехнология, основанная на  достижениях молекулярной биологии, молекулярной генетики и биоорганической  химии (на практическом воплощении  этих достижений), выросла из биотехнологии  Л.Пастера и, являясь также строго научной, отличается от последней прежде всего тем, что способна создавать и использовать в производстве неприродные биообъекты, что отражается как на производственном процессе в целом, так и на свойствах новых биотехнологических продуктов.

Говоря о  биотехнологии, нельзя не упомянуть  публикацию в 1953 г. первого сообщения  о двуспиральной структуре ДНК, ставшего основополагающим для возникновения  указанных фундаментальных дисциплин, достижения которых реализуются  в современной биотехнологии.

В результате серий публикаций в 1960-х гг. в литературу были внедрены принципиально важные для биотехнолога понятия «оперон» и «структурный ген».

В 1973 г. было опубликовано сообщение об успешном переносе генов из одного организма  в другой — в сущности, уже  о технологии рекомбинантной ДНК, определяющей возникновение генетической инженерии.

В 1980 г. Верховный  суд США признал, что генно-инженерные микроорганизмы могут быть запатентованы, а развитие биотехнологических методов  получило юридический статус.

В 1990 г. произошли  два принципиально важных события: была разрешена генотерапия (но только применительно к соматическим клеткам человека, т.е. без передачи чужого гена потомству) и утвержден международный проект «Геном человека». Образно говоря, человеку было юридически разрешено познавать свою сущность.

В настоящее  время интенсивно растет количество таких успешно применяемых в  медицине биотехнологических продуктов, как рекомбинантные белки, вторичные  метаболиты микроорганизмов и растений, а также полусинтетических лекарственных  агентов, являющихся продуктами одновременно био- и оргсинтеза.

В последние  годы родилась новая отрасль генетики - геномика, изучающая не отдельные гены, а целые геномы. Достижения молекулярной биологии и генной инженерии дали человеку возможность читать генетические тексты вначале вирусов, бактерий, дрожжевых грибков, многоклеточных животных. Например, знание геномной структуры патогенных бактерий очень важно при создании рационально сконструированных вакцин, для диагностики и других медицинских целей.

Апрель 2003 года ознаменовался сенсацией в биологии и медицине: Международный консорциум по составлению генетической карты человека (Центр геномного секвенирования: Вашингтонский университет и Сенгеровский центр в Кембридже) опубликовал заявление, что удалось полностью расшифровать геном человека. Титанический труд сотен исследователей из США, Великобритании, Германии, Франции, Японии и Китая занял более 10 лет и обошелся почти в 3 млрд долларов. При этом были разработаны высокоэффективные технологии и инструменты картирования, такие как коллекции клеток, в которых есть небольшие фрагменты каждой из хромосом или искусственные дрожжевые хромосомы, содержащие крупные фрагменты хромосом человека, бактериальные и фаговые векторы, позволяющие размножить (клонировать) фрагменты ДНК человека. Быстро прогрессировала техника секвенирования (например, многоканальный капиллярный электрофорез ускорил и удешевил расшифровку первичной структуры ДНК). Созданы компьютерные программы, позволяющие находить гены в расшифрованных участках ДНК.

 

3. История  развития биотехнологии (даты, события).

1917 - введен  термин биотехнология;

- произведен  в промышленном масштабе пенициллин;

- показано, что генетический материал представляет  собой ДНК;

1953 - установлена  структура инсулина, расшифрована  структура ДНК;

1961 - учрежден журнал «Biotechnology and Bioengineering»;

1961-1966 - расшифрован  генетический код, оказавшийся  универсальным для всех организмов;

1953 - 1976 - расшифрована  структура ДНК, ее функции в  сохранении и передаче организмом  наследственной информации, способность  ДНК организовываться в гены;

1963 - осуществлён  синтез биополимеров по установленной  структуре;

1970 - выделена  первая рестрикционная эндонуклеаза;

- осуществлён  синтез ДНК;

1972 - синтезирован  полноразмерный ген транспортной РНК;

1975 - получены  моноклональные антитела;

1976 - разработаны  методы определения нуклеотидной  последовательности ДНК;

1978 - фирма  «Genentech» выпустила человеческий инсулин, полученный с помощью Е. соli;

- синтезированы  фрагменты нуклеиновых кислот;

- разрешена  к применению в Европе первая  вакцина для животных, полученная  по технологии рекомбинантных  ДНК;

1983 - гибридные  Ti - плазмиды применены для трансформации растений;

1990 - официально  начаты работы над проектом  «геном человека»;

1994 - 1995 - опубликованы  подробные генетические и физические  карты хромосом человека;

1996 - ежегодный  объем продаж первого рекомбинантного  белка (эритропоэтина) превысил 1 млрд долларов;

1997 - клонировано  млекопитающее из дифференцированной  соматической клетки;

2003 - расшифрован  геном (набор генов, присущий  организму) человека, содержащий  приблизительно 30 тысяч генов и  три миллиарда «букв» молекул  ДНК.

4. Новые технологии  в биоформацевтике

Сегодня человечество совершенно справедливо полагает, что  биотехнологические науки занимают приоритет в области современных  высоких технологий. Сиквенирование геномов и валидация новых мишеней для действия лекарственных соединений является одним из перспективных направлений современной фармакологии. Учитывая, что появились новые принципиальные возможности для сиквенирования, встает вопрос о генетической паспортизации населения, когда каждому будет выдан его генетический паспорт, и человек будет решать проблемы своего здоровья. Важнейшим достижением прошлого века являются стволовые клетки, что стало возможным благодаря развитию всей эмбриологии и цитологии. Это позволило подойти к разработке путей создания искусственных органов, получать новые вещества, специфически влияющие на органы-мишени.

На современном  этапе развития биотехнологии большое  внимание уделяется разработке подходов к созданию новых процессов в  медицинской биотехнологии. Это  различные методы модификации микроорганизмов, растений и животных, в т.ч. культивирование растительных клеток как источника получения новых веществ; конструирование молекул, нанотехнологии, компьютерное моделирование, биокаталитическая трансформация веществ и т.д.

Так, например, существуют многочисленные разработки лекарственных препаратов, созданных  на основе морских организмов. Использование  морских природных соединений в  качестве основы лекарств - весьма перспективный  путь создания новых фармацевтических препаратов, особенно методами биотехнологии. Коллекция морских микроорганизмов  ТИБОХ, из которых можно продуцировать  биологически-активные соединения, содержит 800 штаммов бактерий, актиномицетов  и грибов. Эти штаммы можно культивировать, что важно для решения проблемы сохранения биологического равновесия.

Таким образом, в получении лекарственных препаратов, производимых биотехнологическим способом, можно выделить как бы два пула — новые соединения, получаемые с помощью биотехнологических процессов, комбинаторной химии, и новые  мишени, которые идентифицируются в  процессе изучения геномов. Это дает возможность отбирать молекулы, обладающие новыми биологическими и физиологическими свойствами, которые и будут выполнять роль лекарств.

Прежде всего, обратимся к медицинской ветви  биотехнологии. Рассматривая различные  классы соединений, используемые в  клинической практике, и получаемые методами биотехнологии, в первую очередь, необходимо назвать антибиотики - самый  большой класс фармацевтических соединений, синтез которых осуществляется микробными клетками. К этому же классу относятся противогрибковые агенты, противоопухолевые лекарства  и алкалоиды. Производство антибиотиков исчисляется тысячами тонн. Пенициллины, как известно, были выделены при  выращивании грибов рода Penicillium. В 1945 г. из пробы морской воды была выделена плесень Cephalosporium acremonium, синтезирующую несколько антибиотиков; один из них, цефалоспорин С, оказался особенно эффективен против устойчивых к пенициллину грамположительных бактерий.

Из нескольких тысяч открытых антибиотиков львиная  доля принадлежит актиномицетам. Среди  актиномицетов наибольший вклад  вносит род Streptomyces, один только вид Streptomyces griseus синтезирует более пятидесяти антибиотиков. Начиная с середины 1960-х гг. в связи с возросшей сложностью выделения эффективных антибиотиков и распространением устойчивости к наиболее широко применяемым соединениям у большого числа патогенных бактерий исследователи перешли от поиска новых антибиотиков к модификации структуры уже имеющихся. Они стремились повысить эффективность антибиотиков, найти защиту от инактивации ферментами устойчивых бактерий и улучшить фармакологические свойства препаратов. Антибиотики вырабатываются в результате совместного действия продуктов 10—30 генов, поэтому практически невозможно обнаружить отдельные спонтанные мутации, которые могли бы повысить выход антибиотика с нескольких миллиграммов на литр в штамме дикого типа до 20 г/л и более. Такие высокопродуктивные штаммы Penicillium chrysogenum или Streptomyces auerofaclens (продуценты пенициллина или тетрациклина) были получены в результате последовательных циклов мутагенеза и селекции. Определенные мутанты, так называемые идиотрофы, способны синтезировать только половину молекулы антибиотика, а среда должна быть обогащена другой ее половиной. Такая форма мутационного биосинтеза привела к открытию новых производных антибиотиков.

Число противоопухолевых  веществ микробного происхождения  довольно ограниченно. Блеомицин, выделенный из культур Streptomyces verticilliis, представляет собой гликопептид, который действует, разрывая ДНК опухолевых клеток и нарушая репликацию ДНК и РНК. Другая группа противоопухолевых агентов создана на основе комбинации аминогликозидной единицы и молекулы антрациклина. Недостатком обоих соединений является их потенциальная опасность для сердца.

Антибиотики используются грибами и актиномицетами в конкурентной борьбе в естественной среде обитания. Человек применил эти соединения для терапии инфекционных и онкологических заболеваний. Это  явилось своеобразным толчком эволюционных преобразований в микробной среде, стали возникать устойчивые штаммы бактерий. В связи с этим вновь  возникла проблема создания нового поколения  более эффективных антибиотиков. В настоящее время протокол лечения  инфекционной и хирургической патологии  обязательно включает антибиотики. Но, имея неоспоримые преимущества, антибиотики оказывают на организм человека и негативное влияние: нарушается микрофлора желудочно-кишечного тракта, возможны осложнения в функционировании почек и печени, подавляется работа иммунной системы. Поэтому современные  схемы лечения являются комплексными и направлены на поддержание адаптационных  возможностей человека.