Несмотря на то что в настоящее время препараты и продукты, получаемые в процессах промышленной («белой») биотехнологии, главенствуют на рынке биотехнологических продуктов, наиболее впечатляющие успехи и прорывы в этой области связаны с использованием достижений клеточной и генетической инженерии.

Геномика - это направление биотехнологии, занимающееся изучением геномов и ролей, которые играют различные гены, индивидуально и в комплексе, в определении структуры, направлении роста и развития и регуляции биологических функций. Различают структурную и функциональную геномику.

Предмет структурной геномики - создание и сравнение различных типов геномных карт и крупномасштабное секвенирование ДНК. Проект по изучению человеческого генома (Human Genome Project) и менее известная Программа по изучению растительных геномов (Plant Genome Research Program) являются самыми масштабными исследованиями структурной геномики. В задачи структурной геномики входят также идентификация, локализация и составление характеристик генов.

В результате осуществления частных и государственных проектов по структурной геномике созданы карты геномов и расшифрованы последовательности ДНК большого количества организмов, в том числе сельскохозяйственных растений, болезнетворных бактерий и вирусов, дрожжей, необходимых для приготовления некоторых продуктов питания и производства пива, азотфиксирующих бактерий, малярийного плазмодия и переносящих его комаров, а также микроорганизмов, используемых человеком в самых разнообразных промышленных процессах. В 2003 г. завершен Проект по изучению генома человека.

Предмет и область функциональной геномики - секвенирование геномов, идентификация и картирование генов, выявление функций генов и механизмов регуляции. Для понимания различий между видами основную роль играет не знание количества генов, а понимание того, как они различаются по составу и функциям, знание химических и структурных различий в генах, которые и лежат в основе различий организмов. Эволюционный анализ постепенно становится главным приемом выяснения функций и взаимодействий генов в пределах генома.

Благодаря тому, что генетический код универсален и все живые организмы способны расшифровывать генетическую информацию других организмов и осуществлять заложенные в ней биологические функции, любой ген, идентифицированный в ходе того или иного геномного проекта, может быть использован в широком спектре практических приложений:
- для целенаправленного изменения свойств растений и придания им желаемых признаков;
- выделения специфических рекомбинантных молекул или микроорганизмов;
- идентификации генов, участвующих в осуществлении сложных процессов, контролируемых множеством генов, а также зависящих от влияния окружающей среды;
- обнаружения микробных заражений клеточных культур и др.

Протеомика - это наука, занимающаяся изучением структуры, функций, локализации и взаимодействия белков внутри клетки и между клетками. Набор белков клетки называется ее протеомом. По сравнению с геномикой, протеомика ставит перед исследователями гораздо более многочисленные и трудные задачи. Структура белковых молекул гораздо сложнее, чем структура молекул ДНК, которые представляют собой линейные молекулы, состоящие из четырех нерегулярно повторяющихся элементов (нуклеотидов).

Форма, которую принимает белковая молекула, зависит от последовательности аминокислот, однако все механизмы скручивания и складывания аминокислотной цепочки до конца не изучены. Задачей исследователей, работавших над программой Human Genome Project, была разработка методов, которые позволили бы добиться поставленных целей.

Ученые, занимающиеся протеомикой, и сейчас находятся в подобном положении: им необходимо разработать достаточное количество методов и приемов, которые могли бы обеспечить эффективную работу над огромным количеством вопросов:
- каталогизацию всех белков, синтезируемых различными типами клеток;
- выяснение характера влияния возраста, условий окружающей среды и заболеваний на синтезируемые клеткой протеины;
- выяснение функций идентифицированных белков;
- изучение взаимодействий различных белков с другими белками внутри клетки и во внеклеточном пространстве.

Потенциал белковой инженерии позволяет улучшать свойства используемых в биотехнологии белков (ферментов, антител, клеточных рецепторов) и создавать принципиально новые протеины, пригодные в качестве лекарственных препаратов, для обработки и улучшения питательных и вкусовых качеств пищевых продуктов. Наиболее значительны успехи белковой инженерии в биокатализе. Разработаны новые типы катализаторов, в том числе с применением техники иммобилизации ферментов, способные функционировать в неводной среде, при значительных сдвигах рН и температуры среды, а также растворимые в воде и катализирующие биологические реакции при нейтральном рН и при сравнительно низких температурах.

Технологии белковой инженерии позволяют получать новые типы белков биомедицинского назначения, например способных связываться с вирусами и мутантными онкогенами и обезвреживать их; создавать высокоэффективные вакцины и белки-рецепторы клеточной поверхности, выполняющие функцию мишени для фармацевтических препаратов, а также связывания вещества, и биологические агенты, которые могут быть использованы для химических и биологических атак. Так, ферменты гидролазы способны обезвреживать как нервно-паралитические газы, так и используемые в сельском хозяйстве пестициды, а их производство, хранение и применение не опасно для окружающей среды и здоровья людей.

Новейшие биотехнологические методы позволяют диагностировать многие заболевания и патологические состояния экспрессно и с высокой точностью. Так, для постановки стандартного теста определения присутствия в крови липопротеидов низкой плотности («плохого» холестерина) требуется провести три отдельных дорогостоящих анализа: выявление содержания общего холестерина, триглицеридов и липопротеидов высокой плотности. Кроме этого, в течение 12 ч до проведения теста пациенту рекомендуется воздержаться от приема пищи.

Новый биотехнологический тест состоит из одного этапа и не требует предварительного голодания. Эти тесты, помимо быстродействия, существенно снижают стоимость диагностики. К настоящему моменту разработаны и применяются биотехнологические тесты для диагностики некоторых видов опухолевых процессов, требующих для реализации небольшое количество крови, что исключает тотальную биопсию на начальных стадиях диагностики.

Кроме снижения стоимости, повышения точности и скорости диагностики, биотехнология позволяет диагностировать заболевания на гораздо более ранних этапах, чем это было возможно ранее. Это, в свою очередь, обеспечивает гораздо более высокие шансы пациентов на излечение. Новейшие биотехнологические методы протеомики дают возможность идентифицировать молекулярные маркеры, сигнализирующие о приближающейся болезни, еще до появления регистрируемых клеточных изменений и симптомов заболевания.

Огромное количество информации, ставшее доступным в результате успешного завершения проекта «Геном человека», должно сыграть особую роль в разработке методов диагностики наследственных заболеваний, таких как диабет I типа, муковисцидоз, болезни Альцгеймера и Паркинсона. Ранее заболевания этого класса диагностировали только после появления клинических симптомов; новейшие методы позволяют до появления клинических признаков определить группы риска, предрасположенные к заболеваниям такого рода.

Разработанные с помощью биотехнологии диагностические тесты не только повышают уровень диагностики заболеваний, но и улучшают качество медицинского обслуживания. Большинство из биотехнологических тестов портативны, что позволяет врачам проводить тестирование, интерпретировать результаты и назначать соответствующее лечение буквально у постели больного. Биотехнологические методы выявления патогенов важны не только для диагностики заболеваний.

Один из самых наглядных примеров их использования - скрининг донорской крови на наличие ВИЧ-инфекции и вирусов гепатита В и С. Возможно, со временем биотехнологические подходы дадут возможность врачам определять характер инфекционного агента и в каждом конкретном случае подбирать наиболее эффективные антибактериальные препараты не за неделю, как это делается современными методами, а за считанные часы.

Внедрение биотехнологических подходов со временем позволит врачам не только улучшить существующие методы терапии, но и разработать принципиально новые, полностью основанные на новых технологиях. На настоящий момент целый ряд биотехнологических методов лечения одобрен Управлением США по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA). В список заболеваний, подлежащих таким методам терапии, входят: анемия, муковисцидоз, задержка роста, ревматоидный артрит, гемофилия, гепатит, остроконечные кондиломы, отторжение трансплантата, а также лейкемия и ряд других злокачественных заболеваний.

Использование биотехнологических методов позволяет создавать так называемые «съедобные вакцины», синтезируемые генетически модифицированными растениями и животными. Так, созданы генетически модифицированные козы, молоко которых содержит вакцину от малярии. Получены обнадеживающие результаты в клинических испытаниях бананов, содержащих вакцину от гепатита, и картофеля, содержащего вакцины против холеры и патогенных штаммов кишечной палочки. Такие вакцины (например, в виде сублимированного порошка для изготовления напитков), не требующие замораживания, стерилизации оборудования или закупки одноразовых шприцов, особенно перспективны для применения в развивающихся странах.

В процессе разработки также находятся вакцины-пластыри против столбняка, сибирской язвы, гриппа и кишечной палочки. Уже получены трансгенные растения, синтезирующие терапевтические белки (антитела, антигены, факторы роста, гормоны, ферменты, белки крови и коллаген). Эти белки, производимые с помощью различных сортов растений, в том числе люцерны, кукурузы, ряски, картофеля, риса, подсолнечника, сои и табака, являются основными компонентами инновационных методов терапии ряда онкологических заболеваний, СПИДа, болезней сердца и почек, диабета, болезни Альцгеймера, болезни Крона, муковисцидоза, рассеянного склероз, повреждения спинного мозга, гепатита С, хронических обструктивных заболеваний легких, ожирения, онкологических заболеваний и др.

Клеточные технологии находят все более широкое применение для селекции, размножения и повышения продуктивности полезных растений, а также получения биологически активных веществ и лекарственных препаратов.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова

Биоинженерия – одно из перспективнейших научных направлений, при помощи которой можно создать новые органы или даже части тела для их дальнейшей пересадки живому человеку. В отдаленной перспективе биоинженерия позволит больному человеку получить новый глаз, сердце и другие жизненно необходимые органы.

Многие считают, что биоинженеры пытаются «играть в Бога», а их достижения могут быть использованы не для спасения жизней, а для совершенствования человеческого тела вопреки законам природы. Сейчас это кажется фантастикой, но последние достижения биоинженерии говорят об обратном.

Ухо

Человеческое ухо является достаточно сложным по своему строению органом. Однако биоинженерия, как оказалось, способна на многое. Так, ученым Принстонского университета во главе с доцентом Майклом МакАлпайном удалось-таки создать искусственное человеческое ухо, которое они представили в мае 2013 года. Для этого биоинженеры использовали технологию трехмерной печати, при помощи которой создали ухо из животных клеток с применением электронных приборов. Если его пересадить человеку, то он сможет улавливать ранее недоступные ему радиочастоты.

Кровеносные сосуды

Кровеносная система человека представляет собой очень сложный механизм, сбой в которой грозит диабетом, сердечно-сосудистыми и почечными заболеваниями. Но биоинженерия творит чудеса. В 2011 году специалистам компании Cytograft Tissue Engineering удалось создать искусственные кровеносные сосуды. Они были вживлены трем пациентам, страдающим почечными заболеваниями. Результаты эксперимента поразили ученых: через 8 месяцев после операции созданные при помощи биоинженерии кровеносные сосуды по-прежнему исправно работали.

Сердце

В 1980-х годах кардиохирурги совершили настоящий прорыв, пересадив человеку искусственное сердце. Конечно, живое сердце трудно заменить, но с развитием науки достижения биоинженерии позволили усовершенствовать искусственное сердце использованием биологических материалов, а специалистам Массачусетского технологического института и вовсе удалось напечатать сердце на 3D-принтере из клеток грызунов. Будем надеяться, что уже скоро достижения биоинженерии позволят «напечатать» искусственное человеческое сердце, не уступающее настоящему.

Печень

Биоинженерия уже близка к созданию искусственной человеческой печени. Так, миниатюрные образцы этого органа были созданы в 2010 году специалистами Балтийского медицинского центра при Университете Уэйк Форест с применением животных и человеческих клеток. Кроме того, в Йокогамском университете был проведен эксперимент, в результате которого были созданы «зародыши» печени. Но для создания функционирующего органа потребуются тысячи таких элементов.

Трахея

Пусть биоинженерия пока и не может дать человечеству искусственную печень, но создать трахею она в состоянии. Так, в американском штате Иллинойс 2,5-летней Ханне Уоррен была пересажена искусственно выращенная трахея. Операция прошла удачно, но 7 июля 2013 года девочка скончалась в результате сделанной ранее операции на пищевод.

Межпозвоночные диски

Даже небольшое смещение межпозвоночных дисков приводит, в лучшем случае, к сильнейшим болям в спине, а в худшем – без хирургического вмешательства не обойтись. Но в результате операции врачи просто соединяют позвонки между собой, лишая человека подвижности. В редких случаях используются искусственные диски, которые быстро изнашиваются. К счастью, и здесь биоинженерия оправдала все ожидания. В этом году специалисты Университета Дьюка создали диск, который при вживлении в междисковое пространство способен восстанавливать соответствующие ткани, фактически выращивая межпозвоночный диск в теле пациента.

Кишечник

Использование коллагена и стволовых клеток позволило биоинженерии создать небольшой искусственный кишечник. Однако для создания полноценного органа ученым еще далеко.

Почка

Почка – один из самых востребованных органов. Только в США около 60 тысяч пациентов, страдающих от почечной недостаточности, стоят в очереди на пересадку почки. Возможно, эту проблему удастся решить специалистам Калифорнийского университета. Используя последние достижения биоинженерии, они работают над созданием искусственной почки, сделанной на основе силиконовых нанофильтров и клеток человеческой почки. Уже в 2017 году ученые надеются провести испытания этого устройства.

Посетители конференции Startup Village, прошедшей на минувшей неделе в Сколково, имели уникальную возможность заглянуть в то недалекое будущее, когда человечество, вынужденное пересмотреть рацион питания, начнет получать значительную долю белков за счет насекомых

На одном из стендов на выставке стартапов расположились производители кормового протеина из личинок мух, представляющие липецкую компанию «Новые Биотехнологии». Пока корм предназначен для животных, но в будущем блюда из насекомых, как следует из многочисленных прогнозов, перестанут быть экзотикой и в человеческом меню. Попробовать продукт с исключительными питательными свойствами на Startup Village отважились пятеро смельчаков. Корреспондент сайт не рискнул последовать их примеру, но зато подробно расспросил дегустаторов, каков он, вкус еды будущего, а заодно узнал, что окруженные теплом и заботой селекционеров мухи из Липецка становятся гораздо плодовитее своих сородичей.

Алексей Истомин с продукцией "Новых Биотехнологий" на Startup Village. Фото: сайт

«Новые Биотехнологии» специализируются на производстве высокобелкового корма из высушенных и измельченных личинок зеленых мясных мух по аналогии с тем механизмом, над выработкой которого природа трудилась миллионы лет. «Животные, рыбы, птицы размножаются, питаются, оставляют после себя навоз и помет, умирают, а природа все это неустанно перерабатывает.. - Мухи откладывают на отходах яйца, из них появляются личинки, которые выделяют ферменты, ускоряющие процесс разложения и минерализации отходов. При этом личинки сами становятся кормом для животных, рыб и птиц. А оставшийся субстрат под воздействием дождей и солнца в виде органического удобрения попадает в почву и способствует бурному росту фитомассы, которая также является кормом для всего живого. Иными словами, происходит рециркуляция питательных веществ, причем безо всяких пестицидов и ядов. Только органика».

Этот природный процесс и заимствовали в компании «Новые Биотехнологии». Получившаяся в результате применения технологии биомасса, личинки мух, обладают высоким содержанием питательных веществ. На 50-70% биомасса состоит из сырого протеина, 20-30% приходятся на сырой жир, 5-7% - это сырая клетчатка.

При описании положительного эффекта применения кормового белка (коммерческое название - «Зоопротеин») в разных отраслях сельского хозяйства Алексей Истомин был весьма убедителен. «В свиноводстве применение в микродозах белково-липидного концентрата в качестве добавки в рацион поросят, свиней, хряков позволяет повысить усвояемость пищи и естественную резистентность организма болезням и вирусам, увеличить привес, активность и приплод, - перечисляет преимущества корма из личинок мух г-н Истомин. - Это происходит за счет содержания в «Зоопротеине» большого количества ферментов, хитина, меланина, иммуномодуляторов. В птицеводстве включение нашего кормового белка в состав рациона для цыплят-бройлеров, индеек, уток и другой птицы позволяет повысить ежедневный привес и снизить кормовой коэффициент. У кур-несушек наблюдается повышение яйценоскости, возрастает резистентность организма к болезням и вирусам, снижается смертность». В звероводстве добавление «Зоопротеина» в корм норок, песцов, лисиц приводит к улучшению качества меха и снижению процента брака. Животные имеют большую длину тела и обхват груди, следовательно, из них можно получить большее количество шкурок.

Слева направо: готовый корм, высушенные и живые личинки. Фото: сайт

Появление корма из мух обрадует и владельцев домашних питомцев. По словам Алексея Истомина, «у кошек и собак легче проходит течка и линька, повышается мышечный тонус и активность, шерсть становится более плотной; животные меньше болеют». Здоровее при добавлении белка из личинок мух в корм становятся и домашние птицы, их окрас становится ярче. Мальки аквариумных рыбок развиваются в два раза быстрее, причем выживаемость мальков приближается к 100%.

Чудодейственная технология возникла не на пустом месте - ее теоретические основы были заложены еще полвека назад во Всесоюзном научно-исследовательском институте животноводства, а также в Новосибирском государственном сельскохозяйственном институте. Там в лабораторных условиях всесторонне изучали кормовые добавки из личинок мух. Сейчас работы в этом направлении продолжаются Новосибирском государственном аграрном университете, ВНИИЖ им. Л.К. Эрнста, Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова. По словам Алексея Истомина, эффективность использования белкового корма, полученного в результате переработки отходов личинками мух, по сравнению с другими животными белками (рыбная и мясо-костная мука) подтверждена исследованиями, проведенными во Всероссийском научно-исследовательском институте животноводства и Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институт птицеводства. Примечательно, что со временем актуальность этой технологии лишь растет, ведь мир столкнулся с острым дефицитом белков животного происхождения.

«То, что нам мешает, плохо пахнет и требует больших затрат, может помочь и работать на благо отечественного сельского хозяйства, принося дополнительную прибыль и снижая нагрузку на окружающую среду»

В компании «Новые Биотехнологии» его оценивают в 25 млн тонн; в России аналогичный показатель - 1 млн тонн. С 1961 года население Земли выросло более чем в два раза, а мировое потребление мяса - в 4 раза. По прогнозам, до 2030 года глобальное потребление животного белка увеличится на 50%. Пока в сельском хозяйстве его основными источниками являются рыба (рыбная мука) и мясо-костная мука. «Самая качественная рыбная мука производится в Марокко, Мавритании и Чили, и ее стоимость увеличивается пропорционально издержкам на логистику. Цена рыбной муки за последние 15 лет выросла в 8 раз, - делится статистикой Алексей Истомин. - Многие производители сельскохозяйственной продукции отказываются от качественной импортной рыбной муки в пользу более дешевых и менее качественных аналогов, а также переходят на мясо-костную муку или растительные белки, в частности, сою. Использование растительных белков не позволяет достичь желаемого результата - такой протеин требует большого количества земельных ресурсов и не может в полной мере заменить животный белок по составу».

Проект "Новых Биотехнологий" вызвал интерес у вице-премьера Аркадия Дворковича и губернатора Ростовской области Василия Голубева. Фото: сайт

Кроме экономических, есть и экологические предпосылки смены кормовой парадигмы. Так, для изготовления 1 тонны муки требуется выловить 5 тонн промысловой рыбы. Учитывая, что потребность в животных белках велика, вылов рыбы достиг значительных показателей (170 млн тонн в 2015-м году). Экосистема не успевает воспроизвести рыбные запасы в морях. При изготовлении одной тонны рыбной муки в атмосферу выделяется почти 11 тонн углекислого газа. Дополнительные расходы на экологию в этом случае оценивается в 3,5 тысячи долларов. При производстве одной тонны муки из личинок мух в атмосферу попадает в 5 раз меньше СО2. То есть каждая произведенная тонна белка из личинок мух сохраняет 5 тонн рыбы в море.

«Вкус необычный, не похож ни на что. Зато этот белок укрепляет иммунитет и способствует росту мышечной массы»

Задумавшись об альтернативных источниках животного белка, исследователи обратили внимание на насекомых. На планете - более 90 тысяч видов мух, и каждый из них питается определенными отходами: растительными, навозом/пометом, пищевые отходы и т.д. «То, что нам мешает, плохо пахнет и требует больших затрат, - экологических, финансовых, энергетических - может помочь и работать на благо отечественного сельского хозяйства, принося дополнительную прибыль и снижая нагрузку на окружающую среду», - говорит Алексей Истомин. По крайне мере, опытное производство компании «Новые Биотехнологии» в Липецке доказывает перспективность использования технологии в промышленных условиях.

Фарш из Люси

Известные многим металлически-зелёные яркие мухи Lucilia caesar (в компании этот вид насекомым ласково именуют Люсей) на производстве в Липецке содержатся в специальных инсектариях. Там живет несколько десятков миллионов мух. Это во многом уникальные насекомые. Чтобы улучшить их репродукционные способности, ученые более двух лет вели кропотливую селекционную работу, по определенной методике скрещивая насекомых. Если в природе одна муха делает кладку в 60 яиц, то у липецких насекомых кладка (и, следовательно, количество личинок и получившегося из них корма) - в среднем в три раза больше. Никаких генетических манипуляций над мухами специалисты «Новых Биотехнологий» не производят, речь идет о «традиционной» селекции, уверяет г-н Истомин.Показывая на затянутую мелкой сеткой клетку-садок с роящимися насекомыми на стенде, он продолжает: «Еще вчера здесь было всего 6 мух; всего за сутки их количество достигло несколько сотен. Это стало возможным благодаря правильному подбору цикла развития кукол, называемых еще пупариями. Мы подгадали цикл таким образом, чтобы сегодня их стало намного больше. Завтра их количество еще подрастет». Отчасти этот процесс сдерживался не слишком подходящей погодой: оптимальная температура для превращения куколки в муху - около 30-ти градусов. Несмотря на то, что на Startup Village по ночам насекомых заносили в помещение, температура там была ниже.

На производстве в Липецке мухам - полное раздолье. Фото: "Новые Биотехнологии".

На производстве в Липецке мухам - полное раздолье, там их оберегают и от неблагоприятных условий, и от стресса. Мухи содержатся в специальных клетках-садках, в которых есть вода, сахар, сухое молоко и боксы с мясным фаршем, где мухи делают кладки яиц. Кладки вынимают ежесуточно. Контроль качества и чистоты популяции осуществляет главный технолог. Для этого отбирают личинки, которые в специальных условиях окукливаются и в виде куколок хранятся в холодильной камере. При необходимости куколки помещают в клетки инсектария, и через некоторое время из них появляются мухи.

Как только из яиц появились личинки, их перемещают в выростной цех. В специальных лотках на подстилке из опилок размещают кормовой субстрат и кладки яиц. Личинки очень прожорливы и быстро растут, увеличиваясь в размере до 350 раз за сутки. Период откармливания и активного роста составляет 3-4 суток. Затем выросшие личинки оказываются на выгонке. Так называют процесс отделения личинок от органического субстрата. После биомассу высушивают и отправляют на хранение.

Мухи растут на мясе с птицефабрики, которая находится недалеко от опытного производства компании «Новые биотехнологии». Личинки, выращенные на мясе птицы, обладают более высокими показателями содержания питательных веществ, чем те, которые культивировались на навозе и помёте. При этом запасов мяса должно быть много - чтобы произвести 1 кг «Зоопротеина», необходимо вырастить 3,5 кг живых личинок, для чего требуется 10 кг мясных отходов.

С 1961 года население Земли выросло более чем в два раза, а мировое потребление мяса - в 4 раза. По прогнозам, до 2030 года глобальное потребление животного белка увеличится на 50%

«Среднестатистический падеж на птицефабриках составляет 5% от общего поголовья. Такой вид отходов доставляет большое количество хлопот птицеводческим хозяйствам. Это и экологические вопросы (надо утилизировать), и финансовые (за утилизацию надо платить), и организационные (собирать, хранить, доставлять, учитывать). Поэтому применение нашего метода наиболее эффективно непосредственно на птицефабрике, что позволяет делать производство птицы безотходным, - пояснил Алексей Истомин. - В целом, рост объемов сельскохозяйственного производства неминуемо влечёт за собой увеличение негативного влияния на окружающую среду. По данным Минсельхоза, в России общая площадь земель, загрязненных сельскохозяйственными отходами, превышает 2,4 млн гектаров. В 2015-м году суммарное количество таких отходов превысило 380 млн тонн. В стране практически отсутствует культура переработки отходов сельского хозяйства. Счет таким производствам идет на единицы».

Опытное производство в Липецке. Фото: "Новые Биотехнологии"

Сложность промышленного внедрения технологии обусловлена, прежде всего, административными и экологическими факторами. «За границей, в частности, в Китае и Индонезии используется бассейновый («открытый») метод, поясняет Истомин. - Он неприемлем в наших условиях, поскольку личинки в процессе жизнедеятельности вырабатывают большое количество аммиака. В нашем проекте предложен «закрытый» метод с использованием выростных шкафов для мух, оборудованных локальной вытяжной вентиляцией, микробиологическим фильтром для очистки воздуха, особыми системами приготовления сырья, инфракрасной сушки. Все это позволяет максимально выполнить требования, предъявляемые к экологической безопасности».

Личинки очень прожорливы и быстро растут, увеличиваясь в размере до 350 раз за сутки. Фото: "Новые Биотехнологии"

Сейчас компания «Новые Биотехнологии» находится в процессе получения статуса резидента «Сколково». Команда рассчитывает на помощь Фонда главным образом в сертификации продукции. В России отсутствует нормативная база, связанная с регламентацией использования технологии переработки отходов личинками мух, поэтому, рассказывает Алексей Истомин, «приходится изощряться». При этом контролирующие инстанции констатируют безопасность продукции: «Липецкая облветлаборатория» производит исследования живой биомассы на наличие сальмонелл, генома возбудителей орнитоза и гриппа у птиц, яиц и личинок гельминтов. У высушенной биомассы личинок мух определяется массовая доля сырого протеина, массовая доля сырого жира, влажность и токсичность. «Тульская межобластная ветеринарная лаборатория» проводит исследования органического удобрения зоогумуса на наличие патогенной флоры. Результаты каждого исследования оформлены протоколом».

Собеседник сайт убежден: в обозримом будущем со вкусом белка из насекомых познакомятся на только животные, но и люди. Эту точку зрения разделяет все больше специалистов. Так, три года назад Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН выпустила исследование, в котором говорилось, что в рационе 2 миллиардов человек в той или иной степени насекомые присутствуют уже сейчас. Чтобы справиться с голодом и загрязнением окружающей среды, человечеству следует есть больше насекомых, призвали составители отчета.

Тем более что, как свидетельствует личный опыт Алексея Истомина, это не так страшно. Вот уже несколько месяцев он добавляет столовую ложку белка из насекомых в утренний шейк из молока, банана и прочих традиционных ингредиентов. «Вкус необычный, не похож ни на что. Зато укрепляет иммунитет и способствует росту мышечной массы», - рассказывает Алексей.

Baklanov Mikhail and 8 others like this" data-format="people who like this" data-configuration="Format=%3Ca%20class%3D%27who-likes%27%3Epeople%20who%20like%20this%3C%2Fa%3E" >

Биотехнология - это производственное использование биологических агентов или их систем для получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений.

Биологические агенты в данном случае - микроорганизмы, растительные или животные клетки, клеточные компоненты (мембраны клеток, рибосомы, митохондрии, хлоропласты), а также биологические макромолекулы (ДНК, РНК, белки - чаще всего ферменты). Биотехнология использует также вирусную ДНК или РНК для переноса чужеродных генов в клетки.

Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, используя различные микроорганизмы, при этом, даже не подозревая об их существовании. Собственно сам термин появился в нашем языке не так давно, вместо него употреблялись слова «промышленная микробиология», «техническая биохимия» и др.

Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было сбраживание с помощью микроорганизмов. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э.

В 3-м тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение, и получение молочнокислых продуктов. В традиционном, классическом, понимании биотехнология - это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов.

Термин «новая» биотехнология в противоположность «старой» биотехнологии применяют для разделения биопроцессов, использующих методы генной инженерии и более традиционные формы биопроцессов. Так, обычное производство спирта в процессе брожения – «старая» биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта – «новая» биотехнология.

Биотехнология как наука является важнейшим разделом современной биологии, которая, как и физика, стала в конце XX в. одним из ведущих приоритетов в мировой науке и экономике.

Всплеск исследований по биотехнологии в мировой науке произошел в 80-х годах, но, несмотря на столь короткий срок своего существования, биотехнология привлекла пристальное внимание, как ученых, так и широкой общественности. По прогнозам, уже в начале 21 века биотехнологические товары будут составлять четверть всей мировой продукции.

Что касается более современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизованных ферментов, клеток или клеточных органелл.

Современная биотехнология - это наука о генно-инженерных и клеточных методах создания и использования генетически трансформированных биологических объектов для улучшения производства или получения новых видов продуктов различного назначения.

Основные направления биотехнологии

Условно можно выделить следующие основные направления биотехнологии:

Биотехнология пищевых продуктов;
- биотехнология препаратов для сельского хозяйства;
- биотехнология препаратов и продуктов для промышленного и бытового использования;
- биотехнология лекарственных препаратов;
- биотехнология средств диагностики и реактивов.

Биотехнология также включает выщелачивание и концентрирование металлов, защиту окружающей среды от загрязнения, деградацию токсических отходов и увеличение добычи нефти.

Развитие биотопливного направления

Растительный покров Земли составляет более 1800 млрд. т сухого вещества, что энергетически эквивалентно известным запасам энергии полезных ископаемых. Леса составляют около 68% биомассы суши, травяные экосистемы - примерно 16%, а возделываемые земли - только 8%. Для сухого вещества простейший способ превращения в энергию заключается в сгорании - оно обеспечивает тепло, которое в свою очередь превращается в механическую или электрическую энергию.

Что же касается сырого вещества, то в этом случае древнейшим и наиболее эффективным методом превращения биомассы в энергию является получение биогаза (метана). Метановое «брожение», или биометаногенез, - давно известный процесс превращения биомассы в энергию. Он был открыт в 1776г. Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе.

Отходы пищевой промышленности и сельскохозяйственного производства характеризуются высоким содержанием углерода (в случае перегонки свеклы на 1л отходов приходится до 50г углерода), поэтому они лучше всего подходят для метанового «брожения», тем более что некоторые из них получаются при температуре, наиболее благоприятной для этого процесса.

Конференция ООН по науке и технике для развивающихся стран (1979 г.) и эксперты Экономической и социальной комиссии по странам Азии и Тихого океана подчеркнули достоинства сельскохозяйственных программ, использующих биогаз.

Надо отметить, что 38% от 95-миллионного поголовья крупного рогатого скота в мире, 72% остатков сахарного тростника и 95% отходов бананов, кофе и цитрусовых приходятся на долю стран Африки, Латинской Америки, Азии и Ближнего Востока. Не удивительно, что в этих регионах сосредоточены огромные количества сырья для метанового «брожения».

Следствием этого явилась ориентация некоторых стран сельскохозяйственно ориентированной экономикой на биоэнергетику. Производство биогаза путем метанового «брожения» отходов - одно из возможных решений энергетической проблемы в большинстве сельских районов развивающихся стран.

Биотехнология в состоянии внести крупный вклад в решение проблем энергетики также посредством производства достаточно дешевого биосинтетического этанола, который, кроме того, является и важным сырьем для микробиологической промышленности при получении пищевых и кормовых белков, а также белково-липидных кормовых препаратов.

Достижения биотехнологии

С помощью биотехнологии получено множество продуктов для здравоохранения, сельского хозяйства, продовольственной и химической промышленности. Причем важно то, что многие из них не могли быть получены без применения биотехнологических способов. Особенно большие надежды связываются с попытками использования микроорганизмов и культур клеток для уменьшения загрязнения среды и производства энергии.

В молекулярной биологии использование биотехнологических методов позволяет определить структуру генома, понять механизм экспрессии генов, смоделировать клеточные мембраны с целью изучения их функций и т.д.

Конструирование нужных генов методами генной и клеточной инженерии позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе.

Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ. Некоторые белки и вторичные метаболиты могут быть получены только путем культивирования клеток эукариот. Растительные клетки могут служить источником ряда соединений - атропин, никотин, алкалоиды, сапонины и др.

В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных. В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, искусственное оплодотворение.

Все это свидетельствует о том, что биотехнология станет источником не только новых продуктов питания и медицинских препаратов, но и получения энергии и новых химических веществ, а также организмов с заданными свойствами.

Видео: Biotechnology and the Emergence of New Therapeutics.

Биотехнология – новое бурно развивающееся направление биологии. Этапы развития биотехнологии. Основные направления в биотехнологии

1Биотехнология – новая отрасль науки и производства, основанная на использовании биологических процессов и объектов для производства экономически важных веществ и создания высокопродуктивных сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. В буквальном смысле биотехнология – это «биология + технология», то есть применение фундаментальных биологических знаний в практической деятельности, направленной на производство лекарственных препаратов, ферментов, белков, красителей, ароматических веществ, витаминов и целого ряда биологически активных соединений. Кроме того, речь идет об использовании биотехнологических методов в селекции и конструировании принципиально новых организмов, ранее не существовавших в природе.

Биотехнология растений является самостоятельной дисциплиной, хотя по своим теоретическим и методологическим принципам может рассматриваться как часть общей биотехнологии. Специфика биотехнологии растений предопределена биологическими особенностями растений как особого царства живого мира.

В историческом аспекте человечество всегда использовало растения для получения жизненно важных продуктов. В этом смысле к биотехнологии можно отнести и традиционное растениеводство, и другие агротехнологии. Однако существуют принципиальные различия между биотехнологией и агротехнологией. Как известно, агротехнология имеет дело с целыми растениями и их популяциями, тогда как биотехнология основана на использовании культуры клеток и их популяций.

Следовательно, основным объектом биотехнологии растений являются отдельные клетки, органы, изолированные из целого растения и выращиваемые вне организма на искусственной питательной среде в асептических условиях.

Такие выращиваемые in vitro клетки, ткани, органы называются культурой клеток, тканей, органов – в зависимости от того, что изолируется из растения и культивируется. Однако все эти способы культивирования в последнее время стали называться одним термином «культура клеток растений», ибо в конечном счете культивируемой единицей является клетка.

Клеточные культуры с каждым годом находят все большее применение в самых разнообразных областях биологии, медицины и сельского хозяйства. Их используют при решении таких общебиологических проблем, как выяснение механизмов дифференцировки и пролиферации, взаимодействия клеток со средой, адаптации, старения, биологической подвижности, злокачественной трансформации и многих других. Важную роль клеточные культуры играют в биотехнологии при производстве вакцин и биологически активных веществ. Они являются исходным материалом для создания клеток-продуцентов, используются в целях повышения продуктивности сельскохозяйственных животных и для выведения новых сортов растений. Культуры клеток применяются для диагностики и лечения наследственных заболеваний, в качестве тест-объектов при испытании новых фармакологических веществ, а также для сохранения генофонда исчезающих видов животных и растений.

Биотехнология – это управляемое получение для народного хозяйства, а также для медицины целевых продуктов с помощью биологических агентов: микроорганизмов, вирусов клеток животных и растений, а также с помощью внеклеточных веществ и компонентов клетки. Биотехнология имеет глубокие исторические корни, а за последние 10-15 лет бурного развития оформилась как отдельная отрасль науки и производства.

Основными компонентами биотехнологического процесса являются: биологический агент, субстрат, целевой продукт, аппаратура и совокупность методов для управления процессом.

Биотехнологическая отрасль является одной из самых бурно развивающихся и является важным критерием для оценки уровня научно-исследовательского потенциала цивилизованной страны. Наглядное свидетельство того, что основой очередной волны экономического развития станут различные отрасли биотехнологии (сельскохозяйственная, пищевая, медицинская), - динамика курса акций соответствующих компаний. До недавнего времени биотехнологический бизнес мало выделялся из общей группы высоких технологий, однако нестабильность компьютерных магнатов и ряда крупных концернов торгующих природными ресурсами изменило мнение экономических аналитиков.

Котировка акций биотехнологических компаний оказались мене подвержены падению, так как продукция полученная на основе клеточных технологий нова и перспективна. Инвестиции в биосектор привели к беспрецендентному технологическому рывку. В Германии и Франции начаты крупномасштабные полевые испытания генетически модифицированных сортов кукурузы. Японские биотехнологии получили генетически модифицированную кукурузу, устойчивую к насекомым-вредителям. Некоторые компании находятся на грани создания революционных препаратов для различных видов рака, в первую очередь лейкемии. Три года назад одной американской компанией было вложено большое количество денег в биотехнологическую лабораторию в Калифорнии и теперь по данным представителей компании они близки к созданию средств извлечения ряда серьезных недугов, например, болезни Альцгеймера.

2Термин биотехнология произошел от греческих слов: «биос» и «техне». «Биос» – жизнь, «техне» - вить прясть, делать что-то своими руками. Значит, биотехнология – это производство с помощью живых существ, совокупность промышленных методов, использующих живые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов.

Биотехнология - это интегрированное использование биохимии, микробиологии и инженерных наук с целью достижения промышленного применения способностей микроорганизмов, культур клеток тканей и их частей. Объекты биотехнологии – микробы (грибы, бактерии, вирусы, простейшие) или клетки других организмов (растения, животные), биологически активные вещества специального назначения (иммобилизованные ферменты, катализирующие синтез или распад).

Типичные методы биотехнологии - крупномасштабное глубинное культивирование биообъектов в периодическом или непрерывном режиме, выращивание клеток растительных и животных тканей в особых условиях.

3 Развитие биотехнологии в огромной степени определяется исследованиями в области микробиологии, биохимии, энзимологии и генетики организмов. Современная биотехнология как наука возникла в начале сороковых годов и получила ускоренное развитие с 1953 г., после эпохального открытия Джеймса Уотсона и Френсиса Крика о химической структуре и пространственой организации двойной спирали молекулы ДНК. Новое стратегическое ее направление – генетическая инженерия – родилось к 1972 г., когда в лаборатории Поля Берга впервые была синтезирована рекомбинантная молекула ДНК, что окончательно закрепило за биотехнологией и ее центральным звеном – биоинженерией (ядерной биологией) – важнейшее место в современной науке.

«Межпиковые» работы выдающихся биологов Г. Бойера, С. Коэна, Д. Морра, А.Баева, А.Белозерского, О. Эйвери, Г. Гамова, Ф. Жакоба, Ж.Моно и др. дополнили последовательный ряд важнейших открытий по идентификации генов и ферментов, выделению молекул ДНК из растительных, микробных и животных клеток, расшифровке генетического кода, а также механизмов экспрессии генов и биосинтеза белка у прокариот и эукариот.

В 50-е годы в биотехнологии возникает еще одно важное направление – клеточная инженерия. Основателями его являются П.Ф.Уайт (США) и Р. Готре (Франция). В последующие годы в институте физиологии растений СССР, а затем Российской Академии наук под руководством А.А.Курсанова, Р.Г. Бутенко были развернуты исследования в этой области с привлечением многих молодых ученых страны.

Генетическая и клеточная инженерия определили главные направления современной биотехнологии, методы которой получили широкое развитие в 80-е годы и используются во многих областях науки и производства в нашей стране и за рубежом.

Биотехнология как наука может рассматриваться в двух временных и сущностных измерениях: современном и традиционном, классическом.

Новейшая биотехнология (биоинженерия) – это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных (модифицированных) растений, животных и микроорганизмов в целях интенсификации производства и получения новых видов продуктов различного назначения.

В традиционном, классическом смысле биотехнологию можно определить как науку о методах и технологиях производства, транспортировки, хранения и переработки сельскохозяйственной и другой продукции с использованием обычных, нетрансгенных (природных и селекционных) растений, животных и микроорганизмов, в естественных и искусственных условиях.

Высшим достижением новейшей биотехнологии является генетическая трансформация, перенос чужеродных (природных или искусственно созданных) донорских генов в клетки-реципиенты растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками. По своим целям и возможностям в перспективе это направление является стратегическим. Оно позволяет решать принципиально новые задачи по созданию растений, животных и микроорганизмов с повышенной устойчивостью к стрессовым факторам среды, высокой продуктивностью и качеством продукции, по оздоровлению экологической обстановки в природе и всех отраслях производства.

Для достижения этих целей предстоит преодолеть определенные трудности в повышении эффективности генетической трансформации и, прежде всего, в идентификации и клонировании генов, создании их банков, расшифровке механизмов полигенной детерминации признаков и свойств биологических объектов, создании надежных векторных систем и обеспечении высокой устойчивости экспрессии генов. Уже сегодня во многих лабораториях мира с помощью методов генетической инженерии созданы принципиально новые трансгенные растения, животные и микроорганизмы, используемые в коммерческих целях.