Științele nu apar de la sine, nu pentru că cineva le inventează pur și simplu „din interes”. Orice știință apare ca urmare a nevoii omenirii de a rezolva anumite probleme apărute în procesul dezvoltării sale. Biologia nu face excepție; ea a apărut și în legătură cu soluționarea unor probleme foarte importante pentru oameni. Una dintre ele a fost întotdeauna o înțelegere mai profundă a proceselor din natura vie asociate cu producția de produse alimentare, și anume cunoașterea caracteristicilor vieții plantelor și animalelor, modificările acestora sub influența oamenilor, modalități de a obține o soluție fiabilă și recoltă din ce în ce mai bogată. Rezolvarea acestei probleme este unul dintre motivele fundamentale ale dezvoltării biologiei.

O altă „primăvară” nu mai puțin importantă este studiul caracteristicilor biologice umane. Omul este un produs al dezvoltării naturii vii. Toate procesele vieții noastre sunt similare cu cele care au loc în natură. Și, prin urmare, doar o înțelegere profundă a proceselor biologice servește drept fundament științific al medicinei. Apariția conștiinței, care înseamnă un pas uriaș înainte în cunoașterea de sine a materiei, nu poate fi, de asemenea, înțeleasă fără o cercetare profundă a naturii vii în cel puțin două direcții - apariția și dezvoltarea creierului ca organ al gândirii (ghicitoarea). a gândirii rămâne încă nerezolvată) și apariția socialității, a vieții de imagine publică.

Creșterea producției de alimente și dezvoltarea medicinei sunt importante, dar nu singurele probleme care au determinat dezvoltarea biologiei ca știință de mii de ani. Fauna sălbatică este sursa multor materiale și produse necesare umanității. Trebuie să le cunoști proprietățile pentru a le folosi corect, să știi unde să le cauți în natură și cum să le obții. În multe privințe, sursa inițială a unor astfel de cunoștințe este biologia. Dar acest lucru nu epuizează importanța științelor biologice.

În secolul al XX-lea Populația Pământului a crescut atât de mult încât dezvoltarea societății umane a devenit un factor determinant în dezvoltarea biosferei Pământului. Până acum a devenit clar că natura vie nu este doar o sursă de hrană și multe produse și materiale necesare, ci și o condiție necesară pentru existența umanității însăși. Legăturile noastre cu ea s-au dovedit a fi mult mai strânse și mai vitale decât credeau ei la începutul secolului al XX-lea.

De exemplu, aerul părea a fi aceeași resursă inepuizabilă și constantă a naturii ca, să zicem, lumina soarelui. De fapt, acest lucru nu este adevărat. Compoziția calitativă a atmosferei cu care suntem obișnuiți, cu 20,95% oxigen și 0,03% dioxid de carbon, este un derivat al activității ființelor vii: respirația și fotosinteza plantelor, oxidarea materiei organice moarte. Oxigenul din aer apare numai ca urmare a vieții plantelor. Principalele fabrici de oxigen de pe Pământ sunt pădurile tropicale și algele oceanice. Dar astăzi, după cum arată observațiile, cantitatea de dioxid de carbon din atmosfera Pământului crește constant ca urmare a eliberării de cantități uriașe de carbon în timpul arderii petrolului, gazului, cărbunelui, lemnului, precum și a altor procese antropice. Din 1958 până în 1980, cantitatea de dioxid de carbon din atmosfera Pământului a crescut cu 4%. Până la sfârșitul secolului, conținutul său poate crește cu mai mult de 10%. În anii 70 secolul XX cantitatea de oxigen care intră în atmosferă ca urmare a activității plantelor a fost estimată în t/an, iar consumul anual de către umanitate a fost estimat în t/an. Aceasta înseamnă că trăim deja din rezervele de oxigen acumulate în trecut, de-a lungul a milioane de ani de evoluție a ființelor vii de pe planetă.

Apa pe care o bem, sau mai exact, puritatea acestei ape, calitatea ei este determinată în primul rând de natura vie. Stațiile noastre de epurare nu fac decât să finalizeze procesul uriaș care se întâmplă în natură, invizibil pentru noi: apa din sol sau din rezervor trece în mod repetat prin corpurile miriadelor de nevertebrate, este filtrată de acestea și, eliberată de impuritățile organice și anorganice, devine aceeași. așa cum îl știm în râuri, lacuri și izvoare.

Astfel, compoziția calitativă atât a aerului, cât și a apei de pe Pământ depinde de activitatea vitală a organismelor vii. Trebuie adăugat că fertilitatea solului - baza recoltei - este rezultatul activității vitale a organismelor vii care trăiesc în sol: un număr mare de bacterii, nevertebrate, alge.

Omenirea nu poate exista fără natură vie. De aici și nevoia vitală pentru noi de a-l menține în „condiție de funcționare”.

Din păcate, acest lucru nu este atât de ușor de făcut. Ca urmare a explorării umane a întregii suprafețe a planetei, a dezvoltării agriculturii, industriei, defrișărilor, poluării continentelor și oceanelor, un număr tot mai mare de specii de plante, ciuperci și animale dispar de pe fața Pământului. O specie dispărută nu poate fi restaurată. Este produsul a milioane de ani de evoluție și are un pool genetic unic - un cod unic de informații ereditare care determină proprietățile unice ale fiecărei specii. Potrivit unor estimări, la începutul anilor 80. În lume, în medie, o specie de animal a fost distrusă în fiecare zi; până în anul 2000, această rată poate crește la o specie pe oră. La noi, o specie de vertebrate dispare în medie la fiecare 3,5 ani. Cum putem schimba această tendință și să revenim la calea justificată evolutiv de a crește constant „suma de viață” totală, mai degrabă decât a o scădea? Această problemă privește întreaga umanitate, dar este imposibil de rezolvat fără munca biologilor.

Figurat vorbind, biologia modernă este o clădire uriașă, cu mai multe etaje, care conține mii de „camere” - direcții, discipline, științe întregi independente. Doar enumerarea lor poate dura zeci de pagini.

În clădirea biologiei există, parcă, patru „etaje” principale, corespunzătoare nivelurilor fundamentale de organizare a materiei vii. Primul „etaj” este genetic molecular. Obiectul studierii viețuitoarelor aici sunt unitățile de informații ereditare (genele), modificările lor - mutații și chiar procesul de transmitere a informațiilor ereditare. Al doilea „etaj” este ontogenetic, sau nivelul de dezvoltare individuală. Evenimentele de pe acest „etaj” sunt încă cele mai puțin studiate în biologie. Aici are loc un proces misterios care determină apariția la locul potrivit, la momentul potrivit, a ceea ce ar trebui să apară în timpul dezvoltării normale a fiecărui individ - un picior sau un ochi la un animal, o frunză sau scoarță la o plantă. Următorul „etaj” este nivelul populației-specie. Unitățile elementare de la acest nivel sunt populații, adică grupuri relativ mici, de lungă durată de indivizi din aceeași specie, în cadrul cărora are loc schimbul de informații ereditare. Fenomenele elementare de aici sunt schimbări ireversibile în compoziția genotipică a populațiilor și, în cele din urmă, apariția diferitelor adaptări și noi specii. Pe ultimul, al patrulea „etaj”, procesele au loc în sisteme ecologice de diferite scări - comunități complexe de multe specii, până la procesele biosferei în ansamblu. Structurile elementare ale acestor comunități sunt biogeocenoze, iar fenomenele elementare sunt tranziția biogeocenozei de la o stare de echilibru dinamic la alta, ceea ce duce în cele din urmă la o schimbare a întregii biosfere în ansamblu. Fiecare nivel are propriile sale legi, dar evenimentele care au loc la fiecare dintre ele sunt strâns legate de evenimentele de la alte niveluri.

În ultimele decenii, biologia moleculară a avansat oarecum (în ceea ce privește numărul de oameni de știință angajați în acest domeniu și fondurile alocate în diferite țări pentru dezvoltarea acestui domeniu special de cercetare). S-au obținut rezultate remarcabile, de la pur teoretice (descifrarea codului genetic și sinteza primelor gene artificiale) până la practice (de exemplu, dezvoltarea ingineriei genetice). Biologia populației începe acum să se dezvolte rapid, ceea ce va face posibilă rezolvarea cu succes a multor probleme moderne asociate cu creșterea producției de produse alimentare necesare unei populații umane în creștere, conservarea speciilor de organisme vii care dispar rapid, o serie de probleme asociate cu sarcină grandioasă de trecere la gestionarea dezvoltării evolutive a unei populaţii din ce în ce mai mari.mai multe tipuri. Dezvoltarea intensivă a „etajului” biosferei de cercetare nu este departe.

Nu trebuie să credem că biologii din domeniile clasice - zoologie, botanică, morfologie, fiziologie, sistematică și altele - au făcut deja totul. Mai este mult de lucru aici. Știați că mai puțin de jumătate dintre organismele care locuiesc pe planeta noastră au fost descrise științific (se oferă descrieri precise și se dă un nume științific) - doar aproximativ 4,5 milioane de specii și, potrivit unor estimări, nu mai mult de o treime sau chiar o un sfert dintre ei? Chiar și în țara noastră, situată în principal într-o zonă climatică temperată, care nu se distinge prin diversitatea formelor organice, oamenii de știință descoperă anual zeci de specii noi (în principal nevertebrate).

Nu este fascinantă cercetarea paleontologilor care, folosind resturi împrăștiate de organisme fosile, recreează aspectul animalelor dispărute de mult, reconstruiesc natura erelor trecute și descoperă căile de dezvoltare ale lumii organice?

Și aici cele mai interesante descoperiri îi așteaptă pe cercetători. Cât de senzațională a fost, de exemplu, descoperirea celor mai vechi fosile prenucleare din roci vechi de peste 3 miliarde de ani! Aceasta înseamnă că viața a existat pe Pământ chiar și atunci. Munca geneticienilor, zoologilor, botanistilor, biochimistilor, fiziologilor etc. nu este mai putin fascinanta si plina de descoperiri.

Suntem din ce în ce mai mulți oameni pe Pământ și vrem să trăim din ce în ce mai bine. Prin urmare, dezvoltarea societății necesită din ce în ce mai multe materii prime și o varietate de produse. Aceasta dă naștere sarcinii enorme de intensificare a întregii economii naționale, inclusiv a acelor ramuri care țin de biologie, în primul rând agricultura, silvicultura, vânătoarea și pescuitul. Dar nu numai aceste industrii. În țara noastră, de exemplu, a fost creată și se dezvoltă cu succes industria microbiologică - o ramură uriașă a economiei naționale care furnizează produse alimentare și furajere (pentru animale și păsări de curte, pește de crescătorie etc.), cele mai noi medicamente și medicamente, și chiar ajută la extragerea diferitelor minerale. O altă ramură biologică a economiei naționale a început și dă deja primele roade - biotehnologia, bazată pe utilizarea proceselor și structurilor descoperite de biologia fizico-chimică (moleculară) pentru a crea substanțe și produse necesare umanității. Dezvoltarea celor mai importante domenii ale științelor biologice, extinderea legăturii lor practice cu medicina și agricultura este discutată în „Directiile principale de dezvoltare economică și socială a URSS pentru anii 1986-1990 și pentru perioada până în 2000”, adoptate de al XXVII-lea Congres al PCUS.

Intensificarea înseamnă și austeritatea resurselor naturale și conservarea lor în interesul unei societăți în curs de dezvoltare. O proprietate remarcabilă a resurselor naturale vii este reînnoirea lor, capacitatea lor de a fi restaurate ca urmare a reproducerii organismelor vii. Prin urmare, prin intensificarea utilizării resurselor naturale vii, este posibil și necesar să ne asigurăm că acestea ne servesc pentru o perioadă nedeterminată de timp. Acest lucru se poate realiza prin organizarea reală a utilizării economice, economice și a întreținerii forțelor vii ale naturii. Mulți oameni de știință lucrează la rezolvarea acestor probleme. Partidul și guvernul acordă o mare atenție tuturor acestor probleme. Programul PCUS (ediție nouă) precizează: „Partidul consideră că este necesar să se întărească controlul asupra managementului mediului și să extindă educația de mediu a populației pe scară largă”.

Când a apărut ideea creării acestei cărți, una dintre principalele sarcini stabilite echipei de autori a fost să vorbească despre trăsăturile importante și interesante ale biologiei moderne, despre ceea ce s-a realizat deja în diferitele sale domenii și despre problemele nerezolvate ale biologilor. față. Ne-am dorit, fără a repeta manualul, ci bazându-ne pe cunoștințele oferite de programa școlară de biologie, să arătăm la ce lucrează biologii în laboratoare și expediții. Dicționarul conține, de asemenea, multe eseuri despre biologi remarcabili din țara noastră și din alte țări. Datorită muncii predecesorilor noștri în știință, avem cunoștințele pe care le avem astăzi.

Câteva cuvinte despre cum să citești această carte. În text veți găsi adesea cuvinte cu caractere cursive. Aceasta înseamnă că există un articol special despre acest concept în dicționar. Indexul alfabetic situat la sfârșitul cărții vă va ajuta să navigați în conținutul dicționarului. Asigurați-vă că aruncați o privire pe lista materialelor de lectură recomandate.

Sperăm că „Dicționarul enciclopedic al unui tânăr biolog” vă va ajuta să învățați o mulțime de lucruri noi și fascinante despre natura vie, să găsiți răspunsuri la întrebările dvs. și să treziți și să dezvoltați interesul pentru știința minunată a viețuitoarelor - biologia.

Doctorul în Științe Fizice și Matematice Alexander Pechen a descris pentru Lenta.ru cele mai promițătoare domenii ale fizicii și științe conexe pe baza rezultatelor celui mai mare premiu pentru tinerii oameni de știință, Premiul Național Blavatnik. Acum Pechen este un cercetător de frunte și secretar științific al Institutului de Matematică V.A. Steklov Academia Rusă de Științe, a fost educat la Facultatea de Fizică a Universității de Stat din Moscova, a lucrat la Universitatea Princeton și a devenit unul dintre primii ruși care au primit Premiul Blavatnik în 2009.

subiectul principal

Foto: Jens Kalaene / ZB / Global Look

Fotonica explorează posibilitățile de utilizare a luminii pentru transmiterea, stocarea, procesarea informațiilor, controlul micro-obiectelor (celule, macromolecule) și sistemelor cuantice (atomi individuali). Tehnologiile bazate pe fotonică pot accelera sau pot face transmisia, stocarea și procesarea informațiilor eficiente din punct de vedere energetic. Acest lucru este important, de exemplu, pentru centrele de date, care sunt acum cei mai mari consumatori de energie din Statele Unite. Lumina modulată și materialele create artificial, cu proprietăți optice speciale care nu se găsesc în natură, stau la baza laserului și fotochimiei, precum și lucruri atât de interesante precum „pelerina de invizibilitate” și penseta optică.

Aplicații practice ale fotonicii

Foto: Laboratorul Tachi, Universitatea din Tokyo

Metamaterialele sunt o nouă clasă de materiale artificiale cu proprietăți optice speciale care fac posibilă ascunderea obiectelor și a le face invizibile. Teoretic, astfel de materiale au fost studiate pentru prima dată de fizicianul sovietic Viktor Veselago.

În prezent, dezvoltarea activă a unor astfel de materiale este în curs de desfășurare. De exemplu, în 2009, fizicienii au descoperit covoare invizibile pentru lumina infraroșie.

Pensele optice sunt un instrument care vă permite să manipulați obiecte microscopice folosind lumina laser, de exemplu, să sortați și să mutați celulele individuale și moleculele de proteine.

Premiul, fondat de miliardarul ruso-american Leonid Blavatnik, este acordat cercetătorilor care lucrează în Statele Unite cu vârsta sub 42 de ani. Suma - 250 de mii de dolari - ne permite să o considerăm un fel de analog al Premiului Nobel pentru tinerii oameni de știință. Laureații din acest an au fost onorați în Statele Unite și a avut loc un simpozion dedicat celor mai promițătoare tendințe științifice ale vremurilor noastre.

Nominalizati

Premiul este acordat în trei categorii: „științe ale vieții” (biologie, medicină, neurobiologie etc.), „științe fizice și inginerie”, „chimie”. În 2015, aproape 300 de nominalizați au fost nominalizați din 147 de instituții și universități americane. Aproximativ zece finaliști au fost selectați pentru fiecare disciplină. Apoi a fost selectat câte un laureat din fiecare grup de finaliști. Toți cei trei premiați de anul acesta sunt de la Universitatea din California: Edward Chang (Universitatea din San Francisco, Științe ale vieții), Syed Jafar (Universitatea din Irvine, Științe fizice) și Christopher Chang (Universitatea din Berkeley, Chimie).

Acum, în fotonică, se formează o nouă abordare pentru controlul sistemelor cuantice, adică atomii sau moleculele individuale. (Aceasta este tema principală a lucrărilor științifice ale lui Alexander Pechen - aproximativ „Tapes.ru”). În mod tradițional, particulele sunt controlate folosind un laser cu intensitate variabilă a radiației. Noile metode folosesc mediul pentru a face acest lucru. În sistemele tradiționale, influența sa nu poate fi aproape niciodată eliminată și are un efect distructiv asupra sistemelor cuantice atomice și moleculare. Cu toate acestea, acum influența mediului extern este luată în considerare și utilizată pentru a controla aceste sisteme.

Controlul sistemelor cuantice este utilizat în controlul vitezei reacțiilor chimice folosind lasere pentru a crește randamentul unui produs de reacție dorit și a rupe selectiv legăturile chimice în molecule complexe, separarea izotopilor folosind lasere sau radiații optice incoerente. Controlul cuantic este folosit atât în ​​calculul cuantic, care este încă în cercetare, cât și în practică - pentru a crește viteza scanerelor de imagistică prin rezonanță magnetică.

Simulatoare cuantice și materiale noi

Materialele cuantice pot fi folosite în dispozitivele de memorie cuantică, pentru a crea supraconductivitate la temperatură înaltă, biodiagnosticare bazată pe puncte cuantice și supercondensatoare bazate pe grafen indus de laser.

Pentru a simula molecule biologice, cristale, nuclee atomice și alte sisteme complexe, este necesar să se calculeze dinamica cuantică a unui număr mare de particule, care este absolut inaccesibil dispozitivelor de calcul moderne. Simulatoarele cuantice sunt sisteme cuantice model ai căror parametri pot fi ajustați pentru a simula alte sisteme complexe de interes practic. De fapt, simulatoarele cuantice sunt computere cuantice analogice.

Medical și biotehnologie

Foto: Robson Fernandjes / Estadao Conteudo / Global Look

În domeniul științelor vieții, oamenii de știință acordă mai multă atenție dezvoltării telemedicinei - utilizarea tehnologiilor de telecomunicații, cum ar fi smartphone-urile, împreună cu diverși senzori medicali pentru diagnosticarea la distanță a bolilor fără o vizită personală la medic. Această direcție a fost cea mai vizibilă dintre exemplele de comercializare a dezvoltărilor științifice.

Cu toate acestea, una dintre domeniile promițătoare ale neuroștiinței este optogenetica, care studiază controlul neuronilor folosind impulsuri de lumină. Utilizarea ghidurilor de lumină cu fibră optică și a proteinelor sensibile la lumină face posibilă obținerea unor efecte de mare precizie asupra celulelor nervoase. Prin activarea și închiderea specifică a diferitelor zone ale creierului, optogenetica a revoluționat cercetarea în sistemul nervos în ultimii ani.

Fizică matematică

Modelele teoretice moderne necesită un aparat matematic complex. Deși premiul Nobel nu se acordă la această disciplină, există unele mai puțin cunoscute, precum și nominalizări în domenii conexe. De exemplu, Clement Hongler a câștigat premiul regional Blavatnik în 2014. Este de remarcat faptul că și-a primit titlul de doctor sub îndrumarea matematicianului rus și câștigător al medaliei Fields Stanislav Smirnov. Hongler a raportat noi rezultate precise în modelul Ising, un model matematic folosit pentru a descrie procesul de magnetizare a materialelor. Modelul Ising servește și ca bază pentru D-Wave, cel mai mare dispozitiv de calcul cuantic de până acum, fabricat de D-Wave Systems. Voi face o rezervă că discuțiile continuă cu privire la măsura în care aceste computere ar trebui considerate cuantice.

Lucrarea lui Hongler se află la intersecția dintre mecanica statistică, teoria probabilității, analiza complexă și teoria câmpului cuantic. El și coautorii săi au obținut rezultate riguroase din studiul modelului Ising, inclusiv într-un domeniu atât de important ca stabilirea unei legături între modelul critic Ising și teoria conformă a câmpului a lui Belavin, Polyakov și Zamolodchikov - o teorie universală care servește la descrieți diferite fenomene critice din fizică, adică situații în care o modificare ușoară a unui parametru, cum ar fi temperatura, duce la cele mai radicale modificări ale comportamentului unui sistem fizic.

Interesante sunt și zonele legate de planetele rătăcitoare care nu sunt asociate cu nicio stea și crearea de noi instrumente de observație, care vor fi puse în funcțiune în curând pentru căutarea și studierea planetelor din afara sistemului solar. Ele vor ajuta la extinderea semnificativă a cunoștințelor noastre despre astfel de planete, la explorarea compoziției chimice a atmosferei lor, la determinarea prezenței substanțelor organice și la căutarea vieții acolo.

Comercializarea cercetării

Tendința actuală este comercializarea descoperirilor științifice. La evenimentul dedicat premiului sus-menționat, aproape două duzini de companii din domeniul diagnosticului medical, stocării energiei și analizei datelor au fost înființate de către câștigătorii premiilor. Acceleratorul biomedical Harvard Blavatnik este, de asemenea, în curs de dezvoltare.

Nivelul științei moderne face posibilă trecerea relativ rapidă de la cercetarea fundamentală la cercetarea aplicată și apoi aplicarea descoperirilor științifice la produsele comerciale.

Fizicienii știu despre efectele cuantice de mai bine de o sută de ani, de exemplu, capacitatea cuantelor de a dispărea într-un loc și de a apărea în altul sau de a fi în două locuri în același timp. Cu toate acestea, proprietățile uimitoare ale mecanicii cuantice se aplică nu numai fizicii, ci și biologiei.

Cel mai bun exemplu de biologie cuantică este fotosinteza: plantele și unele bacterii folosesc energia din lumina soarelui pentru a construi moleculele de care au nevoie. Se dovedește că fotosinteza se bazează de fapt pe un fenomen surprinzător - mase mici de energie „explorează” toate modalitățile posibile de a se folosi, apoi „selectează” pe cea mai eficientă. Poate că navigația păsărilor, mutațiile ADN și chiar și simțul nostru olfactiv se bazează într-un fel sau altul pe efectele cuantice. Deși această zonă a științei este încă foarte speculativă și controversată, oamenii de știință cred că, odată culeșite din biologia cuantică, ideile ar putea duce la crearea de noi medicamente și sisteme biomimetice (biomimetria este un alt domeniu științific nou în care sistemele și structurile biologice sunt folosite pentru creați noi materiale și dispozitive).

3. Exometeorologie

Jupiter

Alături de exoceanografi și exogeologi, exometeorologii sunt interesați să studieze procesele naturale care au loc pe alte planete. Acum că telescoapele puternice au făcut posibilă studierea proceselor interne ale planetelor și lunilor din apropiere, exometeorologii le pot monitoriza condițiile atmosferice și meteorologice. iar Saturn, cu amploarea sa incredibilă, sunt candidați principali pentru cercetare, la fel ca Marte, cu furtunile sale obișnuite de praf.

Exometeorologii studiază chiar și planetele din afara sistemului nostru solar. Și ceea ce este interesant este că ei pot găsi în cele din urmă semne de viață extraterestră pe exoplanete prin detectarea urmelor organice sau a nivelurilor ridicate de dioxid de carbon în atmosferă - un semn al civilizației industriale.

4. Nutrigenomica

Nutrigenomica este studiul relațiilor complexe dintre hrană și expresia genomului. Oamenii de știință care lucrează în acest domeniu caută să înțeleagă rolul variațiilor genetice și al răspunsurilor dietetice în modul în care nutrienții afectează genomul.

Mâncarea are cu adevărat un impact uriaș asupra sănătății tale - și începe literalmente la nivel molecular. Nutrigenomica funcționează în ambele direcții: studiază modul în care genomul nostru influențează exact preferințele gastronomice și invers. Scopul principal al disciplinei este de a crea o nutriție personalizată - aceasta este să ne asigurăm că alimentele noastre sunt potrivite în mod ideal pentru setul nostru unic de gene.

5. Cliodinamica

Cliodinamica este o disciplină care combină macrosociologia istorică, istoria economică (cliometria), modelarea matematică a proceselor sociale pe termen lung, precum și sistematizarea și analiza datelor istorice.

Numele provine de la numele muzei grecești a istoriei și a poeziei, Clio. Mai simplu spus, cliodinamica este o încercare de a prezice și de a descrie conexiunile sociale largi ale istoriei - atât pentru a studia trecutul, cât și ca o modalitate potențială de a prezice viitorul, de exemplu, pentru a prognoza tulburările sociale.

6. Biologie sintetică

Biologia sintetică este proiectarea și construcția de noi părți, dispozitive și sisteme biologice. De asemenea, implică modernizarea sistemelor biologice existente pentru un număr nesfârșit de aplicații utile.

Craig Venter, unul dintre experții de top în acest domeniu, a anunțat în 2008 că a reconstruit întregul genom al unei bacterii prin lipirea componentelor sale chimice. Doi ani mai târziu, echipa sa a creat „viață sintetică” – molecule de ADN codificate digital, apoi imprimate 3D și introduse în bacterii vii.

Pe viitor, biologii intenționează să analizeze diferite tipuri de genomi pentru a crea organisme utile pentru introducere în organism și bioroboți care pot produce substanțe chimice - biocombustibili - de la zero. Există, de asemenea, idei pentru a crea bacterii artificiale care luptă împotriva poluării sau vaccinuri pentru tratarea bolilor grave. Potențialul acestei discipline științifice este pur și simplu enorm.

7. Memetica recombinantă

Acest domeniu al științei este la început, dar este deja clar că este doar o chestiune de timp - mai devreme sau mai târziu oamenii de știință vor obține o mai bună înțelegere a întregii noosfere umane (totalitatea tuturor informațiilor cunoscute de oameni) și a modului în care diseminarea informațiilor afectează aproape toate aspectele vieții umane.

La fel ca ADN-ul recombinant, unde diferite secvențe genetice se unesc pentru a crea ceva nou, memetica recombinantă studiază modul în care ideile transmise de la persoană la persoană pot fi ajustate și combinate cu alte meme și memeplexuri - complexe stabilite de meme interconectate. Acest lucru poate fi util în scopuri „social terapeutice”, de exemplu, combaterea răspândirii ideologiilor radicale și extremiste.

8. Sociologie computaţională

La fel ca cliodinamica, sociologia computațională studiază fenomenele și tendințele sociale. Centrală pentru această disciplină este utilizarea computerelor și a tehnologiilor aferente de procesare a informațiilor. Desigur, această disciplină s-a dezvoltat doar odată cu apariția computerelor și utilizarea pe scară largă a Internetului.

O atenție deosebită în această disciplină este acordată fluxurilor uriașe de informații din viața noastră de zi cu zi, de exemplu, e-mail-uri, apeluri telefonice, postări pe rețelele sociale, achiziții cu cardul de credit, interogări în motoarele de căutare și așa mai departe. Exemple de lucru ar putea fi un studiu al structurii rețelelor sociale și al modului în care informațiile sunt distribuite prin intermediul acestora sau al modului în care apar relațiile intime pe Internet.

9. Economia cognitivă

În general, economia nu este asociată cu disciplinele științifice tradiționale, dar acest lucru se poate schimba din cauza interacțiunii strânse dintre toate domeniile științifice. Această disciplină este adesea confundată cu economia comportamentală (studiul comportamentului nostru în contextul deciziilor economice). Economia cognitivă este știința modului în care gândim. Lee Caldwell, autorul unui blog despre această disciplină, scrie despre aceasta:

„Economia cognitivă (sau financiară)... se uită la ceea ce se întâmplă de fapt în mintea unei persoane atunci când face o alegere. Care este structura internă a luării deciziilor, ce o influențează, ce informații percepe mintea în acest moment și cum este procesată, ce forme interne de preferință are o persoană și, în cele din urmă, cum se reflectă toate aceste procese în comportament ?

Cu alte cuvinte, oamenii de știință își încep cercetările la un nivel inferior, simplificat și formează micromodele de principii de luare a deciziilor pentru a dezvolta un model de comportament economic la scară largă. Adesea, această disciplină științifică interacționează cu domenii conexe, cum ar fi economia computațională sau știința cognitivă.

10. Electronice din plastic

Electronica implică de obicei conductori și semiconductori inerți și anorganici, cum ar fi cuprul și siliciul. Dar o nouă ramură a electronicii folosește polimeri conducători și molecule conductoare mici care se bazează pe carbon. Electronica organică implică proiectarea, sinteza și prelucrarea materialelor organice și anorganice funcționale, împreună cu dezvoltarea de micro și nanotehnologii avansate.

Într-adevăr, aceasta nu este o ramură atât de nouă a științei; primele dezvoltări au fost făcute în anii 1970. Cu toate acestea, abia recent a fost posibilă reunirea tuturor datelor acumulate, în special datorită revoluției nanotehnologiei. Datorită electronicii organice, este posibil să avem în curând celule solare organice, monostraturi auto-organizate în dispozitive electronice și proteze organice, care în viitor vor putea înlocui membrele deteriorate pentru oameni: în viitor, așa-numiții cyborgi pot fi formați din mai multă materie organică decât părți sintetice.

11. Biologie computațională

Dacă îți plac în egală măsură matematica și biologia, atunci această disciplină este doar pentru tine. Biologia computațională încearcă să înțeleagă procesele biologice prin limbajul matematicii. Acesta este folosit în egală măsură pentru alte sisteme cantitative, cum ar fi fizica și informatica. Oamenii de știință de la Universitatea din Ottawa explică cum a devenit posibil acest lucru:

„Odată cu dezvoltarea instrumentelor biologice și accesul ușor la puterea de calcul, biologia ca atare trebuie să funcționeze cu tot mai multe date, iar viteza cunoștințelor dobândite este în creștere. Astfel, pentru a înțelege datele acum este nevoie de o abordare computațională. În același timp, din punctul de vedere al fizicienilor și al matematicienilor, biologia s-a maturizat până la un nivel în care modelele teoretice ale mecanismelor biologice pot fi testate experimental. Acest lucru a dus la dezvoltarea biologiei computaționale.”

Oamenii de știință care lucrează în acest domeniu analizează și măsoară totul, de la molecule la ecosisteme.

Cum funcționează „brainmail” - transmiterea mesajelor de la creier la creier prin Internet

10 mistere ale lumii pe care știința le-a dezvăluit în sfârșit

10 întrebări principale despre Univers la care oamenii de știință caută răspunsuri chiar acum

8 lucruri pe care știința nu le poate explica

Mister științific de 2.500 de ani: de ce căscăm

3 dintre cele mai stupide argumente pe care oponenții Teoriei Evoluției le folosesc pentru a-și justifica ignoranța

Este posibil să realizezi abilitățile supereroilor cu ajutorul tehnologiei moderne?

11 iulie 2008

Științele vieții(științele vieții) combină o varietate de ramuri ale biologiei, biotehnologiei și medicinei. În ultimii ani, aceasta a fost una dintre prioritățile științei și economiei mondiale. Alegerea științelor vieții ca domeniu prioritar de dezvoltare se explică printr-o serie de motive. Aceste științe sunt baza pentru asigurarea nevoilor primare ale umanității.

În primul rând, aceasta este asistența medicală. Pentru a avea grijă de sănătate, trebuie să înțelegeți ce se întâmplă cu o persoană sănătoasă și ce se întâmplă în patologie. Științele vieții devin deosebit de importante pe măsură ce speranța de viață crește: nevoia de a oferi membrilor mai în vârstă ai societății o bătrânețe sănătoasă și activă ridică noi provocări pentru biologie și medicină. În al doilea rând, creșterea populației mondiale și creșterea prosperității necesită dezvoltarea de noi modalități de creștere a productivității agricole, noi soiuri de plante - nu numai mai productive, ci și cu proprietăți îmbunătățite de consum. În al treilea rând, presiunea din ce în ce mai mare exercitată de umanitate asupra naturii necesită un studiu din ce în ce mai aprofundat al ecologiei și adoptarea de măsuri pentru reducerea acestei încărcături – de exemplu, prin metode de producere a biocombustibililor, materiale plastice biodegradabile, practici agricole avansate, reducerea poluării mediului și bioremediere. – refacerea biocenozelor poluate sau distruse.

Veragă centrală care unește științele vieții este biotehnologia în sensul cel mai larg al termenului.

Prioritatea sistemelor vii

Identificarea personală și diagnosticarea fiabilă a bolilor, creșterea organelor umane și crearea de culturi cu un conținut ridicat de vitamine, grăsimi și proteine, noi vaccinuri și medicamente - acestea și multe alte tehnologii aparțin de drept celui mai larg spațiu numit „sisteme vii”.

Crearea unei economii dezvoltate într-o societate postindustrială este imposibilă fără actualizarea structurii tehnologice și a formelor de activitate științifică care corespund sistemului economic de ieșire. Prin urmare, una dintre sarcinile cheie ale statului nostru este formarea unui sector eficient și competitiv de știință și inovare. Principalul instrument al statului în domeniul dezvoltării științei și tehnologiei este programul țintă federal „Cercetare și dezvoltare în domenii prioritare pentru dezvoltarea complexului științific și tehnic al Rusiei pentru 2007-2012”. În cadrul acestui program, statul finanțează lucrări care corespund unor priorități științifice și științifice-tehnice ale statului selectate, dintre care una este „Sisteme vii”.

Ajutor STRF.ru:
Lucrările în domeniul prioritar „Sisteme vii” se desfășoară și în cadrul Programului țintă federal „Cercetare și dezvoltare în domenii prioritare de dezvoltare ale Complexului științific și tehnologic al Rusiei pentru 2007-2012”. În cadrul acestei direcții, în 2008, în special, au fost dezvoltate următoarele tehnologii critice:
– tehnologii biomedicale și veterinare pentru susținerea vieții și protecția oamenilor și animalelor;
– tehnologii biocatalitice, biosintetice și biosenzoare;
– tehnologii genomice și post-genomice pentru crearea de medicamente;
– tehnologii celulare;
– tehnologii de bioinginerie.

Concept "științele vieții" a venit să înlocuiască conceptul obișnuit de „științe biologice” și a dat un nume comun tuturor științelor despre viețuitoare: zoologie și genetică, botanică și biologie moleculară, fiziologie și biochimie, ecologie și medicină. Toți cei care lucrează în aceste domenii se ocupă de sisteme vii, adică de organisme vii, fie că este vorba despre o persoană sau o floare, un virus sau o bacterie. Putem spune că sistemele vii sunt tot ceea ce se reproduce, respiră, se hrănește și se mișcă.

Cu toate acestea, aceasta nu este doar o chestiune de schimbare a numelui. Termenul „sisteme vii” este mai activ, mai structurat. Ea reflectă o abordare sistematică a acestui domeniu interdisciplinar al științei și cunoașterii, în care lucrează biologi, chimiști, fizicieni și matematicieni. În plus, termenul „Living Systems” este foarte tehnologic. Ea presupune nu numai cunoașterea și descoperirea principiilor de organizare a viețuitoarelor, ci și utilizarea acestor cunoștințe sub formă de noi tehnologii. Această abordare invită diferiți specialiști să treacă în comun de la o idee științifică la implementarea și utilizarea sa practică în interesul oamenilor.

Identificarea personală și diagnosticarea fiabilă a bolilor, creșterea organelor umane și crearea de culturi cu un conținut ridicat de vitamine, grăsimi și proteine, noi vaccinuri și medicamente - acestea și multe alte tehnologii aparțin de drept celui mai larg spațiu numit „sisteme vii”. Cercetarea și dezvoltarea efectuate în acest domeniu vor umple industria noastră cu tehnologii de înaltă tehnologie, vor îmbunătăți sănătatea și vor crește siguranța cetățenilor ruși. Acesta este motivul pentru care sistemele vii sunt una dintre principalele priorități guvernamentale în domeniul științei și tehnologiei, susținute activ prin programele federale vizate.

Această colecție va introduce pe scurt cititorul în conceptul de platforme tehnologice și biotehnologii, precum și unele dezvoltări ale echipelor științifice ruse care lucrează în direcția prioritară „Sisteme vii”.

Ajutor STRF.ru:
Repartizarea finanțării în direcția „Sisteme vii” în cadrul Programului țintă federal în 2008 pe regiune (milioane de ruble):
FEFD – 9 contracte, buget 116,5
Districtul Federal Volga - 17 contracte, buget 140,1
Districtul Federal de Nord-Vest - 32 de contracte, buget 156,0
Districtul Federal Siberian - 34 contracte, buget 237,4
Districtul Federal Ural – 1 contract, buget 50
Districtul Federal Central - 202 contracte, buget 2507.8
Districtul Federal de Sud - 4 contracte, buget 34,85

Cunoașterea ca tehnologie

În conversațiile despre dezvoltarea dezvoltărilor fundamentale și aplicate în domeniul sistemelor vii, conceptul de „tehnologie” este din ce în ce mai întâlnit. Într-o economie modernă, post-industrială, tehnologia este înțeleasă ca un set de cunoștințe documentate pentru activități intenționate folosind mijloace tehnice (de exemplu, tehnologii organizaționale, tehnologii de consum, tehnologii sociale, tehnologii politice). Trebuie menționat că într-o economie de piață, tehnologia, ca tip de cunoaștere, este o marfă. Corpul de cunoștințe notat de acest concept ridică întrebări nu numai despre ceea ce facem, ci și despre cum și, cel mai important, de ce o facem.

La determinarea strategiilor de dezvoltare a complexului științific și tehnic la scară națională se folosește conceptul de „platformă tehnologică”. Nu există încă o definiție clară a acestui termen. Cu toate acestea, este deja evident că acest concept include un corp de cunoștințe, metode, bază materială și tehnică și personal calificat, care variază în funcție de comenzile externe pentru munca științifică și tehnologică. Direcția prioritară „Living Systems” poate fi considerată ca o combinație a mai multor platforme tehnologice.

Secretele dezvăluite

Din sistemele vii derivăm tehnologii care sunt norma de viață pentru natură. Ea le folosește în timpul nașterii, dezvoltării și morții oricărui organism viu. Mai mult, la fiecare nivel al ierarhiei unui sistem viu – genetic, celular, organism – există un set diferit de soluții tehnologice.

Orice sistem viu începe cu molecula principală a vieții, ADN-ul, care stochează și transmite informații ereditare din generație în generație. ADN-ul poate fi împărțit aproximativ în secțiuni semantice - gene. Ei trimit comenzi pentru a sintetiza anumite proteine ​​care formează caracteristicile organismului și îi asigură viața. Oamenii de știință estimează numărul de gene la oameni la 20-25 de mii. Dacă apar defecte în gene, numite mutații, o persoană dezvoltă boli grave. Volumul de text „înregistrat” în genom este identic cu dosarul cotidianului Izvestia de 30 de ani.

ADN-ul trăiește și funcționează în celulă. O celulă vie este perfecțiunea însăși. Ea știe să transforme substanțele inutile în unele utile, să sintetizeze medicamente interne pentru organism, materiale de construcție și multe altele. În fiecare minut, într-o celulă vie au loc milioane de reacții chimice în cele mai obișnuite condiții - într-un mediu acvatic, fără presiuni și temperaturi ridicate.

O celulă trăiește singură doar în organisme unicelulare - bacterii, dar majoritatea sistemelor vii sunt multicelulare. Corpul uman adult conține în medie 10 14 celule. Ei se nasc, se transformă, își fac treaba și mor. Dar în același timp trăiesc în armonie și cooperare, construind sisteme colective de apărare (sistemul imunitar), adaptare (sistemul de reglare) și altele.

Pas cu pas dezvăluim secretele sistemelor vii și, pe baza acestor cunoștințe, creăm biotehnologie.

Biotehnologie

Biotehnologia poate fi definită ca procese în care sistemele vii sau componentele lor sunt utilizate pentru a produce substanțe sau alte sisteme vii. Ființele vii sunt „fabrici” originale care prelucrează materiile prime (nutrienții) într-o mare varietate de produse necesare pentru a le susține viața. Și, în plus, aceste fabrici sunt capabile să se reproducă, adică să genereze alte „fabrici” foarte asemănătoare.

Astăzi știm deja multe despre modul în care „lucrătorii” fabricilor vii sunt structurați și funcționează - genomul, structurile celulare, proteinele, celulele în sine și corpul în ansamblu.

Datorită acestor cunoștințe, deși încă incomplete, cercetătorii au învățat să manipuleze elemente individuale ale sistemelor vii - gene (tehnologii genomice), celule (tehnologii celulare) - și să creeze organisme vii modificate genetic cu trăsături utile nouă (ingineria genetică). Știm să adaptăm „fabricii” naturale pentru a produce produsul de care avem nevoie (biotehnologie industrială). Și mai mult, modificați genetic aceste fabrici astfel încât să sintetizeze ceea ce avem nevoie.

Așa creăm biotehnologii, despre care vom discuta în continuare. Dar înainte de a vă prezenta exemple de tehnologii care au fost deja puse în slujba omului, trebuie spus câteva cuvinte despre o soluție elegantă care ajută astăzi oamenii de știință să pătrundă în misterele vieții și să înțeleagă mecanismele sistemelor vii. La urma urmei, procesele care au loc într-o celulă sunt invizibile, iar cercetarea științifică necesită tehnologii cu care să poată fi văzute și înțelese. Apropo, această soluție este biotehnologia în sine.

Veverițe strălucitoare

Pentru a afla cum funcționează genele, trebuie să vedeți rezultatul muncii lor, adică proteinele care sunt sintetizate la comanda lor. Cum îi putem identifica exact pe cei pe care îi căutăm? Oamenii de știință au găsit o metodă care face proteinele vizibile, strălucind în lumina ultravioletă.

Astfel de proteine ​​luminoase se găsesc în natură, de exemplu, în crustaceele marine și în meduze. În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, japonezii au folosit ca sursă locală de lumină pulbere din „licuriciul de mare”, un crustaceu cu o coajă de bivalve. Când a fost înmuiat în apă, strălucea puternic. Din acest licurici și meduză de mare, O. Shimomura (Japonia) a izolat pentru prima dată proteine ​​luminoase la sfârșitul anilor 50 ai secolului XX. Acesta a fost începutul istoriei celebrului GFP - proteina verde fluorescentă. Și în 2008, O. Shimomura, M. Chelfi și R. Tsien (SUA) au primit Premiul Nobel pentru Chimie pentru proteine ​​fluorescente. Cu ajutorul acestor proteine, o mare varietate de obiecte vii pot fi făcute să strălucească, de la structuri celulare până la un animal întreg. O lanternă fluorescentă, care ar putea fi atașată la proteinele dorite folosind manipularea genetică, a făcut posibil să se vadă unde și când această proteină este sintetizată și către ce părți ale celulei este trimisă. A fost o revoluție în biologie și medicină.

Dar proteinele fluorescente roșii au fost descoperite pentru prima dată în corali și alte organisme marine de doi cercetători ruși - Mikhail Mats și Sergei Lukyanov. Acum avem proteine ​​fluorescente în toate culorile curcubeului, iar aplicațiile lor sunt foarte largi: de la vârful biologiei și medicinei, inclusiv oncologie, și detectarea substanțelor otrăvitoare și explozive, până la peștii de acvariu strălucitori.

Sub conducerea membrului corespondent al Academiei Ruse de Științe S. Lukyanov (Institutul de Chimie Bioorganică al Academiei Ruse de Științe), a fost creată compania biotehnologică rusă Evrogen, care furnizează oamenilor de știință din întreaga lume etichete fluorescente multicolore. Astăzi, Evrogen este unul dintre liderii de pe piața globală a proteinelor fluorescente pentru cercetarea biologică.

Identificarea genetică

Cu toții suntem foarte diferiți. Aspectul, caracterul, abilitățile, susceptibilitatea la medicamente, aversiunea față de acesta sau acel aliment - toate acestea sunt determinate genetic. Unicitatea genomului fiecăruia dintre noi îl face un instrument de încredere pentru identificarea identității. În esență, genele noastre sunt aceleași amprente, doar de natură diferită. Metoda de identificare a ADN-ului a fost introdusă în practica criminalistică de către cercetătorul britanic Alik Jeffreys în anii '80 ai secolului trecut. Astăzi, aceasta este deja o procedură comună și familiară în întreaga lume.

Este folosit și în Rusia. Cu toate acestea, achiziționăm reactivi pentru analiză în străinătate. La Institutul de Genetică Generală al Academiei Ruse de Științe, sub conducerea Membrului Corespondent al Academiei Ruse de Științe Nikolai Yankovsky, se creează un set de reactivi pentru identificarea ADN-ului uman. Apariția unui astfel de instrument intern este foarte oportună, deoarece la 1 ianuarie 2009 va intra în vigoare Legea „Cu privire la înregistrarea genomică”, adoptată de Duma de Stat a Federației Ruse la 19 noiembrie 2008. Dezvoltarea oamenilor de știință nu numai că ne va permite să refuzăm importurile, ci va oferi și criminologilor un instrument mai avansat care, spre deosebire de analogii occidentali, funcționează cu ADN-ul puternic deteriorat. Și acesta este un caz obișnuit în medicina legală.

Cu ajutorul acestui instrument, va fi rezolvată o altă sarcină socială importantă - crearea unei bănci de date genetice ale încălcatorilor legii, care va crește gradul de depistare a infracțiunilor și va reduce timpul de investigare. În Marea Britanie, baza de date genetică a persoanelor care sunt într-un fel sau altul conectate cu lumea criminală numără deja câteva milioane de oameni.

Metoda de identificare ADN este deosebit de bună pentru identificarea persoanelor care au murit în războaie, dezastre și alte circumstanțe. Astăzi este folosit și în Rusia. Cel mai cunoscut caz este identificarea rămășițelor ultimei familii regale. Etapa finală a acestei mărețe lucrări - identificarea rămășițelor fiului și fiicei împăratului - a fost realizată de profesorul Evgeniy Rogaev, șeful departamentului de genomică al Institutului de Genetică Generală al Academiei Ruse de Științe.

În cele din urmă, un alt domeniu de aplicare a metodei de identificare ADN este stabilirea paternității. Cercetările arată că câteva procente dintre tații legali nu sunt biologici. Multă vreme, paternitatea s-a stabilit prin analiza sângelui copilului și al părintelui - s-au determinat grupa sanguină și factorul Rh și s-au comparat datele. Cu toate acestea, această metodă a fost în mod inerent nesigură, așa cum înțeleg acum cercetătorii, și a produs multe erori care au dus la tragedii personale. Utilizarea identificării ADN-ului a crescut acuratețea analizei la aproape 100%. Astăzi, această tehnică de stabilire a paternității este disponibilă în Rusia.

Diagnosticul genetic

A face o analiză completă a genomului unei persoane costă în prezent o sumă imensă de bani - două milioane de dolari. Adevărat, în zece ani, pe măsură ce tehnologia se îmbunătățește, se prevede că prețul va scădea la o mie de dolari. Dar este posibil să nu descriem toate genele. Adesea este suficient să se evalueze activitatea doar a anumitor grupuri de gene care sunt critice pentru apariția diferitelor afecțiuni.

Diagnosticul genetic necesită dispozitive speciale, miniaturale, rapide și precise. Aceste dispozitive se numesc biocipuri. Primul brevet din lume pentru biocipuri pentru determinarea structurii ADN-ului aparține Rusiei - numită după echipa academicianului Andrei Mirzabekov de la Institutul de Biologie Moleculară. V.A. Engelhardt RAS. Apoi, la sfârșitul anilor 80 ai secolului trecut, echipa lui Mirzabekov a dezvoltat tehnologia micromatricelor. Au început să fie numite biocipuri mai târziu.

Microcipurile biologice sunt o placă mică de sticlă sau plastic, pe suprafața căreia se află multe celule. Fiecare dintre aceste godeuri conține un marker pentru una sau alta parte a genomului care trebuie detectată în probă. Dacă proba de sânge a unui pacient este aruncată pe biocip, putem afla dacă conține ceea ce căutăm - godeul corespunzător va străluci datorită unei etichete fluorescente.

Examinând un biocip uzat, cercetătorii pot pune un diagnostic de predispoziție la anumite boli, precum și pot detecta viruși periculoși în sângele pacientului, de exemplu, tuberculoza sau hepatita C. La urma urmei, un virus nu este altceva decât o bucată de ADN străin. într-o înveliș de proteine. Datorită noii tehnici, durata analizelor complexe de laborator ale materialelor biologice a fost redusă de la câteva săptămâni la o zi.

Astăzi, microbiocipurile biologice sunt dezvoltate de zeci de companii din Europa și SUA. Cu toate acestea, biocipurile rusești rezistă cu succes concurenței. O analiză folosind sistemul de testare Biochip-IMB costă doar 500 de ruble, în timp ce utilizarea unui analog străin costă 200-500 USD.

Iar Institutul de Biologie Moleculară al Academiei Ruse de Științe a început să certifice biocipuri care detectează tipurile de virus al hepatitei C la un pacient. Potențialul de piață al noii tehnologii este enorm. La urma urmei, cu ajutorul testelor tradiționale, în fiecare al treilea caz nu se poate afla ce varietate aparține virusul găsit. Acum această problemă a fost rezolvată.

Folosind diagnosticul ADN, puteți nu numai să identificați bolile și predispoziția la acestea, ci și să vă ajustați dieta zilnică. De exemplu, dacă să includeți sau nu lapte integral. Cert este că pentru mulți oameni, laptele integral provoacă greață, diaree și stare generală de rău. Acest lucru se întâmplă din cauza lipsei unei enzime care descompune zahărul din lapte - lactoza. Din această cauză, apar probleme în organism. Și prezența enzimei este determinată genetic. Potrivit studiilor genetice, de la o treime la jumătate dintre adulții din țara noastră (în funcție de regiune) nu sunt capabili să digere laptele integral. Cu toate acestea, dieta școlară necesită încă un pahar de lapte pe zi pentru fiecare copil. Folosind un test de diagnostic ADN dezvoltat la Institutul de Genetică Generală al Academiei Ruse de Științe, este ușor de stabilit cui i se poate recomanda lapte integral și cui nu. Acesta este scopul proiectului „Păstrarea sănătății oamenilor sănătoși”, implementat de Academia Rusă de Științe împreună cu administrația regiunii Tambov.

Terapia genică

Diagnosticul genetic construiește fundația pentru medicina viitorului. Dar medicina nu este doar un diagnostic, este și un tratament. Putem corecta genele defecte dintr-un organism viu sau le putem înlocui cu unele complete în acele cazuri severe când tratamentul tradițional este neputincios? Aceasta este tocmai sarcina pe care și-o propune terapia genică.

Esența terapiei genice este simplă în cuvinte: este necesar fie să „reparam” o genă ruptă în celulele acelor țesuturi și organe în care nu funcționează, fie să livrăm o genă cu drepturi depline în corpul pacientului, pe care o vom oferi. poate sintetiza in vitro. Astăzi, au fost dezvoltate mai multe metode pentru introducerea de noi gene în celule. Aceasta include livrarea de gene folosind viruși neutralizați, microinjecția de material genetic în nucleul celulei, tragerea de celule dintr-un pistol special cu particule minuscule de aur care poartă gene sănătoase pe suprafața lor etc. Până acum, a existat foarte puțin succes în domeniul terapie genică practică. Cu toate acestea, există descoperiri luminoase și pline de spirit, inclusiv în laboratoarele rusești.

Una dintre aceste idei, destinată tratamentului cancerului, poate fi numită „cal troian”. Una dintre genele virusului herpes este introdusă în celulele canceroase. Până la un anumit moment, acest „cal troian” nu se dezvăluie. Dar de îndată ce un medicament utilizat pe scară largă pentru a trata herpesul (ganciclovir) este introdus în corpul pacientului, gena începe să funcționeze. Ca urmare, în celule se formează o substanță extrem de toxică, distrugând tumora din interior. O altă opțiune pentru terapia genică a cancerului este livrarea de gene către celulele canceroase, care va declanșa sinteza așa-numitelor proteine ​​„sinucidere”, conducând la „sinuciderea” celulelor canceroase.

Tehnologia de livrare a genelor în celulele canceroase este dezvoltată de o echipă mare de oameni de știință de la Institutul de Chimie Bioorganică, numită după. M.M. Shemyakin și Yu.A. Ovchinnikov RAS, Centrul de Cercetare Oncologică din Rusia RAMS, Institutul de Genetică Moleculară RAS, Institutul de Biologie Genetică RAS. Lucrarea este condusă de academicianul Evgeniy Sverdlov. Obiectivul principal al proiectului este crearea de medicamente împotriva cancerului pulmonar (locul întâi în mortalitate) și cancerului esofagian (locul șapte). Cu toate acestea, metodele și design-urile create vor fi utile în lupta împotriva oricărui tip de cancer, dintre care există mai mult de o sută. După testele clinice necesare, dacă au succes, medicamentele vor intra în practică în 2012.

Diagnosticul cancerului

Un număr mare de echipe științifice din Rusia și din întreaga lume lucrează la problema cancerului. Acest lucru este de înțeles: în fiecare an, cancerul culege o recoltă mortală puțin mai mică decât bolile cardiovasculare. Sarcina oamenilor de știință este să creeze tehnologii care să facă posibilă detectarea cancerului în stadiile incipiente și distrugerea celulelor canceroase într-o manieră țintită, fără efecte secundare pentru organism. Diagnosticul precoce și rapid, atunci când analiza durează doar câteva ore, este extrem de important pentru terapia tradițională a cancerului. Medicii știu că este mai ușor să distrugi boala din mugure. Prin urmare, clinicile din întreaga lume au nevoie de tehnologii de diagnosticare care să îndeplinească aceste cerințe. Și aici biotehnologia vine în ajutorul cercetătorilor.

O nouă abordare a diagnosticului precoce și rapid al cancerului a fost propusă pentru prima dată în lume de Alexander Chetverin de la Institutul de Proteine ​​al Academiei Ruse de Științe. Esența metodei este identificarea în sânge a acelor molecule de ARNm care îndepărtează informațiile din părțile corespunzătoare ale genomului și poartă comanda pentru sinteza proteinelor canceroase. Dacă astfel de molecule sunt prezente în proba de sânge a unui pacient, atunci se poate face un diagnostic de cancer. Cu toate acestea, problema este că există foarte puține dintre aceste molecule în proba de sânge, în timp ce există multe altele. Cum să găsim și să discernem acele exemplare unice de care avem nevoie? Această problemă a fost rezolvată de o echipă de oameni de știință sub conducerea lui A. Chetverin.

Cercetătorii au învățat să înmulțească moleculele marker de celule canceroase căutate, dar invizibile, folosind așa-numita reacție în lanț a polimerazei (PCR).

Ca rezultat, colonii moleculare întregi cresc dintr-o moleculă invizibilă, care poate fi deja văzută la microscop. Dacă proba de sânge a unui pacient (de exemplu, un mililitru) conține cel puțin o celulă canceroasă și o moleculă marker, atunci boala incipientă poate fi detectată.

Analiza poate fi făcută în doar câteva ore și costă câteva mii de ruble. Dar dacă îl utilizați în masă, de exemplu, în timpul unui examen medical preventiv anual, atunci prețul poate scădea la 300-500 de ruble.

Tratament pentru cancer

În domeniul tratamentului cancerului, există și câteva abordări noi care se bazează pe biotehnologie. Una dintre ele este utilizarea anticorpilor specifici ca agenți anticancer.

Anticorpii sunt molecule de proteine ​​produse de celulele sistemului imunitar. De fapt, aceasta este o armă chimică pe care corpul nostru o folosește în lupta împotriva tuturor tipurilor de viruși, precum și a celulelor degenerate ale propriului nostru corp - celulele canceroase. Dacă sistemul imunitar în sine nu poate face față cancerului, atunci acesta poate fi ajutat.

Oamenii de știință de la Laboratorul de Imunologie Moleculară (Institutul de Chimie Bioorganică al Academiei Ruse de Științe), sub conducerea membrului corespondent al Academiei Ruse de Științe Serghei Deev, construiesc o nouă generație de anticorpi care recunosc ținta și o distrug. Această abordare se bazează pe principiul așa-numitului „glonț magic”, care își găsește întotdeauna și cu acuratețe victima. Anticorpii sunt perfect potriviți pentru acest rol. O parte a moleculei lor servește drept „antenă” care îndreaptă către țintă - suprafața celulei canceroase. Și diverși agenți dăunători - toxine, molecule organice, izotopi radioactivi - pot fi atașați la coada anticorpului. Au efecte diferite, dar toate ucid tumora.

Celulele canceroase pot fi, de asemenea, distruse aproape natural. Este suficient pentru a declanșa mecanismul morții celulare programate, un fel de sinucidere oferit de natură. Oamenii de știință o numesc apoptoza. Mecanismul de sinucidere este declanșat de enzimele intracelulare care distrug proteinele din interiorul celulei și ADN-ul însuși. Din păcate, celulele canceroase sunt uimitor de rezistente, deoarece sunt capabile să-și suprima „stările de spirit” suicidare. Problema este că există foarte puține dintre aceste enzime în celulele canceroase, așa că este dificil să declanșezi apoptoza.

Cu toate acestea, această problemă poate fi rezolvată. Pentru a declanșa mecanismul de sinucidere, oamenii de știință siberieni propun deschiderea membranelor structurilor celulare, de exemplu, mitocondriile. Atunci celula va muri inevitabil. Institutul de Chimie Bioorganică al Filialei Siberiei a Academiei Ruse de Științe, Centrul Științific de Stat „Vector” (satul Koltsovo), Spitalul Municipal de Chirurgie Pulmonară (Novosibirsk), Fundația Științifică și de Producție „Tehnologii Medicale” (Kurgan), și Institutul de Cercetare de Imunologie Clinică și Experimentală al Academiei Ruse de Științe Medicale (Novosibirsk) participă la acest proiect amplu. Împreună, cercetătorii au selectat substanțe care pot deschide membranele structurilor celulare și au dezvoltat o metodă de livrare a acestor substanțe către celula canceroasă.

Vaccinuri

Cunoștințele noastre despre sistemul imunitar al animalelor pot fi folosite nu numai pentru tratarea cancerului, ci și a oricăror boli infecțioase. Primim imunitate împotriva majorității bolilor „prin moștenire”; împotriva altora dobândim imunitate suferind de o boală cauzată de o nouă infecție. Dar imunitatea poate fi antrenată și – de exemplu, prin vaccinare.

Eficacitatea vaccinării a fost demonstrată pentru prima dată în urmă cu mai bine de 200 de ani de către medicul Edward Jenner, care a demonstrat că o persoană care avea variola bovină a devenit imună la variola. De atunci, multe boli au fost aduse sub controlul medicilor. De pe vremea lui Pasteur, virusurile slăbite sau ucise au fost folosite pentru vaccinuri. Dar acest lucru impune limitări: nu există nicio garanție că vaccinul este complet lipsit de particule virale active; lucrul cu multe dintre ele necesită o atenție deosebită; perioada de valabilitate a vaccinului depinde de condițiile de depozitare.

Aceste dificultăți pot fi depășite folosind metode de inginerie genetică. Cu ajutorul lor, puteți produce componente individuale de bacterii și viruși și apoi le puteți injecta pacienților - efectul protector nu va fi mai rău decât atunci când utilizați vaccinuri convenționale. Primele vaccinuri obținute prin inginerie genetică au fost vaccinuri pentru animale - împotriva febrei aftoase, a rabiei, a dizenteriei și a altor boli ale animalelor. Primul vaccin modificat genetic pentru oameni a fost vaccinul împotriva hepatitei B.

Astăzi, pentru majoritatea infecțiilor putem face vaccinuri – clasice sau modificate genetic. Problema principală este legată de ciuma secolului al XX-lea - SIDA. Vaccinarea este bună pentru el. La urma urmei, întărește sistemul imunitar și forțează organismul să producă mai multe celule imunitare. Virusul imunodeficienței umane (HIV), care provoacă SIDA, trăiește și se înmulțește în aceste celule. Cu alte cuvinte, îi oferim și mai multe oportunități - celule noi, sănătoase ale sistemului imunitar să se infecteze.

Cercetările privind găsirea vaccinurilor împotriva SIDA au o istorie lungă și se bazează pe o descoperire făcută în anii 70 ai secolului trecut de către viitorii academicieni R.V. Petrov, V.A. Kabanov și R.M. Khaitov. Esența sa este aceea polielectroliți (molecule de polimer încărcate care sunt solubile în apă) interacționează cu celulele sistemului imunitar și îi determină pe acesta din urmă să producă intens anticorpi. Și dacă, de exemplu, una dintre proteinele care alcătuiesc învelișul virusului este atașată de o moleculă de polielectrolit, se va activa un răspuns imun împotriva acestui virus. Mecanismul de acțiune al acestui vaccin este fundamental diferit de toate vaccinurile care au fost create anterior în lume.

Primul polielectrolit din lume și până acum singurul polielectrolit care poate fi introdus în corpul uman a fost polioxidoniu. Apoi proteinele virusului gripal au fost „cusute” pe polimer. Rezultatul a fost vaccinul „Grippol”, care a protejat milioane de oameni din Rusia de infecția virală timp de aproape 10 ani.

Astăzi, vaccinul SIDA este creat folosind aceeași metodă. O proteină caracteristică virusului SIDA a fost legată de un polielectrolit. Vaccinul rezultat a fost testat cu succes pe șoareci și iepuri. Pe baza rezultatelor testelor preclinice, Institutul de Imunologie al Academiei Ruse de Științe a primit permisiunea de a efectua studii clinice cu participarea voluntarilor. Dacă toate etapele testării medicamentului au succes, acesta poate fi utilizat nu numai pentru prevenirea infecției cu HIV, ci și pentru tratamentul SIDA.

Medicamente donate de biotehnologii

Medicamentele rămân în continuare principalul instrument al practicii medicale. Cu toate acestea, capacitățile industriei chimice, care produce cea mai mare parte a medicamentelor, sunt limitate. Sinteza chimică a multor substanțe este complexă și adesea imposibilă, cum ar fi sinteza marii majorități a proteinelor. Și aici vine biotehnologia în ajutor.

Producerea de medicamente care utilizează microorganisme are o istorie lungă. Primul antibiotic, penicilina, a fost izolat din mucegai în 1928, iar producția sa industrială a început în 1940. În urma penicilinei, au fost descoperite alte antibiotice și a început producția lor în masă.

Multă vreme, multe medicamente pe bază de proteine ​​umane au putut fi obținute doar în cantități mici; producția lor a fost foarte costisitoare. Ingineria genetică a dat speranță că gama de medicamente proteice și numărul lor vor crește brusc. Și aceste așteptări erau justificate. Câteva zeci de medicamente obținute prin mijloace biotehnologice au intrat deja în practica medicală. Potrivit experților, volumul anual al pieței globale a medicamentelor pe bază de proteine ​​create prin inginerie genetică crește cu 15%, iar până în 2010 se va ridica la 18 miliarde de dolari.

Cel mai izbitor exemplu al muncii biotehnologilor noștri în acest domeniu este insulina umană modificată genetic, care este produsă la Institutul de Chimie Bioorganică care poartă numele. M.M.Shemyakin și Yu.A.Ovchinnikov RAS. Insulina, adică un hormon cu structură proteică, reglează descompunerea zahărului în corpul nostru. Poate fi extras din animale. Asta făceau înainte. Dar chiar și insulina din pancreasul porcilor - animalele biochimice cele mai apropiate de noi - este încă ușor diferită de insulina umană.

Activitatea sa în corpul uman este mai mică decât activitatea insulinei umane. În plus, sistemul nostru imunitar nu tolerează proteinele străine și face tot posibilul să le respingă. Prin urmare, insulina de porc injectată poate dispărea înainte de a avea timp să aibă un efect terapeutic. Problema a fost rezolvată prin tehnologia de inginerie genetică, care este folosită astăzi pentru a produce insulină umană, inclusiv în Rusia.

În plus față de insulina umană modificată genetic la Institutul de Chimie Bioorganică. M.M. Shemyakina și Yu.A. Ovchinnikova de la Academia Rusă de Științe, Institutul de Chimie Bioorganică, Academia Rusă de Științe, împreună cu Centrul de Cercetare Hematologică al Academiei Ruse de Științe Medicale, au creat o tehnologie pentru producerea de proteine ​​pentru combaterea masivului pierderi de sange. Albumina serică umană și factorul de coagulare a sângelui sunt instrumente excelente de prim ajutor și resuscitare solicitate în medicina dezastrelor.

Plante modificate genetic

Cunoștințele noastre despre genetică, extinzându-se în fiecare zi, ne-au permis să creăm nu numai teste genetice pentru diagnosticarea bolilor și proteinelor strălucitoare, vaccinuri și medicamente, ci și noi organisme. Astăzi aproape că nu există o persoană care să nu fi auzit de organisme modificate genetic sau transgenice (OMG). Acestea sunt plante sau animale în ale căror gene ADN au fost introduse din exterior, dând acestor organisme noi proprietăți utile, din punct de vedere uman.

Armata OMG-urilor este mare. Printre rândurile sale se numără microbii benefici care lucrează în fabricile biotehnologice și produc multe substanțe utile pentru noi, culturi cu proprietăți îmbunătățite și mamifere care produc mai multă carne și mai mult lapte.

Una dintre cele mai răspândite subdiviziuni ale OMG-urilor este, desigur, plantele. La urma urmei, din timpuri imemoriale au servit drept hrană pentru oameni și hrană pentru animale. Din plante obtinem fibre pentru constructii, substante pentru medicamente si parfumuri, materii prime pentru industria chimica si energie, foc si caldura.

Continuăm să îmbunătățim calitatea plantelor și să dezvoltăm noi soiuri prin creșterea selectivă. Dar acest proces minuțios și laborios necesită mult timp. Ingineria genetică, care ne-a permis să inserăm gene utile în genomul plantelor, a ridicat reproducerea la un nivel fundamental nou.

Prima plantă transgenică, creată în urmă cu un sfert de secol, a fost tutunul, iar astăzi 160 de culturi transgenice sunt folosite la scară industrială în lume. Printre acestea se numără porumb și soia, orez și rapiță, bumbac și in, roșii și dovleac, tutun și sfeclă, cartofi și cuișoare și altele.

La Centrul de Bioinginerie al Academiei Ruse de Științe, condus de academicianul K.G. Skryabin. împreună cu colegii din Belarus, au creat prima cultură autohtonă modificată genetic - soiul de cartofi Elizaveta, rezistent la gândacul de cartof de Colorado.

Primele culturi modificate genetic, dezvoltate la începutul anilor 1980, au fost rezistente la erbicide și insecte. Astăzi, cu ajutorul ingineriei genetice, obținem soiuri care conțin mai mulți nutrienți, sunt rezistente la bacterii și viruși și sunt rezistente la secetă și frig. În 1994, a fost creată pentru prima dată o varietate de roșii care nu erau susceptibile la putrezire. Acest soi a apărut pe piețele de alimente modificate genetic în decurs de doi ani. Un alt produs transgenic, orezul auriu, a devenit cunoscut pe scară largă. În ea, spre deosebire de orezul obișnuit, se formează beta-carotenul - un precursor al vitaminei A, care este absolut necesară pentru creșterea organismului. Orezul auriu rezolvă parțial problema nutriției adecvate pentru rezidenții acelor țări în care orezul este încă principalul fel de mâncare din dietă. Și asta înseamnă cel puțin două miliarde de oameni.

Nutriția și productivitatea nu sunt singurele obiective urmărite de inginerii genetici. Este posibil să se creeze varietăți de plante care vor conține vaccinuri și medicamente în frunzele și fructele lor. Acest lucru este foarte valoros și convenabil: vaccinurile făcute din plante transgenice nu pot fi contaminate cu viruși animale periculoși, iar plantele în sine sunt ușor de cultivat în cantități mari. Și, în sfârșit, vaccinurile „comestibile” pot fi create pe bază de plante, când pentru vaccinare este suficient să mănânci o anumită cantitate din orice fruct sau legume transgenice, de exemplu, cartofi sau banane. De exemplu, morcovii conțin substanțe care sunt implicate în formarea răspunsului imun al organismului. Astfel de plante sunt create în comun de oameni de știință de la două institute biologice de top din Siberia: Institutul de Citologie și Genetică al Filialei Siberiei a Academiei Ruse de Științe și Institutul de Biologie Chimică și Medicină Fundamentală al SB RAS.

Nu se poate spune că societatea se ferește de plantele modificate genetic (GMP). Și în comunitatea științifică însăși, există o discuție în curs despre posibilul pericol potențial al GMR. Prin urmare, cercetările sunt în curs de desfășurare în întreaga lume pentru a evalua riscurile asociate cu utilizarea GMR - alimentară, agrotehnică și de mediu. În timp ce Organizația Mondială a Sănătății afirmă următoarele: „Experiența acumulată de-a lungul a 10 ani de utilizare comercială a culturilor modificate genetic, analiza rezultatelor unor studii speciale arată: până în prezent, nu există un singur caz dovedit de toxicitate sau efecte adverse ale OMG înregistrat. culturile ca surse de hrană sau furaje în lume.”

Din 1996, când a început cultivarea comercială a GMR, până în 2007, suprafața totală însămânțată cu plante transgenice a crescut de la 1,7 milioane la 114 milioane de hectare, ceea ce reprezintă aproximativ 9% din toată suprafața arabilă din lume. Mai mult, 99% din această suprafață este ocupată de cinci culturi: soia, bumbac, orez, porumb și rapiță. În volumul total al producției lor, soiurile modificate genetic reprezintă peste 25%. Liderul absolut în utilizarea GMR este Statele Unite, unde deja în 2002, 75% din bumbac și soia erau transgenice. În Argentina, ponderea boabelor de soia transgenice a fost de 99%, în Canada 65% din rapiță a fost produsă astfel, iar în China - 51% din bumbac. În 2007, 12 milioane de fermieri erau angajați în cultivarea hidrocarburilor, dintre care 90% trăiesc în țările în curs de dezvoltare. În Rusia, cultivarea industrială a hidrocarburilor este interzisă prin lege.

Animale modificate genetic

Inginerii genetici folosesc o strategie similară pentru a dezvolta noi rase de animale. În acest caz, gena responsabilă de manifestarea oricărei trăsături valoroase este introdusă în ovulul fecundat, din care se dezvoltă în continuare un nou organism. De exemplu, dacă setul de gene al unui animal este suplimentat cu gena unui hormon de stimulare a creșterii, atunci astfel de animale vor crește mai repede cu mai puțină hrană consumată. Rezultatul este carne mai ieftină.

Un animal poate fi o sursă nu numai de carne și lapte, ci și de substanțe medicinale conținute în acest lapte. De exemplu, cele mai valoroase proteine ​​umane. Despre unele dintre ele am vorbit deja. Acum această listă poate fi completată cu lactoferină, o proteină care protejează copiii nou-născuți de microorganismele periculoase până la dezvoltarea propriei imunitate.

Corpul unei femei produce această substanță cu primele porții de lapte matern. Din păcate, nu toate mamele au lapte, așa că lactoferina umană trebuie adăugată în hrănirea cu formulă pentru a menține sănătatea nou-născuților. Dacă în dietă există suficiente proteine ​​de protecție, atunci mortalitatea sugarilor artificiali din diferite infecții gastrointestinale poate fi redusă de zece ori. Această proteină este solicitată nu numai în industria alimentară pentru copii, ci și, de exemplu, în industria cosmetică.

Tehnologia de producere a laptelui de capră cu lactoferină umană este dezvoltată la Institutul de Biologie Genetică al Academiei Ruse de Științe și Centrul Științific și Practic al Academiei Naționale de Științe din Belarus pentru Zootehnie. Anul acesta s-au născut primele două capre transgenice. Pe parcursul mai multor ani de cercetare, 25 de milioane de ruble au fost cheltuite pentru crearea fiecăruia dintre ele. Trebuie doar să așteptăm până când cresc, se înmulțesc și încep să producă lapte cu proteine ​​umane valoroase.

Inginerie celulară

Există un alt domeniu interesant al biotehnologiei: tehnologia celulară. Celulele stem, care sunt fantastice în abilitățile lor, trăiesc și lucrează în corpul uman. Ele înlocuiesc celulele moarte (să zicem, un eritrocit, un globule roșu, trăiește doar 100 de zile), ne vindecă fracturile și rănile și restaurează țesutul deteriorat.

Existența celulelor stem a fost prezisă de un hematolog rus din Sankt Petersburg, Alexander Maksimov, încă din 1909. Câteva decenii mai târziu, presupunerea sa teoretică a fost confirmată experimental: celulele stem au fost descoperite și izolate. Dar adevăratul boom a început la sfârșitul secolului al XX-lea, când progresul în domeniul tehnologiilor experimentale a făcut posibilă discernământul potențialului acestor celule.

Până acum, progresele în medicină asociate cu utilizarea celulelor stem au fost mai mult decât modeste. Știm cum să izolăm aceste celule, să le depozităm, să le înmulțim și să experimentăm cu ele. Dar încă nu înțelegem pe deplin mecanismul transformărilor lor magice, atunci când o celulă stem fără față se transformă într-o celulă de sânge sau țesut muscular. Nu am înțeles încă pe deplin limbajul chimic în care celula stem primește ordinul de a se transforma. Această ignoranță creează riscuri din utilizarea celulelor stem și împiedică implementarea lor activă în practica medicală. Cu toate acestea, există progrese în tratamentul fracturilor nevindecătoare la persoanele în vârstă, precum și în tratamentul restaurator după infarct miocardic și intervenții chirurgicale pe cord.

În Rusia, a fost dezvoltată o metodă pentru tratarea arsurilor retinei folosind celule stem cerebrale umane. Dacă aceste celule sunt introduse în ochi, ele se vor muta în mod activ în zona arsurilor, se vor așeza în straturile exterioare și interioare ale retinei deteriorate și vor stimula vindecarea arsurii. Metoda a fost dezvoltată de un grup de cercetare de oameni de știință de la Institutul de Cercetare a Bolilor Oculare din Moscova, numit după. G. Helmholtz Ministerul Sănătății al Federației Ruse, Institutul de Biologie a Dezvoltării numit după. N.K.Koltsov RAS, Institutul de Biologie Genetică RAS și Centrul Științific de Obstetrică, Ginecologie și Perinatologie al Academiei Ruse de Științe Medicale.

În prezent suntem în stadiul de acumulare a cunoștințelor despre celulele stem. Eforturile oamenilor de știință sunt concentrate pe cercetare, pe crearea infrastructurii, în special, a băncilor de celule stem, prima dintre care în Rusia a fost Gemabank. Creșterea organelor, tratarea sclerozei multiple și a bolilor neurodegenerative sunt viitorul, deși nu atât de îndepărtat.

Bioinformatica

Cantitatea de cunoștințe și informații crește ca un bulgăre de zăpadă. Înțelegând principiile de funcționare a sistemelor vii, ne dăm seama de complexitatea incredibilă a structurii materiei vii, în care o varietate de reacții biochimice sunt împletite între ele și formează rețele complicate. Este posibil să dezlegați această „pânză” de viață numai prin utilizarea metodelor matematice moderne pentru a modela procesele din sistemele vii.

De aceea, la intersecția dintre biologie și matematică, s-a născut o nouă direcție - bioinformatica, fără de care munca biotehnologilor nu mai este de conceput. Cele mai multe metode bioinformatice, desigur, funcționează pentru medicină, și anume, pentru căutarea de noi compuși medicinali. Ele pot fi căutate pe baza cunoștințelor structurii moleculei care este responsabilă de dezvoltarea unei anumite boli. Dacă o astfel de moleculă este blocată cu orice substanță selectată cu mare precizie, atunci cursul bolii poate fi oprit. Bioinformatica face posibilă descoperirea unei molecule de blocare adecvate utilizării clinice. Dacă cunoaștem ținta, de exemplu, structura unei proteine ​​„care cauzează boli”, atunci folosind programe de calculator putem simula structura chimică a medicamentului. Această abordare vă permite să economisiți în mod semnificativ timpul și resursele necesare pentru sortarea și testarea a zeci de mii de compuși chimici.

Printre liderii în crearea de medicamente care utilizează bioinformatica în Rusia se numără și compania Himrar. În căutarea unor potențiale medicamente împotriva cancerului, ea este implicată, în special, în screening-ul a multe mii de compuși chimici. Cele mai puternice centre științifice rusești angajate în bioinformatică includ și Institutul de Citologie și Genetică al Filialei Siberiei a Academiei Ruse de Științe. Începând cu anii 60 ai secolului XX, în orașul academic Novosibirsk s-a format o școală științifică unică, unind biologi și matematicieni. Principalul domeniu de activitate al bioinformaticienilor din Novosibirsk este analiza interacțiunilor proteinelor din interiorul celulelor și căutarea unor potențiale ținte moleculare pentru noi medicamente.

Pentru a înțelege mecanismul de dezvoltare a unei anumite boli, este important să știm care dintre miile de gene care lucrează într-o celulă bolnavă sunt de fapt responsabile de boală. Această sarcină deloc ușoară este complicată de faptul că genele, de regulă, nu funcționează singure, ci doar în combinație cu alte gene. Dar cum putem lua în considerare contribuția altor gene la o anumită boală? Și aici bioinformatica vine în ajutorul medicilor. Folosind algoritmi matematici, este posibilă construirea unei hărți pe care intersecțiile căilor arată interacțiunile genelor. Astfel de hărți dezvăluie grupuri de gene care funcționează într-o celulă bolnavă în diferite stadii ale bolii. Aceste informații sunt extrem de importante, de exemplu, pentru alegerea unei strategii de tratament a cancerului în funcție de stadiul bolii.

Biotehnologia industrială

Omul a folosit biotehnologia din timpuri imemoriale. Oamenii făceau brânză din lapte, fermentau varză pentru iarnă și preparau băuturi vesele din tot ce era fermentat. Toate acestea sunt procese microbiologice clasice în care principala forță motrice este un microorganism, cel mai mic sistem viu.

Astăzi, gama de probleme rezolvate de biotehnologie s-a extins incredibil. Am vorbit deja despre diagnosticul genetic al bolilor, noi vaccinuri și medicamente obținute cu ajutorul biotehnologiei și organisme modificate genetic. Cu toate acestea, viața ridică și alte provocări. Instalațiile gigantice de producție chimică de unde obținem substanțele necesare pentru a crea un mediu de viață confortabil (fibre, materiale plastice, materiale de construcție și multe altele) astăzi nu mai par la fel de atractive ca acum 60 de ani. Consumă multă energie și resurse (presiuni mari, temperaturi, catalizatori din metale prețioase), poluează mediul și ocupă terenuri prețioase. Pot biotehnologii să ofere un înlocuitor aici?

Da, ei pot. De exemplu, microorganismele modificate genetic care funcționează ca catalizatori eficienți pentru procesele chimice industriale. Astfel de biocatalizatori au fost creați la Institutul de Cercetare a Rusiei de Genetică și Selecție a Microorganismelor, de exemplu, pentru etapa periculoasă și murdară de producere a substanței toxice acrialamidă. Este folosit pentru a face un polimer poliacrilamida, utilizat în tratarea apei, în producția de scutece și pentru producția de hârtie acoperită și în multe alte scopuri. Biocatalizatorul permite unei reacții chimice pentru a produce un monomer la temperatura camerei, fără utilizarea de reactivi agresivi și presiune înaltă.

Biocatalizatorul a fost adus în uz industrial în Rusia prin eforturile echipei științifice a ZAO Bioamid (Saratov) sub conducerea lui Serghei Voronin. Aceeași echipă a dezvoltat biotehnologia pentru producerea acidului aspartic și a creat medicamentul cardiac de înlocuire a importurilor Asparkam L. Medicamentul a intrat deja pe piață în Rusia și Belarus. Medicamentul rusesc nu numai că este mai ieftin decât analogii importați, dar, potrivit medicilor, este și mai eficient. Cert este că Asparkam L conține un singur izomer optic al acidului, cel care are efecte terapeutice. Iar analogul occidental, panangin, se bazează pe un amestec de doi izomeri optici, L și D, dintre care al doilea servește pur și simplu drept balast. Descoperirea echipei Bioamida este că au reușit să separe acești doi izomeri greu de separat și să pună procesul pe o bază industrială.

Este posibil ca în viitor uzinele chimice uriașe să dispară cu totul, iar în locul lor vor exista ateliere mici, sigure, care nu dăunează mediului, unde microorganismele vor funcționa, producând toate produsele intermediare necesare pentru diverse industrii. În plus, micile fabrici verzi, fie ele microorganisme sau plante, ne permit să obținem substanțe utile care nu pot fi produse într-un reactor chimic. De exemplu, proteina din mătase de păianjen. Firele de cadru ale plaselor de captare pe care le țese păianjenul pentru victimele sale sunt de câteva ori mai rezistente decât oțelul. S-ar părea că plantezi păianjeni în ateliere și tragi fire de proteine ​​din ei. Dar păianjenii nu trăiesc în același borcan - se vor mânca unul pe altul.

O soluție frumoasă a fost găsită de o echipă de oameni de știință condusă de doctorul în științe biologice Vladimir Bogush (Institutul de Stat de Cercetare în Genetică și Selecția Microorganismelor) și doctorul în științe biologice Eleonora Piruzyan (Institutul de Genetică Generală al Academiei Ruse de Științe). În primul rând, genele responsabile pentru sinteza proteinei de mătase de păianjen au fost izolate din genomul păianjenului. Aceste gene au fost apoi introduse în celulele de drojdie și tutun. Amândoi au început să producă proteinele de care avem nevoie. Ca urmare, s-a creat baza pentru tehnologia de producție a unui material structural unic și aproape natural, ușor și extrem de durabil, din care se pot realiza frânghii, armături și multe altele.

Sunt si alte probleme. De exemplu, o cantitate uriașă de deșeuri. Biotehnologia ne permite să transformăm deșeurile în venituri. Produsele secundare din agricultură, silvicultură și prelucrarea alimentelor pot fi transformate în metan, un biogaz potrivit pentru încălzire și energie. Sau puteți folosi metanol și etanol, principalele componente ale biocombustibililor.

Aplicațiile industriale ale biotehnologiei sunt implicate activ în Facultatea de Chimie a Universității de Stat din Moscova. M.V. Lomonosov. Include mai multe laboratoare implicate într-o varietate de proiecte - de la crearea de biosenzori industriali până la producerea de enzime pentru sinteza organică fină, de la tehnologiile de reciclare a deșeurilor industriale până la dezvoltarea metodelor de producere a biocombustibililor.

Știință, afaceri, guvern

Succesele obținute sunt rezultatul eforturilor conjugate ale biologilor, chimiștilor, medicilor și altor specialiști care lucrează în spațiul sistemelor vii. Relația dintre diferitele discipline s-a dovedit a fi fructuoasă. Desigur, biotehnologia nu este un panaceu pentru rezolvarea problemelor globale, ci un instrument care promite mari perspective dacă este folosită corect.

Astăzi, volumul total al pieței de biotehnologie din lume este de 8 trilioane. dolari. Biotehnologiile conduc, de asemenea, în ceea ce privește finanțarea cercetării și dezvoltării: numai în Statele Unite, agențiile guvernamentale și companiile private cheltuiesc peste 30 de miliarde de dolari anual pentru aceste scopuri.

Investițiile în știință și tehnologie vor aduce în cele din urmă beneficii economice. Dar biotehnologia singură nu va rezolva probleme complexe de sănătate sau alimentație. Trebuie creată o infrastructură de sănătate și o structură industrială favorabilă pentru a garanta accesul la noi tehnici de diagnosticare, vaccinuri și medicamente și plante cu proprietăți îmbunătățite. Un sistem eficient de comunicare între știință și afaceri este, de asemenea, extrem de important aici. În fine, o condiție absolut necesară pentru construirea unui sector inovator eficient al economiei este interacțiunea structurilor științifice și comerciale cu statul.

Ajutor STRF.ru
În 2008, au fost depuse 939 de cereri pentru dezvoltarea subiectelor în direcția „Sisteme vii” (pentru comparație: totalul programului este de 3180),
– la concurs au fost depuse 396 de cereri (în total 1597),
– s-au desfășurat 179 de competiții (731 în total)
– organizații din 23 de departamente (36 în total) au participat la concursuri, dintre care 17 au câștigat
– au fost încheiate 179 de contracte (731 în total)
– 120 de contracte continuă până în prezent (630 în total)
– 346 de organizații (în total 842) au trimis aplicații pentru dezvoltarea temelor privind sistemele vii
– 254 de organizații (în total 806) au depus candidaturi pentru concurs ca candidaturi principale
– 190 de organizații au depus candidaturi la concurs în calitate de co-executori (636 în total)
– concurența medie pentru loturi pe direcție este de 2.212 (media pentru program – 2.185)
– bugetul contractului pentru 2008 a fost de 1041,2 milioane de ruble. (21,74% din întregul buget al programului)

Dinamica creșterii și distribuirea finanțării în domeniul sistemelor vii în cadrul Programului științific și tehnic țintă federal din 2002-2006 și al Programului țintă federal din 2007-2012:
2005 – 303 contracte, 1168,7 milioane de ruble. (100%)
2006 – 289 contracte, 1227,0 milioane ruble. (105%)
2007 – 284 de contracte, 2657,9 milioane de ruble. (227%)
2008 - 299 de contracte, 3242,6 milioane de ruble. (277%)