Проблемы в биотехнологии и их решения

Ведь  экологическая ситуация постоянно  ухудшается, и человек просто не успевает к этому приспосабливаться. Поэтому от того, что мы едим, чем  дышим, как защищаем растения и животных, напрямую зависит наше будущее как  биологического вида. С этой точки  зрения определенным противопоставлением  для биотехнологии является химия. Она, в принципе, может решать многие схожие задачи в ряде областей.

Но  разница в том, что люди инстинктивно испытывают недоверие к продуктам, созданным искусственным путем, с применением химического синтеза. Поэтому вполне обоснованно считается, что применительно к здоровью человека биотехнологические и микробиологические продукты и технологии являются более  естественными и менее вредными, чем те, что изготовлены в результате химического синтеза.

Простой пример: защита растений от вредителей или заболеваний. При обработке  урожая химическими реагентами последние смываются в почву, где могут находиться (и накапливаться) годами. А защитные вещества, созданные на основе микроорганизмов, фактически прекращают свое существование сразу после завершения «рабочего цикла», при этом не оставляя после себя никаких вредных продуктов распада.

То  есть и с экологической, и с  потребительской (а значит - и коммерческой) точек зрения такие методы гораздо  предпочтительнее.

Несколько лет назад были сделаны открытия, не доведенные до массового или промышленного  использования. Возьмем такое направление, как культивирование собственных  органов человека. Очевидно, что  это будет настоящим прорывом не только в области лечения многих тяжелейших заболеваний, но и реальным шагом в продлении жизни людей. Сегодня при проблемах с тем  или иным органом его, грубо говоря, или отрезают, или протезируют. В  крайнем случае, если это возможно, заменяют донорским. А представьте, если бы было возможным вырастить  из здоровых собственных клеток ту же печень или почку?.. Это же действительно  революционная технология, позволяющая  улучшить качество жизни человека, продлить его продуктивный возраст  и самым положительным образом  сказаться на перспективах человечества в целом.

В нашей  стране проблемы с ее развитием вызваны  недостаточной информированностью общества и бизнеса о возможностях биотехнологий. Интерес общества к  этой проблеме пока не пробудился и  у общества и государства в  целом. Дело ведь тут даже не столько  в вопросах финансирования. Это гораздо  сложнее, и для этого нужны  именно политические инициативы,позиция руководства страны. Если мы считаем, что высокими технологиями надо заниматься, то от слов «надо заниматься» до фактического «занятия» существует определенный путь. И пока его не пройдешь - ничего не изменится. Пока же это настроение только зреет в обществе.

Сегодня жизненно необходимо не просто поднимать  вопрос о поддержке биотехнологической промышленности или науки, но ставить  конкретные задачи. Скажем, говорить о  необходимости через какое-то время  добиться решения проблемы создания тех же искусственных органов  на основе клеточных технологий. И  тогда такая постановка вопроса  будет гораздо ближе и понятнее и государственным структурам, и  инвесторам, и тем же ученым, которые  перестанут думать о «поддержании штанов», а займутся реальным делом.

1.2 Развитие биотехнологий за рубежом

К концу  сентября 2003 года мировая индустрия  биотехнологий заработала больше денег, чем за весь 2002 год. По информации фирмы  Ernst & Young, за первые девять месяцев 2003 года выручка биотехнологических компаний по всему миру составила около 11,9 млрд, превысив 10,5 млрд долларов, полученных в полном 2002 году. Большая часть доходов биотехнологической индустрии приходится на долю Соединенных Штатов. Как сообщили в Ernst & Young, с сентября семь компаний из США превратились из частных в публичные, выпустив акции, что принесло им 500 млн долларов. Этот факт усиливает надежду на сильный скачок на рынке биотехнологий и грядущее оживление в Европе.

Однако  в Европе биотехнологические компании до сих пор не выпускали акций, и аналитики считают, что первый листинг состоится не раньше чем  через шесть месяцев. За первое полугодие  финансирование европейского биотехнологического  сектора со стороны венчурного капитала снизилось на половину, так как  инвесторы с осторожностью вкладывают деньги в сектор, который произвел мало новых лекарств по сравнению  с американским биотехнологическим сектором. Положение американских биотехнологических фирм лучше, так как они образовались в 1970-е, имеют больше выведенных на рынок  лекарств и более сильный ассортимент, чем их европейские конкуренты.

Большей части германских биотехнологических фирм приходится отчаянно бороться за финансирование. По подсчетам специалистов, в 2004 году их финансовые потребности  составят 400 млн евро (470 млн долларов). Как говорят отраслевые аналитики, венчурный капитал получить нелегко, а инвесторы требуют конкретных результатов. Компании нуждаются в средствах для проведения клинических испытаний и покрытия высоких расходов на исследования. В данном секторе бизнеса нужно потратить очень много денег, прежде чем появятся новые лекарства, которые позволят возместить расходы. Как сообщают в Ernst & Young, 50 компаний находятся в поисках финансирования: пятая часть из них должна вступить в пятый этап финансирования, остальные нуждаются в финансировании первого, второго и третьего этапов. Вряд ли эти компании ждет легкое будущее.

В 2002 году биотехнологические компании Германии, образующие крупнейший европейский  фармацевтический рынок, сумели получить около 200 млн евро от венчурного капитала, что меньше 525 млн евро, добытых в 2001 году. Однако многие фирмы получали свои последние деньги в 2000 году и теперь остро нуждаются в финансировании. За последние несколько лет обанкротилось 50 компаний.

В Швейцарии  лидером в области биотехнологий  является фирма Actelion, в Британии ведущие позиции занимает компания Celltech. В Германии до сих пор нет крупного игрока. Аналитики полагают, что виной всему спад на германском фармацевтическом рынке, который не может оказать серьезной поддержки биотехнологическому сектору. Самым старым германским биотехнологическим фирмам около десяти лет -- по сравнению с 30-летними компаниями в США.

Быстрыми  темпами овладевают биотехнологиями  страны «третьего мира» - Китай, Индия, Бразилия, Аргентина и др. В частности, китайское правительство выделяет более 100 млн. долл. ежегодно на исследования в области биотехнологии растений - только США тратят больше на эти  цели.

В Европе, несмотря на существовавший несколько  лет мораторий на ввоз ГМ продукции  и другие ограничения, биотехнологическая наука получила приоритетное развитие.

Более 300 миллионов человек на протяжении десяти лет употребляли ГМ продукты, и не было зарегистрировано ни одного случая, чтобы такие продукты нанесли  вред здоровью. США являются самым  крупным производителем трансгенных продуктов. Более 80% сои, 75% хлопка, 40% кукурузы, производимых в Соединенных Штатах, являются генетически модифицированными. Почти весь масличный рапс, производимый в США и Канаде, является трансгенным. Подсчеты специалистов показали: около 70% переработанных продуктов на полках американских магазинов имеют ингредиенты из ГМ растений. Неудивительно, что цены на продукты питания в США значительно ниже, чем в Европе.

Тем не менее, оценку потенциальной опасности  ГМ продукции проводить необходимо. Этим должны заниматься независимые  государственные учреждения на основе глубоких научных анализов. В США  имеется большой опыт по созданию системы биобезопасности. Регуляторная политика в отношении ГМ продуктов  в Америке зиждется на «трех китах»: Агентство по сельскому хозяйству (USDA), Агентство по пищевым продуктам  и лекарствам (FDA) и Агентство по защите окружающей среды (EPA). Только в 2004 г. USDA выделило 24 млн. долл. на исследования безопасности биотехнологий.

Глава 2. Направления развития биотехнологий

2.1 Клеточная инженерия

КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ, конструирование специальными методами клеток нового типа. Клеточная  инженерия включает реконструкцию  жизнеспособной клетки из отдельных  фрагментов разных клеток, объединение  целых клеток, принадлежавших различным  видам (и даже относящихся к разным царствам -- растениям и животным), с образованием клетки, несущей генетический материал обеих клеток, и другие операции. Клеточная инженерия используется для решения теоретических проблем в биотехнологии, для создания новых форм растений, обладающих полезными признаками и одновременно устойчивых к болезням и т. п.

КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ, создание клеток нового типа на основе их гибридизации, реконструкции  и культивирования. В узком смысле слова под этим термином понимают гибридизацию протопластов или животных клеток, в широком -- различные манипуляции с ними, направленные на решение научных и практических задач. Является одним из основных методов биотехнологии.

Гибридизация  соматических клеток - В основе метода лежит слияние клеток, в результате чего образуются гетерокарионы, содержащие ядра обоих родительских типов. Образовавшиеся гетерокарионы дают начало двум одноядерным гибридным клеткам. В 1965 английский ученый Г. Харрис впервые получил гетерокарионы, образованные клетками мыши и человека. Такую искусственную гибридизацию можно осуществлять между соматическими клетками, принадлежащими далеким в систематическом отношении организмам и даже между растительными и животными клетками. Гибридизация соматических клеток животных сыграла важную роль в исследовании механизмов реактивации генома покоющейся клетки и степени фенотипического проявления (экспрессивности) отдельных генов, клеточного деления, в картировании генов в хромосомах человека, в анализе причин злокачественного перерождения клеток. С помощью этого метода созданы гибридомы, используемые для получения моноклональных (однородных) антител.

Первый  межвидовой гибрид при слиянии протопластов из клеток разных видов табака был  получен в 1972 П. Карлсоном (США). Гибриды, полученные при слиянии протопластов, имеют важные отличия от половых гибридов поскольку несут цитоплазму обоих родителей. Возможно создание цибридов, наследующих ядерные гены одного из родителей наряду с цитоплазматическими генами обоих родителей. Особый интерес представляют цибриды растений, несущие цитоплазматические гены устойчивости к различным патогенам и стрессорным факторам от дикорастущих видов или цитоплазматические гены мужской стерильности. Слияние протопластов используют также для получения гибридов с ценными в хозяйственном отношении свойствами между отдаленными видами, которые плохо или вообще не скрещиваются обычным путем. Удалось, например, «ресинтезировать» рапс, являющийся естественным амфидиплоидом между турнепсом и капустой, получить соматический гибрид картофеля с томатами и т. д. При слиянии протопластов создают и новые клеточные линии-продуценты важных соединений.

Реконструкция клеток - Одним из способов модификации  клеток является введение в них индивидуальных генов, т.е. метод генетической инженерии. Встраивание активного гена на место  отсутствующего или поврежденного  открывает путь для лечения генетических заболеваний человека. Изменять свойства клеток можно, вводя клеточные органеллы (ядра, хлоропласты), изолированные  из одних клеток, в протопласты  других клеток. Так, одним из путей  активизации фотосинтеза растительной клетки может служить введение в  нее высокоэффективных хлоропластов. Искусственные ассоциации растительных клеток с микроорганизмами используют для моделирования на клеточном  уровне природных симбиотических отношений, играющих важную роль в обеспечении  растений азотным питанием в природных  экосистемах. Рассматривается возможность  придания растениям способности  к фиксации молекулярного азота  при введении в них целых клеток азотфиксирущих микроорганизмов. Реконструкцию клеток проводят также при слиянии клеточных фрагментов (безъядерных, кариопластов с ядром, микроклеток, содержащих лишь часть генома интактной клетки) друг с другом или с интактными (неповрежденными) клетками. В результате получают клетки с различными свойствами, например, цибриды, либо клетки с ядром и цитоплазмой от разных родителей. Такие конструкции используют для изучения влияния цитоплазмы в регуляции активности ядра.

Улучшение растений и животных на основе клеточных  технологий - Выращиваемые на искусственных  питательных средах клетки и ткани  растений составляют основу разнообразных  технологий в сельском хозяйстве. Одни из них направлены на получение идентичных исходной форме растений (оздоровление и клональное микроразмножение на основе меристемных культур, создание искусственных семян, криосохранение генофонда при глубоком замораживании меристем и клеток пыльцы). Другие -- на создание растений, генетически отличных от исходных, путем или облегчения и ускорения традиционного селекционного процесса или создания генетического разнообразия и поиска и отбора генотипов с ценными признаками. В первом случае используют искусственное оплодотворение, культуру незрелых гибридных семяпочек и зародышей, регенерацию растений из тканей летальных гибридов, гаплоидные растения, полученные при культивировании пыльников или микроспор. Во втором -- новые формы растений создаются на основе мутантов, образующихся in vitro, и трансгенных растений. Таким путем получены растения, устойчивые к вирусам и другим патогенам, гербицидам, растения, способные синтезировать токсины, патогенные для насекомых-вредителей, растения с чужеродными генами, контролирующими синтез белков холодоустойчивости и белков с улучшенным аминокислотным составом, растения с измененным балансом фитогормонов и т. д.

Важную  роль в животноводстве сыграла разработка методов длительного хранения спермы в замороженном состоянии и искусственного осеменения. Реально же развернулись исследования по клеточной и генной инженерии на млекопитающих только с освоением техники оплодотворения in vitro, обеспечившей получение достаточного количества зародышей на ранних стадиях развития. Генетическое улучшение животных связано с разработкой технологии трансплантации эмбрионов и методов микроманипуляций с ними (получение однояйцевых близнецов, межвидовые пересадки эмбрионов и получение химерных животных, клонирование животных при пересадке ядер эмбриональных клеток в энуклеированные, т. е. с удаленным ядром, яйцеклетки).

В 1996 шотландским ученым из Эдинбурга  впервые удалось получить овцу из энуклеированной яйцеклетки, в которую было пересажено ядро соматической клетки (вымени) взрослого животного.

Эта работа открывает широкие перспективы  в области клонирования животных и принципиальную возможность клонирования в будущем и человека. В этой же лаборатории было получено еще  пять клонированных ягнят, в геном  одного из которых был встроен  ген белка человека. Клеточная  инженерия позволяет конструировать клетки нового типа с помощью мутационного процесса гибридизации и, более того, комбинировать отдельные фрагменты  разных клеток, клетки различных видов  относящиеся не только к разным родам, семействам, но и царствам. Это облегчает  решение многих теоретических проблем  и имеет практическое значение.