Biologické vedy, ktoré sa ich týkajú. Najsľubnejšie oblasti vedeckého výskumu
Vedy nevznikajú samy od seba, nie preto, že by ich niekto vymyslel jednoducho „zo záujmu“. Akákoľvek veda sa objavuje v dôsledku potreby ľudstva vyriešiť určité problémy, ktoré vznikli v procese jej vývoja. Biológia nie je výnimkou, vznikla aj v súvislosti s riešením problémov, ktoré sú pre človeka veľmi dôležité. Jednou z nich bolo vždy hlbšie pochopenie procesov vo voľnej prírode spojených so získavaním potravinových produktov, teda poznanie vlastností rastlinného a živočíšneho života, ich zmien pod vplyvom človeka, spôsobov získavania spoľahlivej a čoraz bohatšej úrody. Riešenie tohto problému je jedným zo základných dôvodov rozvoja biológie.
Ďalším, nemenej dôležitým „jarom“ je štúdium biologických charakteristík človeka. Človek je produktom vývoja živej prírody. Všetky procesy našej životnej činnosti sú podobné tým, ktoré sa vyskytujú v prírode. A preto iba hlboké pochopenie biologických procesov slúži ako vedecký základ medicíny. Vznik vedomia, ktorý znamená obrovský krok vpred v sebapoznaní hmoty, tiež nemožno pochopiť bez hĺbkových štúdií živej prírody minimálne v dvoch smeroch – vznik a rozvoj mozgu ako orgánu myslenia (doteraz zostáva záhada myslenia nevyriešená) a vznik sociality, sociálneho spôsobu života.
Nárast produkcie potravín a rozvoj medicíny sú dôležité, no nie jediné problémy, ktoré na tisícročia determinujú rozvoj biológie ako vedy. Živá príroda je zdrojom mnohých materiálov a produktov potrebných pre ľudstvo. Aby ste ich správne používali, musíte poznať ich vlastnosti, vedieť, kde ich v prírode hľadať, ako ich získať. V mnohých ohľadoch je zdrojom takýchto vedomostí biológia. Ale ani to nevyčerpáva význam biologických vied.
V XX storočí. Počet obyvateľov Zeme vzrástol natoľko, že rozvoj ľudskej spoločnosti sa stal určujúcim faktorom rozvoja biosféry Zeme. Dodnes sa ukázalo, že divoká zver nie je len zdrojom potravy a mnohých potrebných produktov a materiálov, ale aj nevyhnutnou podmienkou existencie ľudstva samotného. Naše vzťahy s ňou sa ukázali byť oveľa užšie a vitálnejšie, ako sa na začiatku 20. storočia považovalo.
Napríklad vzduch sa zdal byť rovnakým nevyčerpateľným a stálym zdrojom prírody ako napríklad slnečné svetlo. V skutočnosti nie je. Kvalitatívne zloženie atmosféry, na ktoré sme zvyknutí, s 20,95 % kyslíka a 0,03 % oxidu uhličitého, je derivátom činnosti živých bytostí: dýchanie a fotosyntéza rastlín, oxidácia odumretých organických látok. Kyslík vo vzduchu vzniká iba v dôsledku životnej činnosti rastlín. Hlavnými továrňami na kyslík na Zemi sú tropické pralesy a morské riasy. Ale aj dnes, ako ukazujú pozorovania, množstvo oxidu uhličitého v zemskej atmosfére neustále narastá v dôsledku uvoľňovania obrovského množstva uhlíka počas spaľovania ropy, plynu, uhlia, dreva a iných antropogénnych procesov. Od roku 1958 do roku 1980 sa množstvo oxidu uhličitého v zemskej atmosfére zvýšilo o 4 %. Do konca storočia sa jeho obsah môže zvýšiť o viac ako 10%. V 70. rokoch. 20. storočie množstvo kyslíka vstupujúceho do atmosféry v dôsledku životnej aktivity rastlín sa odhadovalo na t / rok a ročná spotreba ľudstva - v t / rok. To znamená, že už žijeme na úkor zásob kyslíka nahromadených v minulosti, počas miliónov rokov vývoja živých bytostí na planéte.
O vode, ktorú pijeme, či skôr o čistote tejto vody, o jej kvalite rozhoduje predovšetkým živá príroda. Naše čistiarne len dotvárajú obrovský proces, ktorý pre nás v prírode prebieha neviditeľne: voda v pôde alebo nádrži opakovane prechádza cez telá nespočetných bezstavovcov, je nimi filtrovaná a zbavená organických a anorganických nečistôt sa stáva tým, čo ju poznáme v riekach, jazerách a prameňoch.
Kvalitatívne zloženie vzduchu a vody na Zemi teda závisí od životnej činnosti živých organizmov. Treba dodať, že úrodnosť pôdy – základ úrody – je výsledkom životnej činnosti živých organizmov žijúcich v pôde: obrovského množstva baktérií, bezstavovcov, rias.
Ľudstvo nemôže existovať bez divokej prírody. Preto je pre nás životne dôležité udržiavať ho v „pracovnom stave“.
Bohužiaľ to nie je také jednoduché. V dôsledku ľudského skúmania celého povrchu planéty, rozvoja poľnohospodárstva, priemyslu, odlesňovania, znečisťovania kontinentov a oceánov mizne z povrchu Zeme čoraz väčší počet druhov rastlín, húb a živočíchov. Vyhynutý druh nie je možné obnoviť. Je produktom miliónov rokov evolúcie a má jedinečný genofond – iba svoj vlastný kód dedičnej informácie, ktorý určuje jedinečnosť vlastností každého druhu. Podľa niektorých odhadov začiatkom 80. rokov. Vo svete sa denne likviduje v priemere jeden živočíšny druh, do roku 2000 sa táto rýchlosť môže zvýšiť na jeden druh za hodinu. U nás mizne jeden druh stavovcov v priemere za 3,5 roka. Ako zmeniť tento trend a vrátiť sa na evolučne opodstatnenú cestu neustáleho zvyšovania celkového „sumu života“, a nie jeho znižovania? Tento problém sa týka celého ľudstva, ale je nemožné ho vyriešiť bez práce biológov.
Obrazne povedané, moderná biológia je obrovská, poschodová budova obsahujúca tisíce „miestností“ – smerov, odborov, celých nezávislých vied. Jeden z nich môže zabrať desiatky strán.
V budove biológie sa rozlišujú štyri hlavné „poschodia“, ktoré zodpovedajú základným úrovniam organizácie živej hmoty. Prvé „poschodie“ je molekulárne genetické. Objektom skúmania živého sú tu jednotky dedičnej informácie (gény), ich zmeny - mutácie a proces prenosu dedičnej informácie. Druhé „poschodie“ je ontogenetické, čiže úroveň individuálneho vývoja. Udalosti na tomto „poschodí“ sú v biológii stále najmenej študované. Uskutočňuje sa tu záhadný proces, ktorý na správnom mieste a v správnom čase určuje vzhľad toho, čo by sa malo objaviť v priebehu normálneho vývoja každého jedinca - noha alebo oko u zvieraťa, list alebo kôra u rastliny. Ďalšie „poschodie“ je populačno-druhová úroveň. Elementárnymi jednotkami na tejto úrovni sú populácie, teda relatívne malé, dlhodobé skupiny jedincov toho istého druhu, v rámci ktorých prebieha výmena dedičných informácií. Elementárnymi javmi sú tu nezvratné zmeny v genotypovom zložení populácií a v konečnom dôsledku aj vznik rôznych adaptácií a nových druhov. Na poslednom, štvrtom „poschodí“ prebiehajú procesy v ekologických systémoch rôzneho rozsahu – komplexné spoločenstvá mnohých druhov, až po biosférické procesy ako celok. Elementárnymi štruktúrami týchto spoločenstiev sú biogeocenózy a elementárnymi javmi sú prechod biogeocenózy z jedného stavu dynamickej rovnováhy do druhého, čo v konečnom dôsledku vedie k zmene celej biosféry ako celku. Každá úroveň má svoje vlastné vzorce, ale udalosti, ktoré sa vyskytujú na každej z nich, úzko súvisia s udalosťami na iných úrovniach.
V posledných desaťročiach sa molekulárna biológia trochu posunula vpred (čo sa týka počtu vedcov zamestnaných v tejto oblasti, čo sa týka finančných prostriedkov vyčlenených v rôznych štátoch na rozvoj tohto konkrétneho smeru výskumu). Dosiahli sa pozoruhodné výsledky, od čisto teoretických (dekódovanie genetického kódu a syntéza prvých umelých génov) až po praktické (napríklad vývoj genetického inžinierstva). Populačná biológia sa teraz začína rýchlo rozvíjať, čo umožní úspešne riešiť mnohé moderné problémy spojené so zvyšovaním produkcie potravinových produktov potrebných pre početne rastúce ľudstvo, so zachovaním rýchlo miznúcich druhov živých organizmov, s množstvom problémov spojených s neľahkou úlohou prechodu na riadenie evolučného vývoja čoraz väčšieho počtu druhov. Neďaleko je intenzívny rozvoj biosférického „poschodia“ výskumu.
Netreba si myslieť, že biológovia v klasických odboroch – zoológia, botanika, morfológia, fyziológia, systematika a iné – už urobili všetko. Je tu stále veľa práce. Vedeli ste, že vedecky je opísaná menej ako polovica organizmov obývajúcich našu planétu (uvádzajú sa presné popisy a uvádza sa aj vedecký názov) – len asi 4,5 milióna druhov a podľa niektorých výpočtov nie viac ako tretina alebo dokonca štvrtina z nich? Aj v našej krajine, ležiacej najmä v miernom klimatickom pásme, ktoré sa nevyznačuje rozmanitosťou organických foriem, vedci každoročne objavujú desiatky nových druhov (hlavne bezstavovcov).
Nie je však fascinujúci výskum paleontológov, ktorí pomocou roztrúsených zvyškov fosílnych organizmov obnovujú vzhľad dávno vyhynutých zvierat, rekonštruujú povahu minulých období a zisťujú spôsoby vývoja organického sveta?
A tu výskumníci čakajú na najzaujímavejšie nálezy. Aký senzačný bol napríklad objav najstarších predjadrových fosílií v horninách starých viac ako 3 miliardy rokov! To znamená, že už vtedy bol na Zemi život. Nemenej vzrušujúca a plná objavov je práca genetikov, zoológov, botanikov, biochemikov, fyziológov atď.
Nás, ľudí na Zemi, je stále viac a chceme žiť stále lepšie. Preto si rozvoj spoločnosti vyžaduje stále viac surovín, rozmanitosť produktov. Z toho vyplýva neľahká úloha zintenzívniť celé národné hospodárstvo, vrátane jeho odvetví, ktoré súvisia s biológiou, predovšetkým poľnohospodárstvo, lesníctvo, poľovníctvo a rybárstvo. Ale nielen tieto odvetvia. U nás sa napríklad vytvoril a úspešne rozvíja mikrobiologický priemysel - obrovské odvetvie národného hospodárstva, ktoré poskytuje potraviny a krmivá (pre hospodárske zvieratá a hydinu, chované ryby atď.), najnovšie lieky a liečivé prípravky, ba dokonca pomáha ťažiť rôzne minerály hlboko v útrobách Zeme. Rozbehlo sa a už prináša prvé ovocie ďalšie biologické odvetvie národného hospodárstva - biotechnológia, založená na využívaní procesov a štruktúr objavených fyzikálno-chemickou (molekulárnou) biológiou na vytváranie látok a produktov potrebných pre ľudstvo. Rozvoj najdôležitejších oblastí biologických vied, rozšírenie ich praktického prepojenia s medicínou a poľnohospodárstvom sa spomína v „Základných usmerneniach pre hospodársky a sociálny rozvoj ZSSR na roky 1986 – 1990 a na obdobie do roku 2000“, ktoré prijal XXVII. zjazd KSSZ.
Intenzifikácia znamená aj šetrenie prírodných zdrojov, ich zachovanie v záujme rozvíjajúcej sa spoločnosti. Pozoruhodnou vlastnosťou živých prírodných zdrojov je ich obnoviteľnosť, schopnosť obnovy v dôsledku rozmnožovania živých organizmov. Preto s intenzifikáciou využívania živých prírodných zdrojov je možné a potrebné zabezpečiť, aby nám slúžili neobmedzene dlho. To sa dá dosiahnuť organizovaním skutočného ekonomického, hospodárneho využívania a udržiavania živých síl prírody. Mnoho vedcov rieši tieto problémy. Všetkým týmto otázkam venuje strana a vláda veľkú pozornosť. V Programe KSSZ (nové vydanie) sa píše: "Strana považuje za potrebné posilniť kontrolu nad využívaním prírodných zdrojov, širšie rozšíriť environmentálnu výchovu obyvateľstva."
Keď sa zrodila myšlienka vytvoriť túto knihu, jednou z hlavných úloh, ktoré sa pred kolektívom autorov postavili, bolo povedať o dôležitých a zaujímavých črtách modernej biológie, o tom, čo sa už v jej rôznych oblastiach dosiahlo, a akým nevyriešeným problémom čelia biológovia. Chceli sme bez toho, aby sme opakovali učebnicu, ale opierali sme sa o poznatky zo školských osnov biológie, ukázať, na čom biológovia pracujú v laboratóriách a na expedíciách. Slovník obsahuje aj množstvo esejí o vynikajúcich biológoch našej krajiny a iných krajín. Vďaka práci našich predchodcov vo vede máme dnešné poznatky.
Pár slov o tom, ako čítať túto knihu. V texte často uvidíte slová uvedené kurzívou. To znamená, že o tomto koncepte je v slovníku špeciálne heslo. Abecedný register na konci knihy vám pomôže orientovať sa v obsahu slovníka. Nezabudnite si pozrieť aj zoznam odporúčanej literatúry.
Dúfame, že Encyklopedický slovník mladého biológa vám pomôže dozvedieť sa veľa nového a vzrušujúceho o divočine, nájsť odpovede na vaše otázky, prebudiť a rozvinúť záujem o nádhernú vedu o živote – biológiu.
Fyzici si už viac ako sto rokov uvedomujú kvantové efekty, ako napríklad schopnosť kvánt zmiznúť na jednom mieste a objaviť sa na inom, alebo byť na dvoch miestach súčasne. Úžasné vlastnosti kvantovej mechaniky sú však použiteľné nielen vo fyzike, ale aj v biológii.
Najlepším príkladom kvantovej biológie je fotosyntéza: rastliny a niektoré baktérie využívajú energiu slnečného žiarenia na stavbu molekúl, ktoré potrebujú. Ukazuje sa, že fotosyntéza sa v skutočnosti spolieha na úžasný fenomén – malé masy energie sa „naučia“ všetky možné spôsoby, ako sa uplatniť, a potom si „vyberú“ ten najúčinnejší. Možno, že navigácia vtákov, mutácie DNA a dokonca aj náš čuch sa tak či onak spoliehajú na kvantové efekty. Hoci je táto oblasť vedy stále veľmi špekulatívna a kontroverzná, vedci sa domnievajú, že po získaní nápadov z kvantovej biológie môžu nápady viesť k vytvoreniu nových liekov a biomimetických systémov (biomimetria je ďalšou novou vedeckou oblasťou, kde sa biologické systémy a štruktúry používajú na vytváranie nových materiálov a zariadení).
3. Exometeorológia
Jupiter Spolu s exo-oceánografmi a exogeológmi sa exometeorológovia zaujímajú o štúdium prírodných procesov vyskytujúcich sa na iných planétach. Teraz, keď výkonné teleskopy umožnili študovať vnútorné procesy blízkych planét a mesiacov, môžu exometeorológovia sledovať ich atmosférické a poveternostné podmienky. a Saturn so svojou neuveriteľnou veľkosťou sú hlavnými kandidátmi na prieskum, rovnako ako Mars s jeho pravidelnými prachovými búrkami.
Exometeorológovia dokonca skúmajú planéty mimo našej slnečnej sústavy. A zaujímavé je, že práve oni môžu časom nájsť známky mimozemského života na exoplanétach detekciou organických stôp v atmosfére alebo zvýšených hladín oxidu uhličitého – znaku priemyselnej civilizácie.
4. Nutrigenomika
Nutrigenomika je štúdium komplexných vzťahov medzi jedlom a expresiou genómu. Vedci pracujúci v tejto oblasti sa snažia pochopiť úlohu genetických variácií a stravovacích reakcií v tom, ako živiny ovplyvňujú genóm.
Jedlo má skutočne obrovský vplyv na zdravie – a všetko to začína na molekulárnej úrovni, a to doslova. Nutrigenomika funguje oboma spôsobmi: študuje, ako náš genóm ovplyvňuje preferencie potravín a naopak. Hlavným cieľom disciplíny je vytvoriť personalizovanú výživu – je to nevyhnutné na zabezpečenie toho, aby naše jedlo ideálne vyhovovalo našej jedinečnej sade génov.
5. Kliodynamika
Kliodynamika je disciplína, ktorá spája historickú makrosociológiu, ekonomickú históriu (kliometriu), matematické modelovanie dlhodobých spoločenských procesov a systematizáciu a analýzu historických údajov.
Názov pochádza z mena gréckej múzy histórie a poézie Clio. Zjednodušene povedané, kliodynamika je pokusom predpovedať a popísať široké sociálne súvislosti histórie – jednak na štúdium minulosti, jednak ako potenciálny spôsob predpovedania budúcnosti, napríklad na predpovedanie sociálnych nepokojov.
6. Syntetická biológia
Syntetická biológia je návrh a konštrukcia nových biologických častí, zariadení a systémov. Zahŕňa tiež modernizáciu existujúcich biologických systémov pre nekonečné množstvo užitočných aplikácií.
Craig Venter, jeden z popredných odborníkov v tejto oblasti, v roku 2008 uviedol, že znovu vytvoril celý genóm baktérie zlepením jej chemických zložiek. O dva roky neskôr jeho tím vytvoril „syntetický život“ – molekuly DNA vytvorené digitálnym kódom a následne 3D vytlačené a vložené do živej baktérie.
V budúcnosti majú biológovia v úmysle analyzovať rôzne typy genómu, aby vytvorili užitočné organizmy na začlenenie do tela a bioroboty, ktoré môžu produkovať chemikálie - biopalivá - od nuly. Existuje tiež myšlienka vytvorenia umelých baktérií alebo vakcín bojujúcich proti znečisteniu na liečbu závažných ochorení. Potenciál tejto vednej disciplíny je jednoducho obrovský.
7. Rekombinantná memetika
Táto oblasť vedy ešte len vzniká, no už teraz je jasné, že je to len otázka času – skôr či neskôr vedci lepšie pochopia celú ľudskú noosféru (úhrn všetkých informácií, ktoré ľudia poznajú) a ako šírenie informácií ovplyvňuje takmer všetky aspekty ľudského života.
Podobne ako rekombinantná DNA, kde sa rôzne genetické sekvencie spájajú, aby vytvorili niečo nové, rekombinantná memetika študuje, ako sa myšlienky, ktoré sa prenášajú z človeka na človeka, dajú upraviť a skombinovať s inými mémami a memeplexmi – vytvorenými komplexmi vzájomne prepojených mémov. To môže byť užitočné na „sociálne terapeutické“ účely, ako je boj proti šíreniu radikálnych a extrémistických ideológií.
8. Výpočtová sociológia
Podobne ako kliodynamika, aj výpočtová sociológia sa zaoberá štúdiom spoločenských javov a trendov. Ťažiskom tejto disciplíny je používanie počítačov a súvisiacich technológií spracovania informácií. Samozrejme, táto disciplína sa rozvinula až s príchodom počítačov a všadeprítomnosti internetu.
Osobitná pozornosť sa v tejto disciplíne venuje obrovským tokom informácií z nášho každodenného života, napríklad e-mailom, telefonátom, príspevkom na sociálnych sieťach, nákupom kreditných kariet, vyhľadávacím dopytom atď. Príkladom práce môže byť štúdium štruktúry sociálnych sietí a toho, ako sa cez ne šíria informácie, alebo ako vznikajú intímne vzťahy na internete.
9. Kognitívna ekonómia
Ekonómia sa spravidla nespája s tradičnými vednými odbormi, čo sa však môže zmeniť v dôsledku úzkej interakcie všetkých vedných odborov. Táto disciplína sa často zamieňa s behaviorálnou ekonómiou (štúdium nášho správania v kontexte ekonomických rozhodnutí). Kognitívna ekonómia je veda o tom, ako myslíme. Lee Caldwell, bloger o disciplíne, o tom píše:
„Kognitívna (alebo finančná) ekonómia... venuje pozornosť tomu, čo sa v skutočnosti deje v mysli človeka, keď sa rozhoduje. Aká je vnútorná štruktúra rozhodovania, čo ho ovplyvňuje, aké informácie v tomto momente vníma myseľ a ako sa spracováva, aké sú vnútorné formy preferencií človeka a v konečnom dôsledku, ako sa všetky tieto procesy odrážajú v správaní?
Inými slovami, vedci začínajú svoj výskum na nižšej, zjednodušenej úrovni a vytvárajú mikromodely princípov rozhodovania, aby vyvinuli model ekonomického správania vo veľkom meradle. Táto vedná disciplína často interaguje s príbuznými oblasťami, ako je počítačová ekonómia alebo kognitívna veda.
10. Plastová elektronika
Elektronika je zvyčajne spojená s inertnými a anorganickými vodičmi a polovodičmi, ako je meď a kremík. Ale nové odvetvie elektroniky používa vodivé polyméry a vodivé malé molekuly na báze uhlíka. Organická elektronika zahŕňa vývoj, syntézu a spracovanie funkčných organických a anorganických materiálov spolu s vývojom pokročilých mikro- a nanotechnológií.
V skutočnosti to nie je až taká nová veda, prvý vývoj sa uskutočnil už v 70. rokoch 20. storočia. Až nedávno sa však podarilo spojiť všetky nahromadené údaje, najmä vďaka nanotechnologickej revolúcii. Vďaka organickej elektronike možno čoskoro budeme mať organické solárne články, samoorganizujúce sa monovrstvy v elektronických zariadeniach a organické protézy, ktoré by potenciálne mohli nahradiť poškodené ľudské končatiny: v budúcnosti sa takzvaní kyborgovia môžu skladať viac z organických ako zo syntetických častí.
11 Výpočtová biológia
Ak máte radi matematiku a biológiu rovnako, potom je táto disciplína práve pre vás. Výpočtová biológia sa snaží pochopiť biologické procesy prostredníctvom jazyka matematiky. To sa rovnako používa pre iné kvantitatívne systémy, ako je fyzika a informatika. Vedci z Ottawskej univerzity vysvetľujú, ako to bolo možné:
„S rozvojom biologických prístrojov a ľahkým prístupom k výpočtovej sile musí biológia ako taká pracovať s čoraz väčším množstvom údajov a rýchlosť získaných poznatkov len rastie. Zmysel pre dáta si teda teraz vyžaduje výpočtový prístup. Biológia zároveň z pohľadu fyzikov a matematikov prerástla na úroveň, kde možno experimentálne testovať teoretické modely biologických mechanizmov. To viedlo k rozvoju výpočtovej biológie.
Vedci pracujúci v tejto oblasti analyzujú a merajú všetko od molekúl po ekosystémy.
Ako funguje brainmail – prenos správ z mozgu do mozgu cez internet
10 záhad sveta, ktoré veda konečne odhalila Top 10 otázok o vesmíre, na ktoré vedci práve teraz hľadajú odpovede 8 vecí, ktoré veda nedokáže vysvetliť 2500 rokov staré vedecké tajomstvo: prečo zívame 3 najhlúpejšie argumenty, ktorými odporcovia evolučnej teórie ospravedlňujú svoju neznalosť Je možné s pomocou moderných technológií realizovať schopnosti superhrdinov?
Doktor fyzikálnych a matematických vied Alexander Pechen opísal pre Lente.ru najsľubnejšie oblasti fyziky a príbuzných vied po výsledkoch Národnej ceny Blavatnika, najväčšieho ocenenia pre mladých vedcov. Teraz je Pechen popredným výskumníkom a vedeckým tajomníkom V.A. Steklov z Ruskej akadémie vied, vzdelanie získal na Fyzikálnej fakulte Moskovskej štátnej univerzity, pôsobil na Princetonskej univerzite a stal sa jedným z prvých Rusov, ktorí v roku 2009 získali Blavatnikovu cenu.
Hlavná téma
Foto: Jens Kalaene / ZB / Global Look
Fotonika skúma možnosti využitia svetla na prenos, ukladanie, spracovanie informácií, riadenie mikroobjektov (bunky, makromolekuly) a kvantových systémov (jednotlivé atómy). Fotonické technológie môžu urýchliť alebo zlacniť energiu prenosu, ukladania a spracovania informácií. To je dôležité napríklad pre dátové centrá, ktoré sú dnes najväčšími spotrebiteľmi energie v USA. Modulované svetlo a umelo vytvorené materiály so špeciálnymi optickými vlastnosťami, ktoré sa v prírode nenachádzajú, sú základom lasera a fotochémie, ako aj také zaujímavosti, ako sú neviditeľné plášte a optické pinzety.
Praktická aplikácia fotoniky
Foto: Tachi Laboratory, Univerzita v Tokiu
Metamateriály sú novou triedou umelých materiálov so špeciálnymi optickými vlastnosťami, ktoré umožňujú skryť predmety a urobiť ich neviditeľnými. Teoreticky takéto materiály ako prvý študoval sovietsky fyzik Viktor Veselago.
V súčasnosti prebieha aktívny vývoj takýchto materiálov. Napríklad v roku 2009 fyzika neviditeľné koberce pre infračervené svetlo.
Optická pinzeta – nástroj, ktorý umožňuje manipulovať s mikroskopickými predmetmi pomocou laserového svetla, napríklad triediť a presúvať jednotlivé bunky, molekuly bielkovín.
Cena, ktorú založil americký miliardár ruského pôvodu Leonid Blavatnik, sa udeľuje výskumníkom z USA mladším ako 42 rokov. Suma - 250 tisíc dolárov - nám umožňuje považovať ju za akúsi obdobu Nobelovej ceny pre mladých vedcov. Tohtoročných laureátov ocenili v USA a konalo sa sympózium o najsľubnejších vedeckých trendoch súčasnosti.
nominovaní
Cena sa udeľuje v troch kategóriách: „vedy o živote“ (biológia, medicína, neurobiológia atď.), „fyzikálne a technické vedy“ a „chémia“. V roku 2015 bolo nominovaných asi 300 nominantov zo 147 amerických inštitúcií a univerzít. Pre každú z disciplín bolo vybraných približne desať finalistov. Potom bol vybraný jeden laureát z každej skupiny finalistov. Všetci traja tohtoroční ocenení sú z Kalifornskej univerzity: Edward Chang (Univerzita v San Franciscu, biologické vedy), Syed Jafar (Univerzita v Irvine, fyzikálne vedy) a Christopher Chang (UC Berkeley, chémia).
Teraz sa vo fotonike vytvára nový prístup na riadenie kvantových systémov, to znamená jednotlivých atómov alebo molekúl. (Toto je hlavná téma vedeckých prác Alexandra Pechenyu - približne. "Tapes.ru"). Tradične sú častice riadené laserom s premenlivou intenzitou. Nové metódy na to využívajú prostredie. V tradičných systémoch sa jeho vplyv nedá takmer nikdy eliminovať a má zničujúci vplyv na atómové a molekulárne kvantové systémy. Teraz sa však berie do úvahy vplyv vonkajšieho prostredia a používa sa na riadenie týchto systémov.
Riadenie kvantových systémov sa uplatňuje pri riadení rýchlosti chemických reakcií pomocou lasera na zvýšenie výťažku požadovaného reakčného produktu a selektívne rozbitie chemických väzieb v zložitých molekulách, separáciu izotopov pomocou laserov alebo nekoherentného optického žiarenia. Kvantové riadenie sa používa ako v kvantových výpočtoch, ktoré sa stále študujú, tak aj v praxi - na zvýšenie rýchlosti zobrazovania magnetickou rezonanciou.
Kvantové simulátory a nové materiály
Kvantové materiály môžu byť použité v kvantových pamäťových zariadeniach, na vytvorenie vysokoteplotnej supravodivosti, biodiagnostiky na základe kvantových bodov, superkondenzátorov na báze laserom indukovaného grafénu.
Na simuláciu biologických molekúl, kryštálov, atómových jadier a iných zložitých systémov je potrebné vypočítať kvantovú dynamiku veľkého množstva častíc, čo je pre moderné výpočtové zariadenia absolútne nedostupné. Kvantové simulátory sú modelové kvantové systémy, ktorých parametre možno upraviť tak, aby simulovali iné komplexné systémy praktického záujmu. V skutočnosti sú kvantové simulátory analógové kvantové počítače.
Lekárska a biotechnológia
Foto: Robson Fernandjes / Estadao Conteudo / Global Look
V oblasti vied o živote sa vedci viac venujú rozvoju telemedicíny – využívaniu telekomunikačných technológií, ako sú smartfóny, spolu s rôznymi medicínskymi senzormi na diaľkovú diagnostiku chorôb bez osobnej návštevy lekára. Práve tento smer bol najvýraznejší medzi príkladmi komercializácie vedeckého vývoja.
Jednou z perspektívnych oblastí neurovedy je však optogenetika, ktorá študuje riadenie neurónov pomocou svetelných impulzov. Použitie svetlovodov z optických vlákien a svetlocitlivých proteínov umožňuje dosiahnuť vysokú presnosť pri ovplyvňovaní nervových buniek. Prostredníctvom cielenej aktivácie a deaktivácie rôznych oblastí mozgu spôsobila optogenetika v posledných rokoch revolúciu v štúdiu nervového systému.
Matematická fyzika
Moderné teoretické modely vyžadujú zložitý matematický aparát. Nobelova cena sa síce v tejto disciplíne neudeľuje, no nájdu sa aj menej známe, ale aj nominácie v príbuzných odboroch. Napríklad Clement Hongler vyhral v roku 2014 regionálnu cenu Blavatnik. Je pozoruhodné, že doktorát získal pod vedením ruského matematika a držiteľa Fieldsovej ceny Stanislava Smirnova. Hongler oznámil nové presné výsledky v modeli Ising, matematickom modeli používanom na opis procesu magnetizácie materiálov. Isingov model tiež slúži ako základ pre dnešné najväčšie kvantové výpočtové zariadenia D-Wave vyrábané spoločnosťou D-Wave Systems. Urobím výhradu, že prebiehajú diskusie o tom, do akej miery by sa tieto počítače mali považovať za kvantové.
Honglerova práca je na priesečníku štatistickej mechaniky, teórie pravdepodobnosti, komplexnej analýzy a kvantovej teórie poľa. On a jeho spoluautori dosiahli rigorózne výsledky v štúdiu Isingovho modelu, a to aj v takej dôležitej oblasti, ako je vytvorenie spojenia medzi kritickým Isingovým modelom a konformnou teóriou poľa Belavin, Polyakov a Zamolodčikov - univerzálna teória, ktorá slúži na popis rôznych kritických javov vo fyzike, teda situácií, kde malá zmena niektorého parametra, ako je teplota, vedie k najradikálnejším zmenám v správaní systému.
Zaujímavé sú aj smery spojené s putujúcimi planétami, ktoré nie sú spojené so žiadnou hviezdou, a vytvorenie nových pozorovacích prístrojov, ktoré budú čoskoro uvedené do prevádzky na vyhľadávanie a štúdium planét mimo slnečnej sústavy. Pomôžu výrazne rozšíriť naše poznatky o takýchto planétach, preskúmať chemické zloženie ich atmosfér, určiť prítomnosť organickej hmoty a hľadať tam život.
Komercializácia výskumu
Súčasným trendom je komercializácia vedeckých objavov. Na udeľovaní cien ocenení založili takmer dve desiatky spoločností v oblasti lekárskej diagnostiky, skladovania energie, analýzy dát. Vyvíja sa aj Harvard Blavatnik Biomedical Accelerator.
Úroveň modernej vedy umožňuje pomerne rýchlo prejsť od základného k aplikovanému výskumu a následne aplikovať vedecké objavy v komerčných produktoch.
11. júla 2008vedy o živote(life sciences) spájajú najrozmanitejšie odvetvia biológie, biotechnológie a medicíny. V posledných rokoch je to jedna z priorít svetovej vedy a ekonómie. Voľba biologických vied ako prioritného smeru rozvoja sa vysvetľuje viacerými dôvodmi. Tieto vedy sú základom pre zabezpečenie prioritných potrieb ľudstva.
V prvom rade je to zdravotníctvo. Aby ste sa mohli starať o svoje zdravie, musíte pochopiť, čo sa deje so zdravým človekom a čo sa deje s patológiou. Biologické vedy sa stávajú obzvlášť dôležitými v kontexte zvyšujúcej sa priemernej dĺžky života: potreba zabezpečiť starším členom spoločnosti zdravú a aktívnu starobu predstavuje nové výzvy pre biológiu a medicínu. Po druhé, rastúca svetová populácia a rastúca prosperita si vyžadujú vývoj nových spôsobov, ako zvýšiť produktivitu poľnohospodárstva, nové odrody rastlín - nielen produktívnejšie, ale aj so zlepšenými spotrebiteľskými vlastnosťami. Po tretie, narastajúca záťaž ľudstva na prírodu si vyžaduje stále hlbšie štúdium ekológie a prijímanie opatrení na zníženie tejto záťaže – napríklad metódami získavania biopalív, biodegradovateľných plastov, pokrokovými poľnohospodárskymi metódami, znižovaním znečistenia životného prostredia a bioremediáciou – obnovou znečistených alebo zničených biocenóz.
Ústredným článkom spájajúcim biologické vedy je biotechnológia v najširšom zmysle slova.
Priorita živých systémov
Osobná identifikácia a spoľahlivá diagnostika chorôb, pestovanie ľudských orgánov a tvorba plodín s vysokým obsahom vitamínov, tukov a bielkovín, nové vakcíny a lieky – tieto a mnohé ďalšie technológie právom patria do najširšieho priestoru nazývaného „živé systémy“.
Vytvorenie rozvinutej ekonomiky v postindustriálnej spoločnosti nie je možné bez aktualizácie technologickej štruktúry a foriem vedeckej činnosti, ktoré zodpovedajú odchádzajúcemu ekonomickému systému. Jednou z kľúčových úloh nášho štátu je preto formovanie efektívneho a konkurencieschopného sektora vedy a inovácií. Hlavným nástrojom štátu v oblasti rozvoja vedy a techniky je federálny cieľový program „Výskum a vývoj v prioritných oblastiach rozvoja vedecko-technického komplexu Ruska na roky 2007-2012“. V rámci tohto programu štát financuje práce zodpovedajúce vybraným vedeckým a vedecko-technickým prioritám štátu, medzi ktoré patrí aj „Živé systémy“.
Pomocník STRF:
Práce v prioritnej oblasti "Živé systémy" sa vykonávajú aj v rámci federálneho cieľového programu "Výskum a vývoj v prioritných oblastiach rozvoja vedecko-technického komplexu Ruska na roky 2007-2012". V tomto smere boli v roku 2008 vyvinuté tieto kritické technológie, najmä:
– biomedicínske a veterinárne technológie na podporu života a ochranu ľudí a zvierat;
– biokatalytické, biosyntetické a biosenzorové technológie;
– genomické a postgenomické technológie na výrobu liekov;
– bunkové technológie;
- bioinžinierske technológie.
koncepcie vedy o živote nahradil zaužívaný pojem „biologické vedy“ a dal spoločný názov všetkým vedám o živote: zoológii a genetike, botanike a molekulárnej biológii, fyziológii a biochémii, ekológii a medicíne. Všetci, ktorí pracujú v týchto oblastiach, sa zaoberajú živými systémami, teda živými organizmami, či už je to človek alebo kvetina, vírus alebo baktéria. Môžeme povedať, že živé systémy sú všetko, čo sa reprodukuje, dýcha, jedia a hýbe sa.
Nejde však len o zmenu názvu. Pojem „živé systémy“ je aktívnejší, štruktúrovanejší. Odráža systematický prístup k tejto interdisciplinárnej oblasti vedy a poznania, v ktorej pracujú biológovia, chemici, fyzici a matematici. Okrem toho je pojem „Living Systems“ veľmi technologický. Poskytuje nielen poznanie a objavovanie princípov organizácie živého, ale aj využitie týchto poznatkov v podobe nových technológií. Tento prístup pozýva rôznych odborníkov, aby spoločne prešli od vedeckej myšlienky k jej praktickej realizácii a využitiu v záujme ľudí.
Osobná identifikácia a spoľahlivá diagnostika chorôb, pestovanie ľudských orgánov a tvorba plodín s vysokým obsahom vitamínov, tukov a bielkovín, nové vakcíny a lieky – tieto a mnohé ďalšie technológie právom patria do najširšieho priestoru nazývaného „živé systémy“. Výskum a vývoj v tejto oblasti naplní náš priemysel špičkovou technológiou, zlepší zdravie a bezpečnosť ruských občanov. Preto sú živé systémy jednou z hlavných priorít štátu v oblasti vedy a techniky, aktívne podporované pomocou federálnych cieľových programov.
Táto zbierka stručne predstaví čitateľovi koncept technologických platforiem a biotechnológií, ako aj niektoré vývojové trendy popredných ruských výskumných tímov pracujúcich v prioritnom smere „Živé systémy“.
Pomocník STRF:
Rozdelenie finančných prostriedkov v smere „Životných systémov“ v rámci Federálneho cieľového programu v roku 2008 podľa regiónov (milión rubľov):
FEFD - 9 zmlúv, rozpočet 116,5
Volžský federálny okruh - 17 zmlúv, rozpočet 140,1
Severozápadný federálny okruh – 32 zmlúv, rozpočet 156,0
Sibírsky federálny okruh - 34 zmlúv, rozpočet 237,4
UFO - 1 zmluva, rozpočet 50
Centrálny federálny okruh - 202 zmlúv, rozpočet 2507,8
SFD - 4 zmluvy, rozpočet 34,85
Vedomosti ako technológia
V rozhovore o vývoji základného a aplikovaného vývoja v oblasti živých systémov sa čoraz častejšie stretávame s pojmom „technológia“. V modernej, postindustriálnej ekonomike sú technológie chápané ako súbor zdokumentovaných poznatkov pre cieľavedomú činnosť využívajúcu technické prostriedky (napríklad organizačné technológie, spotrebné technológie, sociálne technológie, politické technológie). Treba si uvedomiť, že v trhovej ekonomike sú technológie ako druh vedomostí tovarom. Komplex vedomostí označený týmto pojmom vyvoláva otázky nielen o tom, čo robíme, ale aj o tom, ako a čo je najdôležitejšie, prečo to robíme.
Pri určovaní stratégií rozvoja vedecko-technického komplexu v celoštátnom meradle sa používa pojem „technologická platforma“. Jednoznačná definícia tohto pojmu zatiaľ neexistuje. Už teraz je však zrejmé, že tento pojem zahŕňa súbor poznatkov, metód, materiálno-technickú základňu a kvalifikovaný personál, ktorý sa mení v závislosti od externých objednávok na vedecko-technickú prácu. Prioritnú oblasť „Živé systémy“ možno vnímať ako kombináciu viacerých technologických platforiem.
Záhady odhalené
Zo živých systémov čerpáme technológie, ktoré sú pre prírodu normou. Používa ich pri zrode, vývoji a smrti akéhokoľvek živého organizmu. Navyše na každej úrovni hierarchie živého systému – genetickom, bunkovom, organizme – funguje jeho vlastný súbor technologických riešení.
Každý živý systém začína hlavnou molekulou života, DNA, ktorá uchováva a prenáša dedičné informácie z generácie na generáciu. DNA možno podmienečne rozdeliť na sémantické úseky – gény. Vysielajú príkazy na syntézu určitých bielkovín, ktoré tvoria vlastnosti organizmu a zabezpečujú jeho život. Vedci odhadujú počet génov u človeka na 20-25 tisíc. Ak dôjde k poruchám v génoch, ktoré sa nazývajú mutácie, človek vyvíja vážne choroby. Množstvo textu „zaznamenaného“ v genóme je identické s podaním denníka „Izvestija“ už 30 rokov.
DNA žije a funguje v bunke. Živá bunka je dokonalosť sama. Vie, ako premeniť zbytočné látky na potrebné, syntetizovať vnútorné lieky pre telo, stavebný materiál a oveľa viac. Každú minútu prebehnú v živej bunke milióny chemických reakcií za tých najbežnejších podmienok – vo vodnom prostredí, bez vysokého tlaku a teplôt.
Jedna bunka žije sama o sebe iba v jednobunkových organizmoch - baktériách., Väčšina živých systémov je mnohobunková. Telo dospelého človeka obsahuje v priemere 10 14 buniek. Narodia sa, transformujú, robia svoju prácu a zomierajú. Ale zároveň žijú v harmónii a spolupráci, budujú kolektívne systémy ochrany (imunitný systém), adaptácie (regulačný systém) a iné.
Krok za krokom odhaľujeme tajomstvá živých systémov a na základe tohto poznania tvoríme biotechnológie.
Biotechnológia
Biotechnológiu možno definovať ako procesy, v ktorých sa živé systémy alebo ich zložky používajú na výrobu látok alebo iných živých systémov. Živé bytosti sú akési „továrne“, ktoré spracovávajú suroviny (živiny) na širokú škálu produktov potrebných na udržanie ich života. A okrem toho sa tieto továrne dokážu rozmnožovať, teda dať vzniknúť ďalším veľmi podobným „fabrikám“.
Dnes už vieme veľa o tom, ako sú usporiadaní a fungujú „robotníci“ živých tovární – genóm, bunkové štruktúry, bielkoviny, samotné bunky a telo ako celok.
Vďaka týmto poznatkom, aj keď ešte neúplným, sa výskumníci naučili manipulovať s jednotlivými prvkami živých systémov – génmi (genomické technológie), bunkami (bunkové technológie) – a vytvárať geneticky modifikované živé organizmy s vlastnosťami, ktoré sú pre nás užitočné (genetické inžinierstvo). Sme schopní prispôsobiť prírodné „továrne“ na výrobu produktu, ktorý potrebujeme (priemyselná biotechnológia). A čo viac, geneticky modifikovať tieto továrne tak, aby syntetizovali to, čo potrebujeme.
Takto vytvárame biotechnológie, o ktorých bude reč ďalej. Predtým, ako vám však predstavíme príklady technológií už v službách človeka, treba povedať pár slov o elegantnom riešení, ktoré dnes pomáha vedcom prenikať do tajov života a spoznávať mechanizmy živých systémov. Koniec koncov, procesy prebiehajúce v bunke nie sú viditeľné a vedecký výskum si vyžaduje technológie, ktoré sa dajú použiť na ich videnie a pochopenie. Mimochodom, toto riešenie je samo o sebe biotechnológia.
svietiace veveričky
Ak chcete zistiť, ako fungujú gény, musíte vidieť výsledok ich práce, teda proteíny, ktoré sa na ich príkaz syntetizujú. Ako môžeme nájsť presne to, čo hľadáme? Vedci našli metódu, vďaka ktorej sú bielkoviny viditeľné a žiaria v ultrafialovom svetle.
Takéto svietiace bielkoviny sa v prírode nachádzajú napríklad v morských kôrovcoch a medúzach. Počas druhej svetovej vojny Japonci používali ako miestny zdroj svetla prášok z „morskej svetlušky“ – kôrovce s lastúrnikom. Keď bol namočený vo vode, jasne žiaril. Práve z tejto morskej svetlušky a medúzy O. Shimomura (Japonsko) koncom 50. rokov dvadsiateho storočia ako prvý izoloval svietiace veveričky. To bol začiatok príbehu dnes známeho GFP – zeleného fluorescenčného proteínu (green fluorescent protein). A v roku 2008 dostali O. Shimomura, M. Chelfi a R. Tsien (USA) Nobelovu cenu za chémiu za fluorescenčné proteíny. Pomocou týchto proteínov možno rozžiariť rôzne živé predmety, od bunkových štruktúr až po celé zviera. Fluorescenčná baterka, ktorú bolo možné pomocou genetických manipulácií pripojiť k požadovaným proteínom, umožnila vidieť, kde a kedy sa tento proteín syntetizuje, do ktorých častí bunky smeruje. Bola to revolúcia v biológii a medicíne.
Ale červené fluorescenčné proteíny boli prvýkrát nájdené v koraloch a iných morských organizmoch dvoma ruskými výskumníkmi - Michailom Matsom a Sergejom Lukyanovom. Teraz máme fluorescenčné proteíny v každej farbe dúhy a ich využitie je veľmi široké: od špičkovej biológie a medicíny vrátane onkológie a detekcie jedov a výbušnín až po žiarivé akváriové rybičky.
Pod vedením člena korešpondenta Ruskej akadémie vied S. Lukjanova (Ústav bioorganickej chémie Ruskej akadémie vied) vznikla ruská biotechnologická spoločnosť Evrogen, ktorá dodáva vedcom po celom svete viacfarebné fluorescenčné etikety. Dnes je Evrogen jedným z lídrov na svetovom trhu fluorescenčných proteínov pre biologický výskum.
Genetická identifikácia
Všetci sme veľmi odlišní. Vzhľad, charakter, schopnosti, náchylnosť na drogy, odmietanie toho či onoho jedla – to všetko je dané geneticky. Jedinečnosť genómu každého z nás z neho robí spoľahlivý nástroj na stanovenie identity. V podstate sú naše gény rovnaké odtlačky prstov, len inej povahy. Metódu DNA identifikácie zaviedol do forenznej praxe britský výskumník Alik Jeffreys v 80. rokoch minulého storočia. Dnes je to už bežný a známy postup na celom svete.
Používa sa aj v Rusku. Reagencie na rozbor však nakupujeme v zahraničí. V Ústave všeobecnej genetiky Ruskej akadémie vied pod vedením člena korešpondenta Ruskej akadémie vied Nikolaja Jankovského vzniká súbor činidiel na identifikáciu ľudskej DNA. Vznik takéhoto domáceho nástroja je veľmi aktuálny, pretože 1. januára 2009 nadobudne účinnosť zákon „o registrácii genómu“, ktorý prijala Štátna duma Ruskej federácie 19. novembra 2008. Rozvoj našich vedcov nám umožní nielen odmietnuť dovoz, ale dá kriminalistom aj pokročilejší nástroj, ktorý na rozdiel od západných analógov pracuje so značne poškodenou DNA. A to je bežný prípad pri súdnom lekárskom vyšetrení.
Pomocou tohto nástroja bude vyriešená ďalšia dôležitá spoločenská úloha - vytvorenie banky genetických dát porušovateľov zákona, vďaka čomu sa zvýši odhaľovanie trestných činov a skráti sa čas vyšetrovania. V Spojenom kráľovstve má genetická databáza ľudí, tak či onak spojených s kriminálnym svetom, už niekoľko miliónov ľudí.
Metóda identifikácie DNA je obzvlášť dobrá na identifikáciu ľudí, ktorí zomreli vo vojnách, katastrofách a iných okolnostiach. Dnes sa používa aj v Rusku. Najznámejším prípadom je identifikácia pozostatkov poslednej kráľovskej rodiny. Záverečnú fázu tohto veľkého diela – identifikáciu pozostatkov cisárovho syna a dcéry – vykonal profesor Evgeny Rogaev, vedúci oddelenia genomiky Ústavu všeobecnej genetiky Ruskej akadémie vied.
Napokon ďalšou oblasťou použitia metódy identifikácie DNA je určenie otcovstva. Výskumy ukazujú, že niekoľko percent zákonných otcov nie je biologických. Otcovstvo sa dlho zisťovalo rozborom krvi dieťaťa a rodiča – určovali krvnú skupinu, Rh faktor a porovnávali údaje. Táto metóda však bola vo svojej podstate nespoľahlivá, ako vedci teraz chápu, a spôsobila veľa chýb, ktoré sa zmenili na osobné tragédie. Použitie DNA identifikácie zvýšilo presnosť analýzy na takmer 100%. Dnes je táto technika na určenie otcovstva dostupná aj v Rusku.
Genetická diagnostika
Urobiť kompletnú analýzu genómu jedného človeka stále stojí veľa peňazí – dva milióny dolárov. Pravda, o desať rokov, ako sa technológie zdokonaľujú, cena klesne podľa prognóz na tisíc dolárov. Ale koniec koncov je možné a nie popísať všetky gény. Často stačí vyhodnotiť prácu iba určitých skupín génov, ktoré sú kritické pre výskyt rôznych ochorení.
Genetická diagnostika si vyžaduje špeciálne prístroje, miniatúrne, rýchle a presné. Tieto zariadenia sa nazývajú biočipy. Prvý svetový patent na biočipy na určovanie štruktúry DNA patrí Rusku – tímu akademika Andrey Mirzabekova z Ústavu molekulárnej biológie. V.A. Engelhardt RAS. Potom, koncom 80. rokov minulého storočia, Mirzabekov tím vyvinul technológiu microarrays. Neskôr sa nazývali biočipy.
Biologické mikročipy sú malá doštička zo skla alebo plastu, na povrchu ktorej je veľa buniek. Každá z týchto jamiek obsahuje marker pre určitú oblasť genómu, ktorý musí byť vo vzorke detegovaný. Ak sa vzorka krvi pacienta nakvapká na biočip, potom môžeme zistiť, či obsahuje to, čo hľadáme – zodpovedajúca jamka bude žiariť vďaka fluorescenčnej nálepke.
Pri pohľade na použitý biočip môžu výskumníci diagnostikovať predispozíciu k určitým chorobám, ako aj odhaliť nebezpečné vírusy v krvi pacienta, napríklad tuberkulózu alebo hepatitídu C. Vírus totiž nie je nič iné ako kúsok cudzej DNA v proteínovom obale. Vďaka novej technike sa doba zložitých laboratórnych analýz biologických materiálov skrátila z niekoľkých týždňov na jeden deň.
Biologické mikrobiočipy dnes vyvíjajú desiatky spoločností v Európe a Spojených štátoch. Ruské biočipy však úspešne odolávajú konkurencii. Jedna analýza pomocou testovacieho systému Biochip-IMB stojí iba 500 rubľov, zatiaľ čo použitie cudzieho analógu stojí 200–500 dolárov.
A Ústav molekulárnej biológie Ruskej akadémie vied začal s certifikáciou biočipov, ktoré detegujú odrody vírusu hepatitídy C u pacienta. Trhový potenciál novej technológie je obrovský. Pomocou tradičných analýz sa totiž v každom treťom prípade nedá zistiť, do ktorej odrody nájdený vírus patrí. Teraz je táto úloha vyriešená.
Pomocou DNA diagnostiky je možné nielen identifikovať choroby a predispozície k nim, ale aj upraviť každodennú stravu. Napríklad, či do nej zahrnúť plnotučné mlieko alebo nie. Faktom je, že u mnohých ľudí plnotučné mlieko spôsobuje nevoľnosť, hnačku a celkovú nevoľnosť. Môže za to nedostatok enzýmu, ktorý štiepi mliečny cukor – laktózu. Z tohto dôvodu vznikajú v tele problémy. A prítomnosť enzýmu je podmienená geneticky. Podľa genetických štúdií tretina až polovica dospelých u nás (v závislosti od regiónu) nie je schopná stráviť plnotučné mlieko. Školská strava však stále nariaďuje pohár mlieka denne pre každé dieťa. Pomocou DNA diagnostika vyvinutého v Ústave všeobecnej genetiky Ruskej akadémie vied je ľahké určiť, komu možno plnotučné mlieko odporučiť a komu nie. To je cieľom projektu „Zachovanie zdravia zdravých ľudí“, ktorý realizuje Ruská akadémia vied spolu so správou regiónu Tambov.
Génová terapia
Genetická diagnostika stavia základy medicíny budúcnosti. Ale medicína nie je len diagnóza, je to aj liečba. Môžeme opraviť chybné gény v živom organizme alebo ich nahradiť úplnými v tých ťažkých prípadoch, keď je tradičná liečba bezmocná? To je výzva génovej terapie.
Podstata génovej terapie je slovami jednoduchá: je potrebné buď „opraviť“ pokazený gén v bunkách tých tkanív a orgánov, kde nefunguje, alebo dodať do tela pacienta plnohodnotný gén, ktorý vieme syntetizovať v skúmavke. Dnes bolo vyvinutých niekoľko metód na zavedenie nových génov do buniek. Ide o dodávanie génov pomocou neutralizovaných vírusov, mikroinjekciu genetického materiálu do bunkového jadra, ostreľovanie buniek zo špeciálnej pištole najmenšími čiastočkami zlata, ktoré na svojom povrchu nesú zdravé gény a pod.. V oblasti praktickej génovej terapie je zatiaľ len veľmi málo úspechov. Existujú však jasné a vtipné zistenia, a to aj v ruských laboratóriách.
Jeden z týchto nápadov, určený na liečbu rakoviny, môžeme voľne nazvať „trójskym koňom“. Jeden z génov herpes vírusu sa vstrekuje do rakovinových buniek. Do určitého času sa tento „trójsky kôň“ neprezradí. Ale stojí za to zaviesť liek široko používaný na liečbu herpesu (ganciklovir) do tela pacienta, pretože gén začne fungovať. Výsledkom je, že v bunkách vzniká extrémne toxická látka, ktorá ničí nádor zvnútra. Ďalšou možnosťou génovej terapie rakoviny je dodanie génov do rakovinových buniek, ktoré vyvolajú syntézu takzvaných „samovražedných“ proteínov, čo vedie k „samovražde“ rakovinových buniek.
Technológiu na dodávanie génov do rakovinových buniek vyvíja veľký tím vedcov z Ústavu bioorganickej chémie. M.M. Shemyakin a Yu.A. Ovchinnikov RAS, Ruské centrum pre výskum rakoviny RAMS, Ústav molekulárnej genetiky RAS, Ústav génovej biológie RAS. Na prácu dohliada akademik Jevgenij Sverdlov. Hlavný dôraz sa v projekte kladie na tvorbu liekov proti rakovine pľúc (prvé miesto v úmrtnosti) a rakovine pažeráka (siedme miesto). Vytvorené metódy a návrhy však budú užitočné pri boji s akýmkoľvek typom rakoviny, ktorých je viac ako sto. Po potrebných klinických skúškach, ak budú úspešné, vstúpia lieky do praxe v roku 2012.
Diagnóza rakoviny
Problémom rakoviny sa zaoberá veľké množstvo vedeckých tímov v Rusku a vo svete. Je to pochopiteľné: rakovina každoročne zbiera o niečo menšiu smrteľnú úrodu ako kardiovaskulárne ochorenia. Úlohou vedcov je vytvoriť technológie, ktoré umožnia odhaliť rakovinu v najskorších štádiách a ničiť rakovinové bunky bez vedľajších účinkov na telo. Včasná a rýchla diagnostika, keď analýza trvá len niekoľko hodín, je mimoriadne dôležitá pre konvenčnú liečbu rakoviny. Lekári vedia, že choroba sa dá ľahšie potlačiť v zárodku. Preto kliniky po celom svete potrebujú diagnostické technológie, ktoré spĺňajú tieto požiadavky. Tu prichádza na pomoc biotechnológia.
Nový prístup k včasnej a rýchlej diagnostike rakoviny ako prvý na svete navrhol Alexander Chetverin z Proteínového inštitútu Ruskej akadémie vied. Podstatou metódy je identifikovať v krvi tie molekuly mRNA, ktoré odstraňujú informácie z príslušných častí genómu a nesú príkaz na syntézu rakovinových proteínov. Ak sú takéto molekuly prítomné vo vzorke krvi pacienta, potom je možné stanoviť diagnózu: existuje rakovina. Problémom však je, že týchto molekúl je vo vzorke krvi veľmi málo, zatiaľ čo iných je veľa. Ako nájsť a vidieť tie jednotlivé prípady, ktoré potrebujeme? Tento problém vyriešil tím vedcov pod vedením A. Chetverina.
Výskumníci sa naučili propagovať hľadané, no neviditeľné markerové molekuly rakovinových buniek pomocou takzvanej polymerázovej reťazovej reakcie (PCR).
Výsledkom je, že z jednej neviditeľnej molekuly vyrastajú celé molekulárne kolónie, ktoré už možno vidieť mikroskopom. Ak vzorka krvi pacienta (povedzme jeden mililiter) obsahuje aspoň jednu rakovinovú bunku a jednu markerovú molekulu, potom je možné odhaliť vznikajúce ochorenie.
Analýza môže byť vykonaná za pár hodín a stojí niekoľko tisíc rubľov. Ale ak ho používate hromadne, napríklad pri ročnej preventívnej lekárskej prehliadke, potom môže cena klesnúť na 300-500 rubľov.
Liečba rakoviny
Aj v oblasti liečby rakoviny existuje niekoľko nových prístupov založených na biotechnológiách. Jedným z nich je použitie špecifických protilátok ako protirakovinových činidiel.
Protilátky sú proteínové molekuly produkované bunkami imunitného systému. V skutočnosti ide o chemickú zbraň, ktorú naše telo používa v boji proti všetkým druhom vírusov, ako aj s degenerovanými bunkami nášho vlastného tela – rakovinovými. Ak si imunitný systém sám nevie poradiť s rakovinou, potom sa mu dá pomôcť.
Vedci z Laboratória molekulárnej imunológie (Ústav bioorganickej chémie Ruskej akadémie vied) pod vedením člena korešpondenta Ruskej akadémie vied Sergeja Deeva navrhujú novú generáciu protilátok, ktoré rozpoznajú cieľ a zničia ho. Tento prístup je založený na princípe takzvanej „magickej strely“, ktorá si vždy a presne nájde svoju obeť. Na túto úlohu sa najlepšie hodia protilátky. Jedna časť ich molekuly slúži ako „anténa“ smerujúca na cieľ – povrch rakovinovej bunky. A na chvoste protilátky môžu priľnúť rôzne škodlivé látky – toxíny, organické molekuly, rádioaktívne izotopy. Majú rôzne účinky, ale všetky nakoniec zabijú nádor.
Rakovinové bunky môžu byť zničené takmer prirodzene. Stačí spustiť mechanizmus programovanej bunkovej smrti, akejsi samovraždy, ktorú poskytuje príroda. Vedci to nazývajú apoptóza. Samovražedný mechanizmus spúšťajú vnútrobunkové enzýmy, ktoré ničia proteíny vo vnútri bunky a samotnú DNA. Bohužiaľ, rakovinové bunky sú úžasne odolné, pretože vedia, ako potlačiť svoje samovražedné „nálady“. Problémom je, že týchto enzýmov je v rakovinových bunkách veľmi málo, a preto je ťažké spustiť apoptózu.
Aj tento problém je však vyriešený. Na spustenie samovražedného mechanizmu navrhujú sibírski vedci otvoriť membrány bunkových štruktúr, ako sú mitochondrie. Potom bunka nevyhnutne zomrie. Ústav bioorganickej chémie Sibírskej pobočky Ruskej akadémie vied, Štátne vedecké centrum "Vector" (dedina Koltsovo), Mestská pľúcna chirurgická nemocnica (Novosibirsk), Vedecký a výrobný fond "Lekárske technológie" (Kurgan), Výskumný ústav klinickej a experimentálnej imunológie Ruskej akadémie lekárskych vied (Novosibirsk) Výskumníci spoločne vybrali látky, ktoré dokážu otvárať membrány bunkových štruktúr, a vyvinuli metódu na dodanie týchto látok do rakovinovej bunky.
Vakcíny
Naše poznatky o imunitnom systéme zvierat sa dajú využiť nielen pri liečbe rakoviny, ale aj akýchkoľvek infekčných ochorení. Proti väčšine chorôb získame imunitu „dedením“, proti iným získame imunitu prekonaním choroby spôsobenej novou infekciou. Ale imunita sa dá aj trénovať – napríklad pomocou očkovania.
Účinnosť očkovania bola prvýkrát preukázaná pred viac ako 200 rokmi lekárom Edwardom Jennerom, ktorý dokázal, že osoba, ktorá mala kravské kiahne, sa stala voči kiahňam imúnna. Odvtedy sa mnohé choroby dostali pod kontrolu lekárov. Od Pasteurových čias sa vo vakcínach používali oslabené alebo usmrtené vírusy. To však prináša obmedzenia: neexistujú žiadne záruky, že vakcína je úplne bez aktívnych vírusových častíc, práca s mnohými z nich si vyžaduje veľkú starostlivosť a skladovateľnosť vakcíny závisí od podmienok skladovania.
Tieto ťažkosti sa dajú obísť pomocou metód genetického inžinierstva. Pomocou nich môžete vyvinúť jednotlivé zložky baktérií a vírusov a následne ich podávať pacientom – ochranný účinok nebude o nič horší ako u bežných vakcín. Prvé geneticky upravené vakcíny boli pre zvieratá – proti slintačke a krívačke, besnote, úplavici a iným chorobám zvierat. Prvou geneticky upravenou ľudskou vakcínou bola vakcína proti hepatitíde B.
Dnes na väčšinu infekcií vieme vyrobiť vakcíny – klasické alebo geneticky upravené. Hlavný problém je spojený s morom dvadsiateho storočia - AIDS. Očkovanie je pre neho to pravé. Koniec koncov, posilňuje imunitný systém, spôsobuje, že telo produkuje viac imunitných buniek. A vírus ľudskej imunodeficiencie (HIV), ktorý spôsobuje AIDS, žije a množí sa v týchto bunkách. Inými slovami, dávame mu ešte viac príležitostí – nové, zdravé bunky imunitného systému nakaziť.
Výskum hľadania vakcín proti AIDS má dlhú históriu a je založený na objave, ktorý v 70. rokoch minulého storočia urobili budúci akademici R. V. Petrov, V. A. Kabanov a R. M. Khaitov. Jeho podstata spočíva v tom, že polyelektrolyty (nabité polymérne molekuly, ktoré sú rozpustné vo vode) interagujú s bunkami imunitného systému a vyvolávajú u nich intenzívnu produkciu protilátok. A ak sa napríklad jeden z proteínov, ktoré tvoria obal vírusu, pripojí k molekule polyelektrolytu, potom sa zapne imunitná odpoveď proti tomuto vírusu. Podľa mechanizmu účinku sa takáto vakcína zásadne líši od všetkých vakcín, ktoré boli predtým vytvorené vo svete.
Prvým a doteraz jediným polyelektrolytom na svete, ktorý sa môže dostať do ľudského tela, sa stal polyoxidonium. Potom boli k polyméru „prišité“ proteíny vírusu chrípky. Výsledkom bola vakcína Grippol, ktorá už takmer 10 rokov chráni milióny ľudí v Rusku pred vírusovou infekciou.
Vakcína proti AIDS sa dnes vytvára pomocou rovnakej metodiky. Proteín charakteristický pre vírus AIDS bol spojený s polyelektrolytom. Výsledná vakcína bola úspešne testovaná na myšiach a králikoch. Na základe výsledkov predklinických skúšok bolo Ústavu imunológie Ruskej akadémie vied udelené povolenie vykonávať klinické skúšky za účasti dobrovoľníkov. Ak sú všetky štádiá testovania lieku úspešné, môže sa použiť nielen na prevenciu infekcie HIV, ale aj na liečbu AIDS.
Lieky darované biotechnológiou
Lieky sú stále hlavným nástrojom lekárskej praxe. Možnosti chemického priemyslu, ktorý vyrába leví podiel liekov, sú však obmedzené. Chemická syntéza mnohých látok je zložitá a často nemožná, ako napríklad syntéza veľkej väčšiny bielkovín. Tu prichádza na pomoc biotechnológia.
Výroba liekov pomocou mikroorganizmov má dlhú históriu. Prvé antibiotikum, penicilín, bolo izolované z plesní v roku 1928 a jeho priemyselná výroba sa začala v roku 1940. Po penicilíne boli objavené a masovo vyrábané ďalšie antibiotiká.
Veľa liekov na báze ľudských bielkovín sa dlho dalo zohnať len v malom množstve, ich výroba bola veľmi drahá. Genetické inžinierstvo dalo nádej, že rozsah proteínových liekov a ich počet sa dramaticky zvýši. A tieto očakávania boli oprávnené. Do lekárskej praxe sa dostalo už niekoľko desiatok liekov získaných biotechnologickými prostriedkami. Podľa odborníkov sa ročný objem svetového trhu s liekmi na báze geneticky upravených proteínov zvyšuje o 15 % a do roku 2010 bude predstavovať 18 miliárd dolárov.
Najvýraznejším príkladom práce našich biotechnológov v tejto oblasti je geneticky upravený ľudský inzulín, ktorý sa vyrába v Ústave bioorganickej chémie. M.M.Shemyakin a Yu.A.Ovchinnikov RAS. Inzulín, teda hormón bielkovinovej štruktúry, reguluje rozklad cukru v našom tele. Dá sa extrahovať zo zvierat. Robili tak aj predtým. Ale aj inzulín z pankreasu prasiat – biochemicky zvierat, ktoré sú nám najbližšie – je predsa len trochu odlišný od ľudského.
Jeho aktivita v ľudskom tele je nižšia ako aktivita ľudského inzulínu. Náš imunitný systém navyše netoleruje cudzie proteíny a zo všetkých síl ich odmieta. Preto môže vpichnutý bravčový inzulín zmiznúť skôr, ako stihne mať liečebný účinok. Problém vyriešila technológia genetického inžinierstva, podľa ktorej sa dnes vyrába ľudský inzulín, a to aj v Rusku.
Okrem geneticky upraveného ľudského inzulínu v Ústave bioorganickej chémie. M. M. Shemyakina a Yu. A. Ovchinnikov z Ruskej akadémie vied, IBCh RAS spolu s Hematologickým výskumným centrom Ruskej akadémie lekárskych vied vytvorili technológiu na výrobu proteínov na boj proti masívnej strate krvi. Ľudský sérový albumín a faktor zrážania krvi sú vynikajúce nástroje prvej pomoci a resuscitácie, ktoré si vyžaduje medicína katastrof.
geneticky modifikované rastliny
Naše denno-denne dopĺňané znalosti v oblasti genetiky nám umožnili vytvárať nielen genetické testy na diagnostiku chorôb a svetelných proteínov, vakcíny a lieky, ale aj nové organizmy. Dnes už snáď neexistuje človek, ktorý by nepočul o geneticky modifikovaných alebo transgénnych organizmoch (GMO). Ide o rastliny alebo živočíchy, do ktorých sa zvonku vnášajú gény DNA, čím tieto organizmy získavajú nové, z ľudského hľadiska užitočné vlastnosti.
GMO armáda je veľká. V jej radoch sú prospešné mikróby, ktoré pracujú v biotechnologických továrňach a produkujú pre nás množstvo užitočných látok, a poľnohospodárske plodiny so zlepšenými vlastnosťami a cicavce, ktoré dávajú viac mäsa, viac mlieka.
Jedným z najmasovejších delení GMO sú samozrejme rastliny. Veď od nepamäti slúžia ako potrava pre človeka, potrava pre zvieratá. Z rastlín získavame vlákna pre stavebníctvo, látky do liečiv a parfumov, suroviny pre chemický priemysel a energetiku, oheň a teplo.
Šľachtením pokračujeme v zlepšovaní kvality rastlín a vývoji nových odrôd. Tento starostlivý a časovo náročný proces si však vyžaduje veľa času. Genetické inžinierstvo, ktoré nám umožnilo vložiť užitočné gény do rastlinného genómu, posunulo šľachtenie rastlín na úplne novú úroveň.
Úplne prvou transgénnou rastlinou, ktorá vznikla pred štvrťstoročím, bol tabak a v súčasnosti sa vo svete v priemyselnom meradle používa 160 transgénnych plodín. Sú medzi nimi kukurica a sója, ryža a repka, bavlna a ľan, paradajky a tekvica, tabak a repa, zemiaky a klinčeky a iné.
V Bioinžinierskom centre Ruskej akadémie vied, ktoré vedie akademik K.G. Skryabin. Spolu s bieloruskými kolegami vytvorili prvú domácu geneticky modifikovanú plodinu - odrodu zemiakov Elizaveta, ktorá je odolná voči pásavke zemiakovej.
Prvé geneticky modifikované plodiny vyprodukované začiatkom 80. rokov 20. storočia boli odolné voči herbicídom a hmyzu. Dnes pomocou genetického inžinierstva získavame odrody, ktoré obsahujú viac živín, sú odolné voči baktériám a vírusom, voči suchu a chladu. V roku 1994 bola prvýkrát vytvorená odroda paradajok odolná voči hnilobe. Táto odroda sa na trhoch geneticky modifikovaných produktov objavila o dva roky. Ďalší transgénny produkt, zlatá ryža, sa stal všeobecne známym. V nej sa na rozdiel od bežnej ryže tvorí betakarotén – prekurzor vitamínu A, absolútne nevyhnutný pre rast organizmu. Zlatá ryža čiastočne rieši problém správnej výživy v krajinách, kde je ryža stále hlavným jedlom v strave. A to sú najmenej dve miliardy ľudí.
Výživa a výnos nie sú jediné ciele, ktoré sledujú genetickí inžinieri. Je možné vytvoriť také odrody rastlín, ktoré budú vo svojich listoch a plodoch obsahovať vakcíny a lieky. To je veľmi cenné a pohodlné: vakcíny z transgénnych rastlín nemôžu byť kontaminované nebezpečnými živočíšnymi vírusmi a samotné rastliny sa dajú ľahko pestovať vo veľkých množstvách. A napokon, na báze rastlín je možné vytvárať „jedlé“ vakcíny, kedy na očkovanie stačí zjesť určité množstvo transgénneho ovocia alebo zeleniny, ako je zemiak alebo banán. Napríklad mrkva obsahujúca látky, ktoré sa podieľajú na tvorbe imunitnej odpovede organizmu. Takéto rastliny spoločne vytvárajú vedci z dvoch popredných biologických ústavov na Sibíri: Ústavu cytológie a genetiky Sibírskej pobočky Ruskej akadémie vied a Ústavu chemickej biológie a základnej medicíny Sibírskej pobočky Ruskej akadémie vied.
Nemožno povedať, že spoločnosť je opatrná voči geneticky modifikovaným rastlinám (GMP). A v samotnej vedeckej komunite pokračuje diskusia o možnom potenciálnom nebezpečenstve GMR. Preto po celom svete prebiehajú štúdie na posúdenie rizík spojených s používaním GMR – potravinárske, agrotechnické, environmentálne. Zatiaľ čo Svetová zdravotnícka organizácia uvádza nasledovné: „Skúsenosti získané za 10 rokov komerčného využívania GM plodín, analýza výsledkov špeciálnych štúdií ukazuje, že doteraz sa vo svete nepreukázal jediný prípad toxicity alebo nepriaznivých účinkov registrovaných GM plodín ako zdrojov potravín alebo krmív.“
Od roku 1996, kedy sa začalo komerčné pestovanie HMR, do roku 2007 sa celková plocha vysadená transgénnymi rastlinami zvýšila z 1,7 milióna na 114 miliónov hektárov, čo je asi 9 % všetkej ornej pôdy na svete. Okrem toho 99 % tejto plochy zaberá päť plodín: sója, bavlna, ryža, kukurica a repka. V celkovom objeme ich produkcie tvoria geneticky modifikované odrody vyše 25 %. Absolútnym lídrom v používaní GMR sú Spojené štáty americké, kde už v roku 2002 bolo 75 % bavlny a sójových bôbov transgénnych. V Argentíne bol podiel transgénnych sójových bôbov 99%, v Kanade sa týmto spôsobom vyrobilo 65% repky a v Číne - 51% bavlny. Na pestovaní HMR sa v roku 2007 podieľalo 12 miliónov farmárov, z ktorých 90 % žije v rozvojových krajinách. V Rusku je priemyselné pestovanie HMR zákonom zakázané.
geneticky modifikované zvieratá
Podobnú stratégiu používajú genetickí inžinieri pri chove nových plemien zvierat. V tomto prípade sa gén zodpovedný za prejav nejakej cennej vlastnosti zavedie do oplodneného vajíčka, z ktorého sa vyvinie nový organizmus. Napríklad, ak je súbor génov zvieraťa doplnený o gén pre hormón stimulujúci rast, potom takéto zvieratá budú rásť rýchlejšie s menšou spotrebou potravy. Výsledkom je lacnejšie mäso.
Zviera môže byť zdrojom nielen mäsa a mlieka, ale aj liečivých látok obsiahnutých v tomto mlieku. Napríklad najcennejšie ľudské bielkoviny. O niektorých sme už hovorili. Teraz môže byť tento zoznam doplnený o laktoferín, proteín, ktorý chráni novonarodené deti pred nebezpečnými mikroorganizmami, kým nezačne fungovať ich vlastná imunita.
Telo ženy produkuje túto látku s prvými porciami materského mlieka. Žiaľ, nie všetky matky majú mlieko, preto sa musí ľudský laktoferín pridávať do umelej výživy, aby sa zachovalo zdravie novorodencov. Ak je v strave dostatok ochranných bielkovín, úmrtnosť umelých detí na rôzne gastrointestinálne infekcie sa môže desaťnásobne znížiť. Tento proteín je žiadaný nielen v priemysle detskej výživy, ale napríklad aj v kozmetickom priemysle.
Technológia výroby kozieho mlieka s ľudským laktoferínom sa vyvíja v Ústave génovej biológie Ruskej akadémie vied a vo Vedecko-praktickom centre pre chov zvierat Národnej akadémie vied Bieloruska. Tento rok sa narodili prvé dve transgénne deti. Na vytvorenie každého z nich bolo vynaložených 25 miliónov rubľov počas niekoľkých rokov výskumu. Zostáva počkať, kým vyrastú, rozmnožia sa a začnú dávať mlieko s cennými ľudskými bielkovinami.
Bunkové inžinierstvo
Existuje ďalšia lákavá oblasť biotechnológie - bunková technológia. Kmeňové bunky, fantastické svojimi schopnosťami, žijú a pracujú v ľudskom tele. Nahrádzajú odumreté bunky (povedzme erytrocyt, červená krvinka, žije len 100 dní), liečia nám zlomeniny a rany, obnovujú poškodené tkanivá.
Existenciu kmeňových buniek predpovedal Alexander Maksimov, ruský hematológ z Petrohradu, už v roku 1909. O niekoľko desaťročí neskôr sa jeho teoretický predpoklad potvrdil experimentálne: boli objavené a izolované kmeňové bunky. Ale skutočný boom začal na konci 20. storočia, keď pokroky v experimentálnej technológii umožnili vidieť potenciál týchto buniek.
Pokroky v medicíne spojené s využívaním kmeňových buniek sú zatiaľ viac než skromné. Vieme, ako tieto bunky izolovať, skladovať, množiť a experimentovať s nimi. Stále však úplne nerozumieme mechanizmu ich magických premien, keď sa kmeňová bunka bez tváre zmení na krvinku alebo svalové tkanivo. Ešte sme úplne nepochopili chemický jazyk, v ktorom je kmeňová bunka nariadená transformovať sa. Táto neznalosť vytvára riziká z používania kmeňových buniek a bráni ich aktívnemu zavádzaniu do lekárskej praxe. Pokroky sú však v liečbe nehojacich sa zlomenín u starších ľudí, ako aj v rehabilitácii po infarktoch a operáciách srdca.
V Rusku bola vyvinutá metóda na liečbu popálenín sietnice pomocou ľudských mozgových kmeňových buniek. Ak sa tieto bunky zavedú do oka, aktívne sa presunú do oblasti popálenia umiestnenej vo vonkajšej a vnútornej vrstve poškodenej sietnice a stimulujú hojenie popálenia. Metódu vyvinula výskumná skupina vedcov z Moskovského výskumného ústavu očných chorôb. G. Helmholtz Ministerstvo zdravotníctva Ruskej federácie, Ústav vývojovej biológie. N.K. Koltsov RAS, Ústav génovej biológie RAS a Vedecké centrum pre pôrodníctvo, gynekológiu a perinatológiu Ruskej akadémie lekárskych vied.
Zatiaľ sme v štádiu akumulácie vedomostí o kmeňových bunkách. Úsilie vedcov sa zameriava na výskum, na vytváranie infraštruktúry, najmä bánk kmeňových buniek, z ktorých prvou v Rusku bola Gemabank. Pestovanie orgánov, liečba roztrúsenej sklerózy a neurodegeneratívnych ochorení je budúcnosť, aj keď nie až taká vzdialená.
Bioinformatika
Množstvo vedomostí a informácií rastie ako snehová guľa. Poznaním princípov fungovania živých systémov si uvedomíme neuveriteľnú zložitosť štruktúry živej hmoty, v ktorej sú rôzne biochemické reakcie navzájom zložito prepletené a tvoria zložité siete. Rozpliesť túto „pavučinu“ života je možné len pomocou moderných matematických metód na modelovanie procesov v živých systémoch.
Preto sa na priesečníku biológie a matematiky zrodil nový smer – bioinformatika, bez ktorej je práca biotechnológov už nemysliteľná. Väčšina bioinformatických metód samozrejme funguje pre medicínu, konkrétne pri hľadaní nových liečivých zlúčenín. Možno ich vyhľadávať na základe znalosti štruktúry molekuly, ktorá je zodpovedná za vznik konkrétneho ochorenia. Ak je takáto molekula zablokovaná nejakou látkou, vybranou s vysokou presnosťou, potom je možné priebeh ochorenia zastaviť. Bioinformatika umožňuje odhaliť blokujúcu molekulu vhodnú na klinické použitie. Ak poznáme cieľovú, povedzme, štruktúru proteínu „spôsobujúceho ochorenie“, potom pomocou počítačových programov dokážeme modelovať chemickú štruktúru lieku. Tento prístup môže výrazne ušetriť čas a zdroje, ktoré sa vynakladajú na triedenie a testovanie desiatok tisíc chemických zlúčenín.
Medzi lídrov vo výrobe liekov pomocou bioinformatiky v Rusku patrí spoločnosť Khimrar. Pri hľadaní potenciálnych protirakovinových liekov sa zaoberá najmä skríningom mnohých tisícok chemických zlúčenín. Medzi najsilnejšie ruské výskumné centrá zaoberajúce sa bioinformatikou patrí aj Ústav cytológie a genetiky Sibírskej pobočky Ruskej akadémie vied. Od 60. rokov 20. storočia sa v Novosibirskom Akademgorodoku vytvorila jedinečná vedecká škola, ktorá združovala biológov a matematikov. Hlavnou oblasťou práce novosibirských bioinformatikov je analýza interakcie proteínov vo vnútri buniek a hľadanie potenciálnych molekulárnych cieľov pre nové lieky.
Pre pochopenie mechanizmu vzniku konkrétneho ochorenia je dôležité vedieť, ktoré z tisícok génov pracujúcich v chorej bunke sú za ochorenie skutočne zodpovedné. Táto zďaleka nie ľahká úloha je komplikovaná skutočnosťou, že gény spravidla nefungujú samostatne, ale iba v spojení s inými génmi. Ako však vziať do úvahy podiel iných génov na konkrétnej chorobe? A tu prichádza bioinformatika na pomoc lekárom. Pomocou matematických algoritmov je možné zostaviť mapu, na ktorej priesečníky ciest zobrazujú interakcie génov. Takéto mapy odhaľujú zhluky génov, ktoré fungujú v chorej bunke v rôznych štádiách ochorenia. Tieto informácie sú mimoriadne dôležité napríklad pre výber stratégie liečby rakoviny v závislosti od štádia ochorenia.
Priemyselná biotechnológia
Človek využíva biotechnológiu od nepamäti. Ľudia vyrábali syr z mlieka, kvasenú kapustu na zimu, pripravovali zábavné nápoje zo všetkého, čo bolo kvasené. Všetko sú to klasické mikrobiologické procesy, pri ktorých je hlavnou hybnou silou mikroorganizmus, najmenší živý systém.
Dnes sa rozsah úloh, ktoré rieši biotechnológia, neskutočne rozšíril. Už sme hovorili o genetickej diagnostike chorôb, nových vakcínach a liekoch získaných pomocou biotechnológie, geneticky modifikovaných organizmov. Život však prináša aj iné výzvy. Gigantický chemický priemysel, v ktorom získavame látky potrebné na vybudovanie pohodlného životného prostredia (vlákna, plasty, stavebné materiály a mnohé ďalšie), sa dnes už nezdá byť taký atraktívny ako pred 60 rokmi. Požierajú veľa energie a zdrojov (vysoké tlaky, teploty, katalyzátory z drahých kovov), znečisťujú životné prostredie a zaberajú vzácne územia. Môžu tu biotechnológovia navrhnúť náhradu?
Áno môžu. Napríklad geneticky modifikované mikroorganizmy, ktoré fungujú ako účinné katalyzátory priemyselných chemických procesov. Takéto biokatalyzátory vznikli napríklad vo Všeruskom výskumnom ústave genetiky a šľachtenia mikroorganizmov pre nebezpečné a špinavé štádium získavania toxickej látky akrylamid. Je vyrobený z polyméru polyakrylamid, používané pri úprave vody a pri výrobe plienok a pri výrobe natieraného papiera a na mnohé iné účely. Biokatalyzátor umožňuje chemickou reakciou produkovať monomér pri izbovej teplote, bez použitia agresívnych činidiel a vysokého tlaku.
Biokatalyzátor bol privedený na priemyselné využitie v Rusku úsilím vedeckého tímu CJSC Bioamid (Saratov) pod vedením Sergeja Voronina. Ten istý tím vyvinul biotechnológiu na výrobu kyseliny asparágovej a vytvoril kardiologický liek „Asparkam L“, ktorý nahrádza dovoz. Droga už vstúpila na trh v Rusku a Bielorusku. Ruská droga je nielen lacnejšia ako dovážané analógy, ale podľa lekárov je účinnejšia. Faktom je, že "Asparkam L" obsahuje iba jeden optický izomér kyseliny, ten, ktorý má terapeutické účinky. A západný náprotivok, panangin, je založený na zmesi dvoch optických izomérov, L a D, z ktorých druhý jednoducho slúži ako predradník. Objav tímu Bioamide spočíva v tom, že boli schopní oddeliť tieto dva ťažko oddeliteľné izoméry a dať proces na priemyselný základ.
Je možné, že v budúcnosti úplne zaniknú obrovské chemické závody a namiesto nich budú malé bezpečné dielne, ktoré nepoškodzujú životné prostredie, kde budú pracovať mikroorganizmy vyrábajúce všetky potrebné medziprodukty pre rôzne priemyselné odvetvia. Navyše, malé zelené továrne, či už mikroorganizmy alebo rastliny, nám umožňujú získať užitočné látky, ktoré sa nedajú vyrobiť v chemickom reaktore. Napríklad proteín z pavúčieho hodvábu. Rámové vlákna záchytných sietí, ktoré pavúk pletie pre svoje obete, sú pri pretrhnutí niekoľkonásobne pevnejšie ako oceľ. Zdalo by sa, že pavúky dávajú do dielní a ťahajú z nich proteínové vlákna. Ale pavúky nežijú v tej istej nádobe - budú sa jesť navzájom.
Krásne riešenie našiel tím vedcov pod vedením doktora biológie Vladimira Bogusha (Štátny výskumný ústav genetiky a selekcie mikroorganizmov) a doktorky biológie Eleonory Piruzyan (Ústav všeobecnej genetiky Ruskej akadémie vied). Najprv boli z genómu pavúka izolované gény zodpovedné za syntézu proteínu pavúčieho hodvábu. Tieto gény sa potom vložili do buniek kvasiniek a tabaku. Títo aj iní začali produkovať proteín, ktorý potrebujeme. Vďaka tomu vznikol základ pre technológiu výroby jedinečného a takmer prírodného konštrukčného materiálu, ľahkého a mimoriadne odolného, z ktorého sa dajú vyrobiť laná, nepriestrelné vesty a mnoho ďalšieho.
Existujú aj iné problémy. Napríklad obrovské množstvo odpadu. Biotechnológia nám umožňuje premeniť odpad na príjem. Vedľajšie produkty poľnohospodárstva, lesníctva a potravinárstva je možné premeniť na metán, bioplyn vhodný na vykurovanie a výrobu energie. A môžete - do metanolu a etanolu, hlavných zložiek biopalív.
Priemyselné aplikácie biotechnológií sa aktívne venujú Chemickej fakulte Moskovskej štátnej univerzity. M.V. Lomonosov. Zahŕňa niekoľko laboratórií, ktoré sa zaoberajú rôznymi projektmi – od tvorby priemyselných biosenzorov po výrobu enzýmov pre jemnú organickú syntézu, od technológií likvidácie priemyselného odpadu až po vývoj metód výroby biopalív.
Veda, obchod, vláda
Dosiahnuté úspechy sú výsledkom spoločného úsilia biológov, chemikov, lekárov a ďalších špecialistov pracujúcich v priestore živých systémov. Vzájomný vzťah rôznych disciplín sa ukázal ako plodný. Samozrejme, biotechnológia nie je všeliekom na riešenie globálnych problémov, ale nástrojom, ktorý pri správnom použití sľubuje veľké vyhliadky.
Dnes je celkový objem biotechnologického trhu vo svete 8 biliónov. dolárov. Biotechnológie vedú aj z hľadiska financovania výskumu a vývoja: len v Spojených štátoch vládne agentúry a súkromné spoločnosti ročne vynakladajú na tieto účely viac ako 30 miliárd dolárov.
Investície do vedy a techniky nakoniec prinesú ekonomické ovocie. Ale samotná biotechnológia nebude schopná vyriešiť zložité medicínske alebo potravinové problémy. Musí sa vytvoriť priaznivá zdravotnícka infraštruktúra a priemyselná štruktúra, aby sa zaručil prístup k novým diagnostickým metódam, vakcínam a liekom a rastlinám so zlepšenými vlastnosťami. Mimoriadne dôležitý je tu aj efektívny systém komunikácie medzi vedou a biznisom. Napokon, absolútne nevyhnutnou podmienkou budovania efektívneho inovatívneho sektora ekonomiky je interakcia vedeckých a obchodných štruktúr so štátom.
Pomôžte STRF.ru
V roku 2008 bolo podaných 939 žiadostí na vytvorenie tém v smere „Živé systémy“ (pre porovnanie: celkovo za program - 3180),
– do súťaže bolo podaných 396 prihlášok (spolu 1597),
– uskutočnilo sa 179 súťaží (spolu 731)
– súťaží sa zúčastnili organizácie 23 odborov (spolu 36), 17 z nich zvíťazilo
– bolo uzatvorených 179 zmlúv (spolu 731)
– prebieha 120 zmlúv (spolu 630)
– prihlášky na tvorbu tém o živých systémoch zaslalo 346 organizácií (spolu 842)
– 254 organizácií (spolu 806) zaslalo ako hlavné prihlášky do súťaže
– 190 organizácií (spolu 636) zaslalo prihlášky do súťaže ako spolurealizátori
– priemerná súťaž o žreby v smere 2 212 (priemer programu – 2 185)
– zmluvný rozpočet na rok 2008 predstavoval 1 041,2 milióna rubľov. (21,74 % z celkového rozpočtu programu)Dynamika rastu a distribúcia financií v smere živých systémov v rámci Federálneho cieľového vedecko-technického programu na roky 2002–2006 a Federálneho cieľového programu na roky 2007–2012:
2005 - 303 zmlúv, 1168,7 milióna rubľov. (100 %)
2006 - 289 zmlúv, 1227,0 milióna rubľov. (105 %)
2007 - 284 zmlúv, 2657,9 milióna rubľov. (227 %)
2008 - 299 zmlúv, 3242,6 milióna rubľov. (277 %)
Súvisiace články
