Биотехнология что это такое
Как современные технологии помогают медицине
Об эксперте: Инна Фридман, основатель федеральной сети офтальмологических клиник «3Z», врач-офтальмолог, к.м.н.
Биотехнологии: что это такое и зачем это нужно
Система наук в XXI веке стала кластерной. Это значит, что сегодня в науке происходит диффузия различных специальностей. Например, биотехнологии объединили биологию, генную инженерию и генетику.
Биотехнологии — это использование живых организмов, их отдельных составляющих (ДНК, микроорганизмов, клеток и их частей) или продуктов их жизнедеятельности для производства продуктов и решения технических задач.
Сегодня существуют три главных вектора работы биотехнологов:
сельское хозяйство, в частности создание ГМО
энергетика и промышленность, например получение биотоплива или производство веществ, способных к деградации токсических отходов
медицина — специалисты в области биотехнологий работают над созданием препаратов для лечения тяжелых и неизлечимых заболеваний
Продукты и препараты, которые изобретают биотехнологи, маркируются разными цветами:
Биотехнологии для здоровья
Ключевое направление в биотехнологиях — биомедицина. Биомедики занимаются разработкой новых лекарственных средств, выделением и культивацией стволовых клеток для клеточной терапии и восстановления поврежденных тканей и даже органов, изучением процессов старения и злокачественной трансформации клеток. Более глубокое молекулярное понимание механизмов, лежащих в основе болезни, позволяет развиваться генной терапии и клеточной инженерии.
Что конкретно происходит в биомедицинской отрасли?
Универсальная вакцина против гриппа. В конце 2018 года первая универсальная вакцина против гриппа, разработанная израильской компанией BiondVax, получившей финансирование от официального банка Евросоюза и правительства Израиля, вышла на завершающую фазу клинических испытаний. В основе вакцины — части антигенов, которые «узнают» клетки иммунной системы (эпитопов). Всего в вакцину входит девять самых распространенных эпитопов. По словам представителей компании, универсальная вакцина способна защитить как от ежегодного, сезонного гриппа, так и в случае возникновения пандемий.
Редактирование генов. Сегодня проводятся эксперименты по редактированию генов в самом теле человека. В сентябре 2018 года Sangamo Therapeutics из Ричмонда, обнародовали информацию о введении редактирующих гены ферментов пациенту, организм которого не справляется с расщеплением сложных сахаров. Как врач не могу давать оценку исследованию, пока не будет установлено, что это безопасно для жизни и здоровья пациентов.
Компьютеры внутри человека. Человечество постепенно входит в эпоху квантовых технологий. Компания Илона Маска Neuralink уже вовсю производит миниатюрные нейрокомпьютерные интерфейсы. Имплантируемые в мозг частицы могут связать организм человека с Интернетом. В «пучке» из шести нейронитей содержатся 192 электрода, которые вживляются в мозг при помощи робота-хирурга. Если буквально, то человеческий мозг подключают к компьютерной системе.
Лекарство против рака. Изучение влияния бактериальных культур на процесс онкологии подтолкнуло специалистов к работе над препаратом, приостанавливающим развитие злокачественных образований в организме. Таким лекарством является Блеомицин. Он создан на основе микроорганизма Streptomyces verticilliis, имеющего гликопептидную природу. Активные вещества препарата проникают внутрь опухолевых клеток и приводят в беспорядок процесс изменения РНК и ДНК.
Другие препараты. К биотехнологическим знаниям можно отнести открытие десятков тысяч противогрибковых, антибактериальных, гормоносодержащих лекарственных средств, выведенных учеными за несколько десятилетий. Антибиотики не просто борются с инфекциями, они разрушают весь процесс, не вызывая формирования резистентности микроорганизмов к веществам препаратов. Биотехнологи подумали и о заболеваниях печени, разработав препарат на основе аминокислот, глутамата и аспартата. А комбинаторные свойства препарата с натрием и калием положительно влияют на функции сердца, поджелудочной железы.
Согласно стратегии развития медицинской науки в РФ на период до 2025 года сейчас идет стадия «биологизации», когда молекулярная и клеточная биология, а также тканевая инженерия предлагают использовать продукты на основе выращенных вне организма или модифицированных клеток человека. А это означает, что медицина добралась до восстановления жизненно важных тканей и органов: сердечной мышцы, печени, нервных клеток и др. Не обошли и стороной область медицины, изучающую анатомию, физиологию и болезни глаза.
Биоинженерия в офтальмологии
За последние 20 лет в секторе произошли важные для пациентов изменения: появились генно-инженерные, клеточные, тканевые, иммунобиологические и цифровые технологии.
Новаторские разработки в области офтальмологии:
Биопротезирование и бионический глаз
Фемтосекундная методика коррекции близорукости и астигматизма за 25 секунд ReLEx SMILE (англ. Small Incision Lenticule Extraction)
Сверхточные микроскопы с 3D-визуализацией и ультратонкие инструменты, которые повышают точность и эргономику работы хирурга
Доставка лекарств внутрь полостей и клеток тканей глаза
Спектральные томографы, создающие точную визуализацию структур высокого качества за кратчайшее время
Биологические ткани — выращенные или напечатанные. В будущем они смогут заменять изношенные ткани
Мультифокальные искусственные хрусталики, которые освобождают человека от ношения очков, возвращая контраст и остроту зрению
Электронный глаз, сохраняющий остаточное зрение и поддерживающий функцию ориентирования в пространстве
Наиболее интересная современная разработка — бионический протез глаза. Он может справиться со слепотой, полностью воссоздав настоящие процессы передачи электрических сигналов. Первый ретинальный протез назывался Argus — это американский проект, который удалось коммерциализировать. В 2012 году Argus II получил разрешение для коммерческого использования в Европе, годом позже в 2013 году — в США. В России разрешения на использование протеза пока нет.
Что еще почитать по теме:
Подписывайтесь и читайте нас в Яндекс.Дзене — технологии, инновации, эко-номика, образование и шеринг в одном канале.
Медицина будущего: отвечает BIOCAD
Разговор с генеральным директором биотехнологической компании о том, какими будут лекарства и врачи будущего и правда ли, что нас всех скоро зачипируют.
Сегодня перед биотехнологом стоит много нерешённых технологических задач. Можно изменять биологические организмы для обеспечения потребностей людей с помощью клеточных и генно-инженерных методов. Например, улучшать качество продуктов, получать новые виды растений и модифицировать животных, придавать живым организмам необходимые свойства и создавать новые лекарственные препараты методами генной инженерии, искусственного отбора, гибридизации.
Однако, чтобы работать биотехнологом, нужно знать не только генетику, молекулярную биологию, биохимию, клеточную биологию, но также ботанику, химию, математику, информационные технологии, физику и другое. Грубо говоря, биотехнологи — это инженеры в области естественных и точных наук. Генеральный директор инновационной биотехнологической Biocad Дмитрий Морозов рассказал об этой интересной профессии и будущем биотехнологий.
Biocad — это международная инновационная биотехнологическая компания. В ней есть научно-исследовательский центр, проводятся доклинические и клинические исследования собственных фармацевтических препаратов. Департамент перспективных исследований Biocad занимается разработкой лекарственных препаратов передовой генной и клеточной терапии, а, кроме того, поиском и анализом сигнальных путей, закономерностей и мишеней, которые позволяют разрабатывать препараты превентивной медицины.
Что такое биотехнология?
Читайте также :
Биотехнология — это использование живых систем, клеток, организмов для практических нужд человека. То есть использование современной науки для манипуляции с живыми объектами, чтобы получить некую выгоду и улучшить жизнь человека.
Биотехнология отталкивается от потребностей. Например, не зря люди ездят на север и изучают гейзеры. Они понимают, что 10 лет могут искать и ничего не найти. Но они всё равно это делают, потому что рано или поздно найдут какую-нибудь бактерию, которая позволит делать дешёвое биотопливо, используя один ген этой бактерии. Так или иначе каждый человек, когда занимается наукой, надеется её применить (кроме теоретических физиков, хотя, наверное, они тоже захотели бы в космос полететь). В компании Biocad мы используем микроорганизмы для создания лекарств.
Говорят, все открытия происходят на стыке разных специальностей: математика, биология — биоинформатика; биология, химия — биохимия; медицина, информатика, биология — биомедицинская информатика. Это всё отдельные блоки, которыми занимаются разные люди. Биотехнология сегодня, наверное, более всего уделяет внимание созданию лекарств разных типов. Кроме фармацевтического направления биотехнологии интересно сельское хозяйство (улучшение свойств еды), экология, энергетика (получение биотоплива) и прочее. И, конечно, в будущем можно думать о коррекции человека.
Генная инженерия и биотехнология
Читайте также :
Биотехнология — это манипуляции со знаниями, которые есть о данном объекте. Генная инженерия просто расширяет круг возможностей, разных комбинаций, даёт возможность совершать манипуляции на уровне молекул, поэтому более точна.
Биотехнология на самом деле существует столько, сколько сельское хозяйство. В сельском хозяйстве часто есть конкретная практическая цель — например, вывести породу быстрых лошадей или устойчивое к холоду растение. Этим люди занимаются уже сотни лет с помощью селекции, которая на самом деле является генетическим методом отбора.
Биотехнологическая этика: как общество относится к биотеху?
Люди по-разному воспринимают нововведения в биотехнологии. Есть негативные и позитивные примеры восприятия.
Негативные — это, например, мнение, что внедрение нового приведёт к появлению вирусов, которые будут распространяться по всему миру и от которых нет ни вакцины, ни лечения, и что периодические эпидемии именно с этим и связаны.
Из позитивных — например, можно создать вирус, который на время меняет цвет глаз. Постепенно они становятся своего цвета, и каплями антибиотиков можно снова сделать их голубыми. Это мало связано со здравоохранением в привычном смысле, но всё равно здорово. Подобные манипуляции уже в теории можно делать, и к таким технологиям общество относится позитивно и с улыбкой. Однако в целом люди боятся внедрения новых технологий. Да и чтобы внедрить новое, нужно на высшем уровне обсудить этические вопросы того или иного воздействия препарата, и обычно это происходит долго.
Биотехнология в Biocad: лечение нуклеиновой кислотой
Два года назад в Biocad мы открыли Департамент перспективных исследований, основная цель которого — создание лекарственных продуктов передовой генной терапии. Этот термин объединяет три группы лекарственных препаратов, которые не похожи на все остальные лекарства, к которым мы привыкли.
Во-первых, это препараты для генной терапии, во-вторых, это препараты, в основе которых лежит манипуляция с соматическими и стволовыми клетками человека, в-третьих, это препараты тканевой инженерии.
В основе действия классических лекарств лежит либо малая молекула химической природы, либо какой-то белок, например, антитело, который можно легко получить с помощью биотехнологических методов. В нашей разработке лекарственным веществом, то есть действующим фактором, является нуклеиновая кислота РНК или ДНК.
Это новый способ воздействия на организм человека. Это направление не так давно стало бурно развиваться, поэтому к нему пока что относятся с осторожностью.
Как работают препараты для генной терапии
Читайте также :
Наше лекарство — это рекомбинантный вирус, наночастица на базе вируса, внутри которой находится ген, которого недостаёт больному человеку. Направлены эти продукты, как правило, на заболевания, которые плохо поддаются лечению (наследственные заболевания с тяжёлыми проявлениями вплоть до летального исхода в раннем возрасте: дистрофия, нарушение зрения, световосприятия, иммунодефициты). Это в основном моногенные заболевания, в которых проявление болезни обусловлено дефектом одного гена. В таких случаях они очень хорошо лечатся. В лаборатории мы создаем терапевтические вирусные частицы, а биоинформатики помогают нам моделировать их работу.
В случае полигенных заболеваний, например, рака, можно использовать методы генной терапии для модификаций клеток иммунной системы человека, чтобы получать иммунные клетки с высокой специфичностью к опухолевым клеткам. В лабораториях наши учёные осуществляют полный цикл разработки этих двух типов продуктов (от идеи до создания прототипов, готовых для тестирования на животных). Такого в России нет, наверное, нигде.
Перспективные исследования в биотехнологии
медицина будущего: Развитие новых типов лекарств
Возможно, в ближайшие 5-10 лет благодаря взаимосвязи кибернетики и биотехнологии действительно будут созданы умные лекарства. Например, создание очень маленьких чипов: это капсула или робот с частицами лекарственного средства, циркулирующие в крови, из которых в зависимости от состояния человека нужное вещество будет впрыскиваться в кровь. Подобным занимаются, например, в MIT. Уже есть успешные примеры: в зависимости от уровня глюкозы в организм вбрасывается инсулин, что минимизирует степень инвазивности лечебной процедуры. Человек один раз внедрил чип, сделал инъекцию и на очень длительное время забыл, что нужно принимать лекарство.
Даже известный футуролог Рэй Курцвелл говорит, что люди начнут жить дольше с помощью нанороботов к 2025 году. Скорее всего, он имеет ввиду препараты, которые будут бороться с онкологическими заболеваниями.
Нанороботы — новый формат препаратов, потому что с точки зрения веществ, из которых состоят лекарства, люди уже всё сделали. Мы ничего больше предложить не можем — типов химических соединений, которые можно использовать для терапии немного. Это либо белки, либо малые молекулы, либо нуклеиновые кислоты, которые теперь тоже применяются.
Вариантов и тех, и других, и третьих, конечно, можно сделать безграничное количество, но они имеют ограниченный потенциал применения, так как работают по общим химическим принципам. По-другому воздействовать на клетку уже никак невозможно.
Конечно, большинство хочет просто принять таблетку, но не все лекарственные вещества можно в неё «вложить». Более простой вариант — капсула. Более эффективный — инъекция и суппозитории. И если был бы какой-то универсальный способ лечения, например, закалывать какой-то чип с концентратом лекарственного средства под кожу, но раз в год, думаю, многие бы на это пошли.
Диагностика заболеваний
Развитие малоинвазивных методов диагностики будет нужно человеку, чтобы, грубо говоря, по капле крови можно было быстро определять состояние человека: есть ли у него онкологическое заболевание и, если да, то есть ли метастазы, что за рак и прочее.
Сейчас это можно делать по определённому количеству миллилитров крови с помощью высокопроизводительных методов, но пока это довольно дорого. Мы идём к индивидуальному профилированию человека, чтобы знать про себя всё до уровня молекулы. Человек будет понимать, что конкретно с ним происходит в данный момент.
Может возникнуть нечто вроде социальной сети профайлов, где будут храниться все данные — например, по экспрессии генов за последний месяц. Кажется, что здесь всё легко, но на самом деле это миллиарды последовательностей, сотни генов с разными мутациями, разной степени значимости. Поэтому нужен будет новый класс врачей-теоретиков, которые будут уметь интерпретировать это огромное количество данных.
Регенерация, искусственный интеллект
Читайте также :
Наверное, в будущем мы научимся регенерировать ткани и органы. Уже сейчас выращивают органы с нуля до реального размера из клетки благодаря 3D-печати. Также пытаются восстанавливать спинной мозг после травмы — печатать нейроны в месте повреждения. Иными словами, прививать человеку его же клетки, размноженные в лабораторных условиях.
Также учёные будут больше использовать искусственный интеллект и нейросети, чтобы создавать новые лекарственные препараты. Самообучающийся ИИ должен будет сам накапливать достаточное количество знаний, которые позволят ему давать правильные ответы. Если это не контролировать, может, наверное, произойти катастрофа, но, с другой стороны, он сможет значительно развязать руки исследователям и дать возможность генерировать новые идеи, ведь ИИ будет брать на себя все рутинные процедуры.
Что такое биотехнология: будущее уже наступило
В последнее десятилетие термин «биотехнология» все чаще появляется в заголовках новостей, а открытия в этой области становятся причиной для жарких споров. Действительно, свое наибольшее развитие наука получила именно в последние годы, и этому в большей степени способствовал технический прогресс, но в повседневной жизни биотехнология используется на протяжении многих веков.
История развития биотехнологии
С древнейших времен биотехнология применялась человеком для изготовления вина, в сыроварении и других вариантах приготовления пищи. Биотехнологический процесс, а именно брожение, использовался еще в древнем Вавилоне для производства пива. Об этом свидетельствуют найденные при раскопках записи на дощечках. Но, несмотря на активное использование этих методов, процессы, лежавшие в основе этих производств, оставались загадкой.
Луи Пастер в 1867 году говорил, что такие процессы, как сквашивание и брожение, есть ничто иное, как итог жизнедеятельности микроорганизмов. Эдуард Бухнер дополнил эти предположения, доказав, что катализатором является бесклеточный экстракт, который содержит ферменты, вызывающие химическую реакцию.
Позже были сделаны сенсационные по тем временам открытия, которые помогли сформировать данную науку в современном ее понимании:
Годом появления термина стал 1919, после публикации манифеста венгерским агроэкономистом Карлом Эреки. Основываясь на имеющиеся в то время данные, под термином биотехнология подразумевалось применение микроорганизмов для ферментации продуктов питания.
Но, как известно, самые интересные открытия совершаются на стыке знаний, в случае биотехнологии, объединились пищевая и нефтеперерабатывающая промышленность. В 1970 году на практике была опробована технология производства белка из отходов нефтепромышленности.
Что такое биотехнология: термин и основные виды
Биотехнология – наука о способах создания различных веществ с использованием естественных биологических компонентов, будь-то микроорганизмы, животные или растительные клетки. По сути, это манипулирование живыми клетками для получения определенных результатов.
Основными направлениями развития науки являются:
Биоинженерия – дисциплина, направленная на расширение знаний в области медицины (лечение, укрепление здоровья) и инженерии
Биомедицина – узкоспециализированный раздел медицины, который с теоретической точки зрения изучает строение человеческого организма, диагностику патологических состояний и возможности их коррекции. Раздел медицины, занимающийся контролем и лечением биологических систем живых организмов на молекулярном уровне, называется наномедициной.
Гибридизация — процесс получения гибридов (растений, животных). В основе лежит принцип получения одной клетки (устойчивой к тем или иным условиям) путем объединения других клеток.
Сейчас у нас уже есть средства необходимые для того, чтобы прожить достаточно долго до тех пор, пока мы не станем бессмертны. Можно агрессивно применять существующие знания, чтобы кардинально замедлить процессы старения, и оставаться в жизнеспособном состоянии до того момента, когда станут доступны совершенно радикальные терапии по продлению жизни с помощью био- и нанотехнологий.
Ray Kurzweil (изобретатель, футуролог)
Высшим достижением биотехнологии является генная инженерия. Генная инженерия – совокупность знаний и технологий получения РНК и ДНК, выделения генов из клеток, осуществление манипуляций с генами и введение их в другие организмы. Это «управление» геномом живого существа или растения с целью получения заданных свойств. Например, руководствуясь знаниями в области генной инженерии, китайские ученые планируют массово применять метод «исправления» генома людей с онкологическими заболеваниями. Однако, запускать полномасштабные проекты пока никто не спешит, т.к. на сегодняшний день невозможно спрогнозировать последствия для организма в долгосрочном периоде.
Особого внимания заслуживает клонирование. Под этим процессом понимают появление нескольких генетических идентичных организмов путем бесполого (в том числе вегетативного) размножения. На сегодняшний день были клонированы не только растения, но и несколько десятков видов животных (овцы, собаки, кошки, лошади). О фактах клонирования человека пока нет данных, хотя, по мнению ученых, с технической стороны – к процессу все готово. Именно эти разработки стали самыми противоречивыми и обсуждаемыми мировой общественностью. Дело не только в вероятности получения неполноценных людей, но и в этической и религиозной стороне вопроса.
Сфера применения
Принципы биотехнологических процессов внедряют в производство всех отраслей:
Основной целью клеточной инженерии является культивирование животных и растительных клеток. Открытия в области клеточной инженерии позволили контролировать и регулировать продуктивность, качество, устойчивость к заболеваниям новых форм и линий животных и растений.
Инвестиции и развитие
Хотя биотехнологию сложно назвать «молодой» наукой, именно сегодня она находится в начале своего развития. Направления и возможности, которые открываются благодаря развитию этих знаний, могут быть бесконечными. Могут, если получат должное финансирование и поддержку. Основными инвестиционными участниками направления являются сами инженеры и биотехнологии, и это вполне объяснимо. Сегодня предлагается не сам продукт, а скорее идея, и возможные методы ее реализации.
И для осуществления этой задумки нужны десятки и сотни экспериментов, опыты и дорогостоящее оборудование. Не каждый инвестор готов идти только за идеей, рискуя своими вложениями. Но ведь не все верили и в мобильную связь, а сегодня она повсюду.
На данный момент число крупных компаний, занимающихся биотехнологическими разработками, невелико. К таковым относятся:
По мнению экспертов, наиболее привлекательным направлением для инвестиций в биотехнологию являются компании, занимающиеся секвенированием. Это общее название методов, которые позволяют установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Расшифровка ДНК данных (секвенирование), дает возможность идентифицировать участки, которые отвечают за наследственные заболевания, и устранять их. Как только процесс будет доведен до совершенства, люди смогут не лечить симптомы, а избавляться от болезни. Это перевернет наше представление о диагностике, и принесет большие дивиденды тем, кто сумеет рассмотреть потенциал компании еще на этапе идеи.
Биотехнология: добро или зло?
Уже сегодня население планеты сталкивается с проблемой нехватки продуктов питания, и если численность людей продолжит расти, то в ближайшем будущем ситуация может стать критической. Знания о том, что такое биотехнология и как ее применять, помогают получать максимальные результаты урожайности, вне зависимости от внешних факторов. И эти достижения нельзя сбрасывать со счетов. Кроме того, неоспоримым доказательством пользы науки является изобретение антибиотиков, которые позволили контролировать, а в некоторых случаях и полностью искоренять, сотни болезней.
Но далеко не все оценивают науку однозначно. Существуют опасения, что отсутствие контроля может привести к необратимым последствиям. Например, уже сегодня продукты биотехнологии, такие как стероиды для спортсменов, становятся причиной для преждевременных сердечных патологий. В погоне за созданием супер-человека, победившего старость и болезни, общество рискует потерять свое естество.
Мы не остались жить в пещерах. Мы не остаемся в пределах нашей планеты. С помощью биотехнологии, генетического секвенирования, мы даже не собираемся ограничиваться рамками самой биологии.
Jason Silva (оратор, философ, телезвезда).
Развитие биотехнологии стало таким стремительным, что мировые государства столкнулись с проблемой отсутствия контроля на правовом уровне. Это стало причиной приостановления многих проектов, поэтому пока о клонировании человека и победе над смертью говорить преждевременно, и два конфронтационных лагеря могут беспрепятственно поддаваться философским размышлениям.