ТИПОВАЯ СХЕМА И ОСНОВНЫЕ СТАДИИ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Рассмотренные продукты биотехнологии получают по индиви­дуальным технологиям со своими биологическими агентами, сы­рьем, числом стадий производства и их технологическими режи­мами. Тем не менее можно представить себе обобщенную типо­вую схему биотехнологических производств.

Схема состоит из стадий, в каждой из которых сырье претерпе­вает определенные технологические воздействия и последователь­но превращается во все более сложные полупродукты и, наконец, в конечный продукт. Общий вид такой типовой схемы представ­лен на рис. 3.1.

3.1. БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СТАДИЯ

Основной стадией является собственно биотехнологическая стадия, на которой с использованием того или иного биологичес­кого агента (микроорганизмов, изолированных клеток, ферментов или клеточных органелл) происходит преобразование сырья в тот или иной целевой продукт.

Обычно главной задачей биотехнологической стадии является получение определенного органического вещества.

Однако биотехнологическая стадия, как правило, включает в себя не только синтез новых органических соединений, но и ряд других биотехнологических процессов, перечисленных далее (см. рис. 3.1).

Ферментация— процесс, осуществляемый с помощью культи­вирования микроорганизмов.

Биотрансформация— процесс изменения химической структу­ры вещества под действием ферментативной активности клеток микроорганизмов или готовых ферментов. В этом процессе обыч­но не происходит накопления клеток микроорганизмов, а хими­ческая структура вещества меняется незначительно. Вещество как бы уже в основном готово, биотрансформация осуществляет его химическую модификацию: добавляет или отнимает радикалы, гидроксильные ионы, дегидрирует и т. п.

Биокатализ— химические превращения вещества, протекаю­щие с использованием биокатализаторов-ферментов.

Лекция 10. Нанотехнология, метаболика, протеомика, биоинформатика предмет, задачи, области применения. -2 часа

Нанотехнология. Нанотехнологии, наряду с компьютерно-информационными технологиями и биотехнологиями, возможно, станут фундаментом научно-технической революции в XXI веке, революцией, сравнимой и даже превосходящей по своим масштабам преобразования в технике и обществе, вызванные крупнейшими научными открытиями XX века.

Нанотехнология— совокупность методов и приемов манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровнях с целью производства конечных продуктов с заранее заданной атомной структурой. Нанотехнологии обеспечивают возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Наноматериалы — материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Наносистемная техника — полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Это ничтожно малая величина, в сотни раз меньшая длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Поэтому переход от "микро" (10-6м) к "нано" (10-9м)- это уже не количественный, а качественный переход - скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления: изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов; разработка и изготовление наномашин, т.е. механизмов и роботов размером с молекулу; непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего существующего. Реализация всех этих направлений уже началась. Почти десять лет назад были получены первые результаты по перемещению единичных атомов и сборки из них определенных конструкций, разработаны и изготовлены первые наноэлектронные элементы. По оценкам специалистов, уже на рубеже следующего века начнется производство наноэлектронных чипов, например, микросхем памяти емкостью в десятки гигабайт.

Сферы применения нанотехнологий. Перечислить все области, в которых эта глобальная технология может существенно повлиять на технический прогресс, практически невозможно. Можно назвать только некоторые из них:

· элементы наноэлектроники и нанофотоники (полупроводниковые транзисторы и лазеры; фотодетекторы; солнечные элементы; различные сенсоры);

· устройства сверхплотной записи информации;

· телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии; суперкомпьютеры;

· видеотехника — плоские экраны, мониторы, видеопроекторы;

· молекулярные электронные устройства, в том числе переключатели и электронные схемы на молекулярном уровне;

· нанолитография и наноимпринтинг;

· топливные элементы и устройства хранения энергии;

· устройства микро- и наномеханики, в том числе молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы;

· нанохимия и катализ, в том числе управление горением, нанесение покрытий, электрохимия и фармацевтика;

· авиационные, космические и оборонные приложения;

· устройства контроля состояния окружающей среды;

· целевая доставка лекарств и протеинов, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническая и медицинская диагностика, создание искусственных мускулов, костей, имплантация живых органов;

· биомеханика; геномика; биоинформатика; биоинструментарий;

· регистрация и идентификация канцерогенных тканей, патогенов и биологически вредных агентов; безопасность в сельском хозяйстве и при производстве пищевых продуктов.

· наноэмульсии и антибактериальные нанопокрытия.

· нанокапсулы — это «контейнеры для лекарств», которые созданы искусственно и имеют размеры от 100 до 600 нанометров.

· наножидкостные системы, имеющие каналы диаметром в несколько десятков и сотен нанометров, смогут работать в составе лабораторий-на-чипе, которые проводят экспресс-анализы ДНК, белков, и других биомолекул.

Возможности нанотехнологии.Нанотехнологический контроль изделий и материалов, буквально на уровне атомов, в некоторых областях промышленности стал обыденными делом. Реальный пример - DVD-диски, производство которых было бы невозможно без нанотехнологического контроля матриц. Нанотехнологии открывают практически ничем не ограниченные возможности и горизонты, в сфере производства качественно новых материалов с потрясающими физико-химическими свойствами. Хотя сейчас в нашем распоряжении и имеются средства для манипуляций отдельными атомами, вряд ли их можно "напрямую" применять для того, чтобы собрать что-либо практически необходимое: уже хотя бы только из-за количества атомов, которые придется "монтировать".

Задачи, стоящие перед нанотехнологиями в отдельных отраслях жизнедеятельности:

Медицина: Создание молекулярных роботов-врачей, которые "жили" бы внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращали бы возникновение таковых, включая повреждения генетические.

Геронтология: Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и "облагораживания" тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики.

Промышленность: Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. Вплоть до персональных синтезаторов и копирующих устройств, позволяющих изготовить любой предмет.

Сельское хозяйство: Замена "естественных машин" для производства пищи (растений и животных) их искусственными аналогами - комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки "почва - углекислый газ - фотосинтез - трава - корова - молоко" будут удалены все лишние звенья. Останется "почва - углекислый газ - молоко (творог, масло, мясо - все, что угодно)". Стоит ли говорить о том, что подобное "сельское хозяйство" не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда.

Биология: Возможность "внедрения" в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными - от "восстановления" вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов.

Разработка технологии белковых биочипов, заменяющих целые иммунологические лаборатории, даст возможность в тысячи и десятки тысяч раз увеличить производительность большинства диагностических методов и резко снизить себестоимость анализов. В зависимости от вида используемых макромолекул, выделяют различные виды биочипов, т.е. предназначенные для разных целей. Основная доля производимых в настоящее время биочипов приходится на ДНК-чипы (94%), т.е. матрицы, несущие молекулы ДНК, 6% — белковые чипы. Биочипы представляют из себя матрицу — крохотную пластинку со стороной 5–10 миллиметров, на которую можно нанести до нескольких тысяч различных микротестов, — ее еще называют «платформой». Чаще всего используют стеклянные или пластиковые платформы, на которые наносятся биологические макромолекулы (ДНК, белки, ферменты), способные избирательно связывать вещества, содержащиеся в анализируемом растворе. Это необычное устройство позволяет за короткое время определять несколько тысяч различных биологически активных веществ и даже генетических дефектов.

Технология биочипов - новое направление в системе современных диагнотических методов. Она уже сейчас применяется в биологии, медицине, ветеринарии, сельском хозяйcтве, криминалистике, охране окружающей среды, токсикологии и других сферах деятельности человека. Новая методика позволяет анализировать самые разнообразные образцы органического происхождения. Сейчас в мире в этом направлении работает более 50 фирм. Рынок оценивается в десятки миллиардов долларов.

Разработаны биочипы, которые применяются для решения вполне конкретных задач: диагностики оспы, холеры, гепатита, СПИДа, выявления других особо опасных инфекций, вирусологического анализа крови и т.д. Биочипы могут в течение суток анализировать мутации и находить формы туберкулеза, устойчивые к определенным антибиотикам. Диагностика с помощью традиционной методики требует для этого 5-6 дней.

Еще одна возможная сфера применения биочипов - диагностика лейкозов, вызванных хромосомными перестройками в ядрах клеток кроветворной ткани. Создаются биочипы, позволяющие эффективно идентифицировать возбудителей сибирской язвы, чумы и других заболеваний из так называемого «джентльменского» набора биотеррориста". Создание биочипов и на их основе биологических компьютеров позволит не только обрабатывать имеющуюся информацию, но и в ходе экспериментов над сложными биологическими системами получать новую. Например сейчас американская фирма "Аффиметрикс" создала биочипы, позволяющие изучать активность всех генов человека. То же можно делать на животных. То есть, создав генетический портрет индивида, можно понять, какой ген на что влияет. Одно из практических применений этой технологии - выяснение того, как действует и действует ли вообще то или иное лекарство на больного.

Экология: Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы.

Освоение космоса: По-видимому, освоению космоса "обычным" порядком будет предшествовать освоение его нанороботами. Огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком - сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из "подручных материалов" (метеоритов, комет) космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.

Кибернетика: Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным "переселение" человеческого интеллекта в компьютер.

Разумная среда обитания: За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет "разумной" и исключительно комфортной для человека.

Нанотехнологии, особенно наномедицина, развивается в двух принципиально разных направлениях, условно именуемых «сухой нанотехнологией» в механической традиции и «мокрой нанотехнологией» в биологической традиции.

«Сухие нанотехнологии» чаще отталкиваются от уже имеющихся технологий – вроде сканирующих микроскопов, которые способны перемещать отдельные атомы и молекулы. Пока что это выражается в форме своеобразных «нанограффити», то есть складывании из атомов собственных имен исследователей. Следующей задачей, которая будет решена в ближайшие годы, -укладывание молекул друг на друга.

Исследователями Гарвардского университета сконструирован первый «нанопинцет» общего назначения, использующий пару электрически управляемых углеродных нанотрубок. В ближайшем будущем ученые надеются создать столь малый нанопинцет, чтобы захватывать отдельные крупные молекулы.

«Мокрая нанотехнология» должна сконцентрироваться на конструировании и модификации белковых молекул, знаменитых своими выдающимися способностями к самосбору. Многие ученые считают, что ключ к прогрессу лежит именно здесь. Живые системы используют множество молекулярных машин, таких как молекулярные моторы. Поэтому логично попытаться приспособить к нашим потребностям уже имеющиеся в природе механизмы, используя их для приведения в движение крошечных насосов, рычагов и зажимов. Концепцию «мокрых наноботов» иногда именуют микробиороботами.

Исследователям из Нью-Йорского университета, избравшим «подход самосбора», удалось научиться генерировать комплементарные нити ДНК, которые объединяются в сложные структуры желаемой конфигурации (кубы, восьмигранники и др. правильные фигуры, состоящие всего из нескольких тысяч нуклеотидов). Избрав аналогичный подход, ученые генетически модифицировали природный биомотор, в естественных условиях встречающийся в ферменте аденозинтрифосфатазе (АТФ-азе).

Развитие молекулярной нанотехнологии даст возможность тщательно изучить процессы, протекающие внутри клеток организма. Есть большие основания полагать, что точное знание того, как функционируют клетки, позволит создать наномашины, ликвидирующие негативные изменения, происходящие в клетках и тканях живого организма с течением времени. Возможно, удастся переделать программу, записанную в ДНК, так, чтобы «выключить» старение и улучшить генетические параметры организма. Тогда функции регулирующих наномашин возьмут на себя органеллы клетки.

Для сборки атомов и молекул в субклеточные конструкции планируется использовать нанороботов. Любую химически стабильную структуру, поддающуюся описанию, можно сконструировать. Поскольку наноробота можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого наноробота, они будут очень дешевыми. Работая группами, нанороботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами, и высокой точностью.

В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять молекулярную хирургию с помощью нанороботов. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, нанороботы смогут осуществлять ремонт клеток, останавливать старение.

Нанотехнологии – как кардинальное решение проблемы старения – являются более чем перспективными. Нанороботы или молекулярные роботы могут участвовать (как наряду с генной инженерией, так и вместо нее) в перепроектировке генома клетки, в изменении генов или добавлении новых для усовершенствования функций клетки.

С помощью механоэлектрических нанопреобразователей можно будет также преобразовывать любые виды энергии с большим КПД и создать эффективные устройства для получения электроэнергии из солнечного излучения с КПД около 90%. Утилизация отходов и глобальный контроль за системами типа «recycling» позволит существенно увеличить сырьевые запасы человечества. Станут возможными глобальный экологический контроль, погодный контроль благодаря системе взаимодействующих нанороботов, работающих синхронно.

Что касается сырьевой проблемы, то для постройки большинства объектов нанороботы будут использовать несколько самых распространенных типов атомов: углерод, водород, кремний, азот, кислород, сера, и др. в малых количествах. С освоением человечеством других планет проблема сырьевого снабжения будет решена.

Основные этапы в развитии нанотехнологии:

1. 1959 г. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман заявляет, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно.

2. 1981 г. Создание Бинингом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа – прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне (основой микроскопа является острая игла, скользящая над исследуемой поверхностью с зазором менее одного нанометра. При этом электроны с острия иглы туннелируют через этот зазор в подложку).

3. 1982-85 гг. Достижение атомарного разрешения.

4. 1986 г. Создание атомно-силового микроскопа, позволяющего в отличие от туннельного микроскопа осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.

5. 1990 г. Манипуляции единичными атомами.

6. 1994 г. Начало применения нанотехнологических методов в промышленности.

Однако принято считать, что нанотехнология началась, когда 70 лет назад Г.А.Гамов впервые получил уравнение Шредингера, описывающего возможность преодоления частицей энергетического барьера. Новое явление, называемое туннелированием, позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение позволило понять большой круг явлений, и было применено для описания процессов, происходящих при вылете частицы из ядра – основы атомной науки и техники.

ПравительствоРоссийской Федерации от 25 августа 2006 г приняло Распоряжение «О программе координации работ в области нанотехнологий и наноматериалов в Российской Федерации».

Целью Программы является достижение и поддержание паритета с развитыми странами мира в приоритетных направлениях науки и техники, ресурсо- и энергосбережении, создании экологически адаптированных современных промышленных производств, здравоохранении, производстве продуктов питания, качестве и уровне жизни населения, а также в обеспечении необходимого уровня обороноспособности и безопасности Российской Федерации за счет повышения координации и результативности работ в области нанотехнологий и наноматериалов.

Основными задачами Программы являются:

Развитие высокотехнологичных секторов на базе широкого внедрения нанотехнологий и наноматериалов, обеспечивающее повышение конкурентноспособности и расширение присутствия Российской Федерации на мировом рынке наукоёмкой высокотехнологичной продукции; профилактика, диагностика и лечение заболеваний путем внедрения в сферу здравоохранения методов, лекарственных средств и медицинской техники, полученных в результате использования достижений в области нанотехнологий и наноматериалов; повышение уровня экологической безопасности и улучшения среды обитания за счет применения наносистемной техники для мониторинга и защиты окружающей среды и др.

Биоинформатика.Биоинформатика, геномика и протеомика - это науки о жизни, которые будут определять начало XXI века, так же как молекулярная биология, иммунология и биотехнология определяли конец XX века.

Биоинформатика - это область науки, которая занимается примерно тем, чем занимались классическая биохимия, молекулярная биология и биотехнология, но не в пробирке, а с помощью вычислительной, компьютерной техники. Биоинформатика - это путь, например, от гена к лекарству или биопрепарату через структуру макромолекулы. Все, что раньше мы делали с помощью экспериментов, включая ЯМР, рентгеноструктурный анализ, сейчас можно сделать с помощью вычислений. Если есть геном, его можно разметить и найти границы гена не при помощи клонирования отдельных генов, а с помощью определенных компьютерных программ. Если есть последовательность белка, можно перейти к пространственной структуре и функции. Если получена новая последовательность ДНК-белок, ее можно сравнить с существующими последовательностями в банках данных. Если существуют гомологи - ответ ясен, можно, с определенной степенью точности, предсказать структуру и функцию белка.

В течение 100 лет изучение биологических явлений основывалось на экспериментах in vivo и in vitro. Появившиеся в 60-е годы компьютеры были лишь вспомогательным средством для обработки и хранения данных. С конца 80-х началось создание баз данных, в которых хранится информация о миллионах последовательностей нуклеотидов в ДНК и РНК или аминокислот в белках, и они еще ждут обработки и последующего практического применения. Компьютерный анализ превратился в самостоятельную область науки – биоинформатику. Исследования in silico, то есть в компьютере, уже привели к расшифровке многих "слов" генетического текста – команд, записанных в ДНК и управляющих жизнью и смертью клетки. В 1996 г. в Колумбийском университете была разработана технология углубленного изучения фактического материала, посвященного раку и апоптозу и создан АПИ (автоматизированный поисковый инструмент), который выполняет рутинную работу по анализу большого массива данных (публикаций). С его помощью можно проводить машинные исследования, когда компьютерный комплекс сам находит закономерности в таком объеме информации, который не под силу переработать человеку. Идея АПИ принадлежит математику-биологу Андрею Ржетскому и его научному консультанту Масатоши Неи и базирована на теме молекулярных сетей (так называют узор, получающийся при взаимодействии отдельных генов и белков). АПИ получил название GeneWays. (Поисковая система GeneWays не только ищет полные публикации, но и определяет взаимосвязанные цепочки с известными из литературы соотношениями генов и белков, в сущности, выявляя новые данные и гипотезы в огромном массиве уже известной информации. Технология текстовой проходки настолько мощна, что позволяет делать открытия, которые затем можно проверить в лабораториях. GeneWays включает в себя самые разнообразные программные модули. Один из них ищет и загружает публикации из Сети, другой определяет, как они связаны между собой, третий выявляет и выводит данные по генам и белкам. После загрузки статьи и ее преобразования из формата HTML в простой текст программа должна распознать используемые учеными термины.

В основу GeneWays положены некоторые элементы системы MedLEE, разработанной в Колумбийском университете в 1995 г. Кэролом Фридманом с сотр. MedLEE, является системой анализа естественного языка.

Как только объект идентифицирован как ген, протеин, РНК или легкая молекула органического соединения, GeneWays продолжает структурировать информацию, используя модуль GENIES, который проводит синтаксический разбор, чтобы компьютер мог «прочитать» каждое предложение статьи.

Система GeneWays не только помогает полнее изучить уже изданную научную литературу, но и позволяет находить в ней ответы на многие актуальные вопросы. Потенциал контекстного поиска очень велик, и в будущем эта методика призвана способствовать расширению библиографического анализа и объединению всего спектра человеческих знаний.

Изучение многих процессов в биологии с помощью высоких технологий (биоинформатики) базируется на теоретических основах анализа генных сетей, а также на особенности построения генной сети как основы математической модели. Анализ сверхмощного массива полученной на сегодняшний день экспериментальной информации невозможен без компьютерных методов ее систематизации и математического моделирования. В основе построения генных сетей лежит химико-кинетический подход, позволяющий представить любые процессы как сумму элементарных событий, оперируя концентрациями молекул и скоростями реакций, т.е. при моделировании генных сетей используется обобщенный химико-кинетический метод. Кибернетическую основу генной сети составляют находящиеся в ней положительные и отрицательные обратные связи. Исследование генных сетей проводится с помощью компьютерных систем. Одним из ведущих программных комплексов в этой области является система GENENET, предназначенная для аннотации экспериментальных данных, представленных в научных публикациях, а также интеграции экспериментальной информации из компьютерных баз данных, получаемой в результате высокопроизводительных экспериментальных подходов (ДНК-чипы и др.). К числу таких подходов относятся: методы логического анализа структурно-функциональной организации генных сетей с использованием методов теории графов, методы математического моделирования динамики генных сетей, методы компьютерной геномики, транскриптомики, протеомики.

Наука далеко продвинулась в геномике, анализе генетического материала. Мы размечаем геном, функционально классифицируем гены, предсказываем функцию генов и, затем выбираем гены-мишени, на которые направлены биологически активные вещества. Что значит экспериментально установить функцию белка? Это огромный, трудоемкий процесс, требующий огромных затрат. Если вы работаете в области информатики и дешифруете последовательность белка, вы работаете так, как работали криптографы во все времена - из последовательности отдельных букв читается весь биологический текст, и, на основании этого, выясняется, что это за белок. Наиболее впечатляющие результаты были доложены проф. Айзенбергом в Австрии. Используя дешифровальные методы анализа 6 тыс. белков, не проведя ни одного эксперимента, он предсказал функцию сразу 2,5 тыс. белков. Приведенные им результаты производят громадное впечатление. Не так давно биохимики тратили всю жизнь, чтобы определить структуру одного белка и выявить его функцию. С помощью новых подходов можно одновременно предсказать функцию тысячи белков. Это новое слово в науке.

Очень быстро происходит внедрение биоинформатики в фармакологию. Биоинформатика уже получила мировое признание, работы в этом направлении ведутся во всем мире. Фармакологи должны знать, куда направлять лекарство. Пока фармакология проводит ковровые бомбардировки, биоинформатика стремится к тому, чтобы иметь конкретные цели для конкретных участков, знать, куда направлять то или иное лекарство. Чтобы проводить такого рода исследования быстро, нужны расчеты. Путь нового лекарства до рынка 12-15 лет, до рынка доходит 1 соединение из многих тысяч, стоимость составляет 500-700 млн. долларов, из них клиника - 80%. Новые науки: биоинформатика, фармакогеномика существенно сокращают и сроки (6-7 лет), и стоимость (300-400 млн. долларов) создания новых лекарств. Новые науки уменьшают затраты на первую стадию разработки. Ничего не надо синтезировать, все, что нужно современной фармакологии, уже есть в базах данных, это более 6 млн. низкомолекулярных соединений. Мы должны найти мишень, рецептор, оценить, как то или иное соединение из базы данных взаимодействует с рецептором. Затем высокоэффективный скрининг, используемый во всем мире в фармакологических целях, который позволяет одновременно анализировать несколько тысяч различных соединений в параллельном режиме. Найденные таким образом базовые структуры уже на следующей стадии путем их химической модификации превращаются в конечное лекарство, таким образом в триаде - геномика-протеомика-биоинформатика - по сути дела заложены все новые подходы к созданию принципиально новой медицины будущего: новые лекарства, новые методы диагностики.

Первые работы по компьютерному анализу последовательностей биополимеров появились еще в 60-7—х годах ХХ века, однако формирование вычислительной биологии как самостоятельной области началось в 80-х годах после развития методов массового секвенирования ДНК. Можно выделить пять направлений вычислительной биологии: непосредственная поддержка эксперимента (физическое картирование, создание контиг и т.п.); организация и поддержание банков данных; анализ структуры и функции ДНК и белков, эволюционные и филогенетические исследования, а также собственно статистический анализ нуклеотидных последовательностей.

В 1982 г. Возникли GenBank и EMBL – основные банки нуклеотидных последовательностей. Вскоре после этого были созданы программы быстрого поиска по банку FASTA и затем BLAST.

Наконец, развитие Интернета – электронной почты и затемWWW –сняло зависимость от модели компьютера и операционной системы и сделало программы универсальным рабочим инструментом.

Геномика и протеомика. Геномика определяет развитие современных наук о жизни. Это наука, изучающая структуру и функцию генов, наука, которая инвентаризирует гены, создавая, таким образом, геномные карты живых существ. 20 лет назад никто бы не поверил в возможность инвентаризации всего генома человека. Сейчас это реальность. Прежде всего, инвентаризируются гены, связанные с заболеваниями. Можно назвать точную дату возникновения геномики - октябрь 1990 года, время подписания проекта "Геном человека". Сомнений в необходимости проведения подобных работ нет. Самое важное для человечества в ближайшем будущем - определение геномов микроорганизмов. Будут прочитаны законы возбудителей наиболее страшных заболеваний и на основе этого созданы новые лекарства для лечения этих заболеваний.

Из геномики выросла новая наука - протеомика. Протеомика занимается инвентаризацией белков, т.е., реально работающих малекулярных машин, в клетке. Задача протеомики на несколько порядков сложнее, чем у геномики. Всего 10 лет назад мы начали инвентаризировать гены, сейчас мы можем инвентаризировать белки. В настоящее время возможно не только считывать последовательности, но и читать и анализировать все модифицированные белки: фосфорилированные, гликозилированные, процессированные и многие другие. Протеомный анализ ведут следующим образом. Первый этап – двумерный электрофорез, который дает разделение по молекулярной массе и изоэлектрической точке. Второй этап - анализ. Показано, что в патологически измененных тканях содержание некоторых белков увеличено (это имеет значение для онкологии), других - уменьшено. Третий этап – масс-спектроскопия, с помощью которой можно прочитать последовательности этих белков с точностью до атомов. Можно выходить на атомарное разрешение и определять остатки глюкозы, фосфорной кислоты в молекуле белка, можно читать смеси белков, не разделяя их.

Важно знать, что вся эта информация имеется в современных банках данных. Там можно найти до 4 млн. геномных последовательностей, но только 10 тыс. известных трехмерных структур для 2 тыс. отдельных белков. Задачей протеомики является проанализировать белок, установить его последовательность, соотнести с банком данных, сделать рентген и установить структуру.

Программа «Геном» (современная геномика) дала возможность определить химическое строение генов и их расположение на хромосомах. Эта информация, в принципе достаточна для того, чтобы собрать искусственную хромосому и ввести ее в клетку и выяснить как она работает. Развитие протеомики не было бы возможным без предыдущих достижений в геномике, которые обеспечили понимание структурно- функциональной организации генов и путей реализации генетической информации в белковые продукты генов.

Сейчас выполняется проект «Протеом», т.е. установление и расшифровка аминокислотных последовательностей и доменной организации всех белков, работающих в любом организме: обнаружение их, сопоставление с генетической картой генома и выявление всех функций.

Уже несколько десятилетий человеческую протеому (набор белков в человеческом организме) углубленно изучают во многих исследовательских центрах мира, а крупные фармацевтические компании, такие как Bayer, Merck и др., вкладывают в белковые исследования немалые деньги. Сегодня даже с привлечением самых совершенных технологий и самых последних биомедицинских идей, на создание нового лекарства уходит 15-20 лет. Зная протеому, этот срок можно значительно сократить до 2-3 лет. Прочесть человеческую протеому так же важно, как и расшифровать человеческий геном.

Современные методы позволяют читать генетический текст (любую последовательность нуклеотидов в любом организме, эта последовательность четырех нуклеотидов, читается «буква за буквой». Предложен способ, который позволяет читать целыми словами и даже предложениями. Для этого создается так называемый «секвенирующий микрочип». Секвенирующие микрочипы произвели настоящий переворот в биологии.

Термин протеомика был предложен в целях изучения всего множества белков, кодируемых геномом. Исследования в области протеомики затрагивают не только все белки в любой данной клетке, но также и все варианты одного белка, его изоформ и изменений, взаимодействия между ними, структурное описание белков и их взаимоотношений в пределах одной клетки, между разными клетками в одной ткани, в пределах межтканевых взаимоотношений в целом многоклеточном организме, т.е клеточных комплексов более высокого порядка, в которых реализуется весь геном. Протеомика основана на достижении высокого уровня белковой биохимии. Протеомика дополняет геномику, для чего используют оценки экспрессии генов на уровне клетки, клеточных сообществ и целых многоклеточных сообществ и целых многоклеточных организмов. Интеграция результатов исследований геномики и протеомики с использованием методов биоинформатики в конечном итоге приведет к формированию всесторонних баз данных о функциях генов, которые будут служить как фундаментальная информационная основа знаний о белковых характеристиках и их функциях, необходимых для системного биологического подхода в изучении организации и функции живых объектов.

Метаболомика. Для создания организмов с новыми свойствами существует несколько путей. Один из них – объединение разных метаболических путей в одном организме с помощью конъюгации. Другой способ расширить их катаболические возможности – модификация генов, кодирующих ферменты того или иного метаболического пути. Используя ДНК- технологию, в частности, рекомбинантные ДНК, можно направленно изменять метаболизм организмов, вводя в них новые гены или модифицируя уже существующие. В результате генетических манипуляций организм приобретает новые метаболические пути, например, способность к синтезу нового фермента, что можно использовать для получения in vivo низкомолекулярных соединений – витаминов, аминокислот, красителей, антибиотиков и т.д. Такой организм становится «фабрикой» или биореактором по производству полезных метаболитов Основная цель этих изменений состоит в создании рекомбинантного организма (биореактора) с новыми метаболическими путями или с новой ферментативной активностью, способного превращать существующий субстрат в ценный продукт, который раньше обычно получали только сочетанием химических и микробиологических методов. Например, для направленного изменения микроорганизмов, синтезирующих определенные метаболиты, существуют такие пути:

1.можно изменить активность или содержание одного или нескольких ферментов того или иного биосинтетического пути с тем, чтобы увеличить продукцию нужного метаболита;

2.В прокариотический геном можно ввести чужеродные гены, кодирующие ферменты, которые, используя эндогенный метаболит в качестве субстрата, обеспечат синтез метаболита, изначально не продуцируемого хозяйской клеткой.

Эти манипуляции достаточно просты, их называют ДНК- метаболикой. Из одного микроорганизма в другой переносят гены, ответственные за какую- то часть метаболического пути, так, что второй микроорганизм приобретает способность синтезировать новые метаболиты.

Микроорганизмы можно не только использовать как «фабрики» для синтеза белков типа рестриктаз, но и получать с их помощью новые продукты, изменяя метаболизм бактериальных клеток введением в них чужеродных генов или модификацией уже существующих.

Понимание фундаментальных молекулярных процессов, лежащих в основе жизни, определение нуклеотидной последовательности геномов имеет и практическое применение. Например, определение того, какие именно метаболические пути и шунты имеются у патогенных бактерий, может помочь в выборе антибиотиков для целевого воздействия именно на данный возбудитель, не затрагивая нормальную микрофлору. Выявление новых метаболических путей может помочь созданию новых антибиотиков.

В результате таких исследований можно ожидать развитие новой медицины и ее новых подразделов, таких, как генная терапия; фармакогеномика, лекарства нового поколения – эндогенные биорегуляторы, ДНК- вакцины. Будут развиваться новые методы диагностики предрасположенности к болезням, новые технологии экспресс- диагностики вновь появляющихся инфекций. Появятся новые технологии для развития производства пищевых продуктов, для контроля и улучшения экологических ситуаций.

Интересные возможности ДНК- технологии дают для решения экологических проблем. Создаются растения, которые экстрагируют или разрушают поллютанты почвы. Так, симбиотическому азотфиксатору люцерны Rhizobium meliloti, был встроен ряд генов, осуществляющих разложение бензина, толуола, содержащихся в горючем. Глубокая корневая система люцерны позволяет очищать почву, загрязненную нефтепродуктами на глубину до 2-2,5 метров.

Контрольные вопросы к лекции 10.

1.Значение генетических ресурсов растений для сохранения биоразнообразия и селекции.

2.Идентификация ГРР с помощью молекулярных маркеров.

3.Нанотехнологии и области применения.

4.Геномика, протеомика и метаболика, их значение для развития биологической и сельскохозяйственной науки науки.

5.Компьютерный анализ и биотехнология в решении фундаментальных задач биотехнологии.