Бананы-вакцины, трансгенные растения и ГМО-люди: как биотехнология меняет мир

В последние годы все больше людей интересуются биохакингом, пандемия открыла глаза на необходимость развивать медицину и создавать новые вакцины, а нехватка еды побуждает ученых разрабатывать новые методы селекции и выращивания растений.

В 2015 году составлялся рейтинг самых финансируемых и активно развивающихся секторов экономики, в котором биотехнология заняла третье место после банковской и нефтегазовой сфер. Сейчас годовой оборот этого рынка составляет 447,92 млрд долларов.

Рассказываем о сфере биотехнологии в мире и Казахстане, а также о самых интересных и необычных открытиях. 

Что такое биотехнология?

Биотехнология — это прикладная наука, которая использует живые организмы для решения различных задач и проблем. Например, это может быть использование микроорганизмов для производства антибиотиков и гормонов, применение животных для разработки лекарств или очистка сточных вод. 

Для того, чтобы стать специалистом в этой сфере, изучаются как фундаментальные науки типа микробиологии, молекулярной биологии, генетики и биохимии, так и более прикладные — процессы и аппараты, пищевая и промышленная биотехнология.

Какие направления включает биотехнология?

На данный момент существует большое количество направлений в биотехнологии и ее условно классифицируют по цветам. Красная — медицинская сфера, зеленая — сельское хозяйство, желтая — пищевая биотехнология и т.д. 

В последнее время набирает популярность биоинформатика — она позволяет работать с большими объемами данных. Более того, она упрощает процесс эксперимента: теперь можно смоделировать биологический процесс и посмотреть как на него будут влиять лекарства или условия окружающей среды. 

По большей части это разделение условно, потому что различные направления пересекаются между собой и для их изучения необходимо понимание основ большинства сфер. 

Крупными биотехнологическими мировыми компаниями являются Johnson&Johnson, Roche, Pfizer, Amgen. Большая часть финансирования выделяется на исследования в области молекулярной биологии, изучения рака и изготовления фармацевтических препаратов. США и Швейцария занимают первые позиции этого списка. Из азиатских стран лидируют Индия и Китай. 

Как развивалась биотехнология?

Официально считается, что биотехнология зародилась в начале двадцатого века, когда Карл Эреки ввел этот термин в обиход, а ученые стали более подробно изучать биологию. Но и до начала двадцатого века люди применяли биотехнологию, а также изучали биологию. 

Например, наши предки использовали микроорганизмы в своих целях. Об этом свидетельствуют остатки пекарен и пивоварен, которые находили при раскопках в Египте и Греции. При приготовлении теста используют дрожжи — они поднимают тесто, а вино получается в результате действия уксуснокислых и молочнокислых бактерий — они запускают процесс ферментации, или брожения. Молочнокислые продукты типа сыра тоже готовятся с применением микроорганизмов.

До начала двадцатого века эта прикладная наука больше фокусировалась на промышленной области — текстильном и пищевом производстве, во время Второй мировой войны — на фармацевтической области, а после фокус сместился на генную инженерию благодаря открытиям в области молекулярной биологии и генетики. 

Одним из важнейших открытий прошлого века является получение гормонов. При инсулинозависимом сахарном диабете людям необходим инсулин. В начале прошлого века смертность от этого заболевания была очень высокой и уступала только онкологическим и сердечно-сосудистым заболеваниям. Для лечения диабета сначала использовали свиной инсулин, потому что по своему белковому составу он наиболее близок к человеческому. Однако из-за имеющихся различий у некоторых больных проявлялись аллергические реакции.

С развитием молекулярной биологии стал возможным рекомбинантный перенос генов, который позволил транспортировать гены из одного организма в другой. Это значит, что человеческий ген, который отвечает за синтез инсулина, вставляли в бактериальную клетку E.Coli — и она начинала его продуцировать. Благодаря тому, что бактерии могут делиться каждые 20-30 минут, готового продукта получается много. Так инсулин стал доступным широким массам в 80-х годах двадцатого века.

Как сфера развивается в Казахстане?

В 2005-2006 годах государство взяло курс на развитие этой сферы в стране. Бюджет на научные исследования в 2006 году увеличился со 150 до 450 млн, а приоритетными направлениями были названы медицинская, сельскохозяйственная и индустриальная биотехнологии. 

В Казахстане на специальность биология и смежные науки выделяют немало грантов: в 2019 году их было 640, а в 2020 — 650. Во многих университетах на факультетах биологии открывают специальности по биотехнологии. Национальный центр биотехнологии в Астане, институт генетики и цитологии, институт биохимии и молекулярной биологии имени Айтхожина, институт биотехнологии растений — одни из крупнейших НИИ в области биологии и биотехнологии в стране. 

Биотехнологи Казахстана производят различные антибиотики для людей и для лечения животных; ферменты, с помощью которых производится кормовой белок для животноводства, а также занимаются очисткой сточных вод. Например, казахстанская компания Hasanat group очищает производственные и бытовые сточные воды от загрязнений. 

В крупных масштабах в стране занимаются лекарственными препаратами, молочной продукцией и спиртом. Самым известным примером является отечественные производители молочных продуктов «Амиран», ADAL, JLC. Также в стране действуют 112 фармацевтических компаний, которые, однако, не занимаются производством по собственным разработкам. 

Средняя зарплата биотехнологов в стране составляет 160 тыc. тг. Специалист такой направленности может работать на заводах и контролировать процесс производства, заниматься исследованиями в НИИ, либо работать в лабораториях.

Какие открытия были в Казахстане?

Большое внимание ученые обращают на развитие сельского хозяйства и растениеводства. Например, вывели сорт картофеля, устойчивого к Y-вирусу — его назвали «Айтмурат» в честь Мурата Айтхожина, также разработали устойчивые к засухе растения.

Например, институт биотехнологии растений ведет свою работу в области биоремедиации, биологической безопасности. За несколько лет работы они вывели более 50 сортов растений с помощью селекции. 

Также казахстанские ученые занимаются разработкой технологий для восстановлений зубной эмали, биосовместимого клея и многого другого. 

С началом пандемии активное участие в разработке вакцины от коронавируса и производством тест-систем занялся Национальный центр биотехнологии. 

Как биотехнология меняет мир?

Все открытия последних лет перечислить не получится, но можно выделить яркие открытия последних десятилетий в разных сферах.

1. Система CRISPR/Cas9. Революционное открытие, которое еще называют «молекулярными ножницами». С его помощью можно вырезать фрагменты ДНК и редактировать геном. Ученые позаимствовали эту схему у бактерий. Предполагается, что с ее помощью получится лечить генетические заболевания типа лейкемии, муковисцидоза и других. В 2019 году китайский ученый опробовал ее на людях, за что получил тюремный срок. В результате его действий родились две девочки-близняшки с геном устойчивости к ВИЧ. 
2. Разработка съедобных вакцин. Во многих странах мира у людей затруднен доступ к лекарственным средствам, поэтому ученые смогли разработать решение: помещать лекарства в растения. В этом процессе используются трансгенные растения, в которые вводится нужный ген — он вырабатывает белковый продукт, который мы можем съесть. При попадании в организм он вызывает развитие иммунитета к определенному возбудителю. Уже есть бананы-вакцины против вируса папилломы человека. Однако данных о результатах ее применения еще нет. 
3. «Золотой рис». Разработка этих трансгенных растений была проведена еще в 2000 году. В растение внедрили пигмент бета-каротин. Этот ГМО-рис создали для того, чтобы устранить нехватку витамина А в регионах, которые страдают от его дефицита. В 2019 году в США и Филиппинах начали выращивание этого сорта, несмотря на опасения противников ГМО. 
4. Биодизель и биопластик. Биодизель становится аналогом традиционному топливу — его изготавливают из микроводорослей в фотобиореакторах или с помощью электричества. Также ученые занимаются разработкам биопластика из растительных материалов — возобновляемых источников, а также получением биоразлагаемых полимеров — в них добавляют специальные вещества, чтобы процесс разложения проходил быстрее. 
   
   На самом деле, впервые биопластик получили в 1926 году, а первый биоразлагаемый полимер — в конце двадцатого века, однако только в последние годы они заходят на рынок. 
5. Искусственное мясо и ГМО. Благодаря разработкам ученых, ГМО-свиней теперь можно использовать в еде и медицине. Также в последние годы активно ведутся исследования по изготовлению искусственного мяса. Ученые смогли вырастить несколько кусочков в пробирке, однако на данный момент это возможно только в лабораторных масштабах — производство «мяса в пробирках» пока нельзя проводить в промышленных масштабах.