"История инженерной деятельности" - читать интересную книгу автора (Морозов В. В., Николаенко В. И.)

Тема ХІІ. БИОТЕХНОЛОГИИ, ИХ СУЩНОСТЬ, ПРОШЛОЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ

Большинство из наших современников – инженеров-специалистов в какой-то мере готовы ответить на вопрос «технология», «технологический процесс», и могут в первую очередь рассказать о технологиях в машиностроении, самолетостроении, металлургических процессах, химических и космических технологиях и других.

Меньше людей могут ответить на вопрос о сущности биотехнологии. Это не случайно. Длительное время биологической науке, в том числе и отечественной, не уделялось должного внимания. Такое положение сохраняется, к сожалению, и в настоящее время. Вместе с тем, Организация Объединенных Наций официально признала технологией ХХI века – биотехнологию.

Сегодня биотехнология, говоря языком транспарантов, – движущая сила научно-технического прогресса любой страны. Рассмотрение сущности биотехнологии, ее перспектив развития и применения в народном хозяйстве составляет содержание настоящей лекции.

1. Сущность биотехнологий и история зарождения.

2. Перспективы развития и применения, значение.

Мудрый царь Соломон когда-то говорил: «Словами мы познаем суть вещей». Последуем совету мудрого Соломона и попытаемся понять суть биотехнологии через посредство составляющих это слово частей «биос» и «техне». Это слова несомненно, греческого происхождения. С первой частью, означающей «жизнь», мы встречаемся в таких словах, как «биология» – изучение жизни, «биоценоз» – живое сообщество.

Вторая часть слова «биотехнология» – «техне» – восходит к «текс» – вить, прясть, делать что-то руками. Отсюда слово текстиль, текст, контекст, тектоника, архитектура, технология. Следовательно, возможен перевод слова «биотехнология» как производство с помощью живых существ или технология живого.

Из самого названия «биологическая технология» следует, что это – технологические процессы с использованием биологических систем: живых организмов и компонентов живой клетки. Системы могут быть разные – от микробов и бактерий до ферментов и генов. Таким образом, биотехнология – это производство, основанное на последних достижениях современной науки: генетической инженерии, физико-химических ферментов, молекулярной диагностики, селекционной генетики, микробиологии, химии антибиотиков, комбинаторной химии.

Современные методы анализа пыльцы растений говорят нам, что уже девять с половиной тысяч лет назад на территории современной Франции люди выращивали чечевицу. Несколько раньше началось земледелие на Ближнем Востоке, который многие ученые считают колыбелью цивилизации. Родившись в долинах полноводных рек, главным образом между реками Тигром и Ефратом, земледелие дало человеку один из первых продуктов биотехнологии – зерно. Здесь в Междуречьи (по-гречески – Месопотамия) существовали государства Шумер, Аккад, Ассирия. Древние шумеры изобрели клинопись на табличках, в шумерских городах функционировали школы, в которых детей учили решать задачи, о чем говорят глиняные таблички, которые находят археологии. Среди этих глиняных табличек встречаются и такие, где есть задачи на определение количества провианта, необходимого для определенного количества работников: меры зерна и кувшины ячменного пива. Наличие указаний на пиво является одним из древнейших свидетельств использования людьми биотехнологических процессов. Ведь пиво невозможно приготовить без применения микроорганизмов, превращающих сахар в спирт. К сожалению, на табличках ничего не говорится о выпечке хлеба. По-видимому, жители этого региона ели хлеб пресным.

Не так давно археологический мир заговорил об открытии величественной цивилизации в долине реки Инда, которая имела разносторонние связи с Шумером. С Индостана в Шумер поставлялись специи, шерсть, лен, растительное масло, кожи и многое другое. Археологи в долине Инда нашли в раскопках глиняные змеевики, с помощью которых древние жители перегоняли спирт – продукт жизнедеятельности дрожжей.

В Древнем Китае уже три тысячи лет назад в эпоху Западной империи Чжоу, жители провинции Шанси умели готовить рисовое вино. В древней «Книге песен» говорится, что «финики будем собирать в августе, а урожай риса в октябре, чтобы успеть к весне приготовить хмельной напиток и на веселом празднике пожелать друг другу здоровья».

Вообще, следует заметить, что само рисовое поле представляет собой прекрасно сбалансированную биотехнологическую систему симбиотирующих организмов. Рисовому кустику помогает расти и развиваться небольшой водяной папоротник, а сине-зеленые водоросли, которые способны усваивать азот непосредственно из воздуха, помогают накопить в рисовом зерне ценный белок.

Издревле в Китае культивировался шелк. Все знают, что шелк – это нить, получаемая при разматывании кокона, в котором прячется гусеница тутового шелкопряда. Кокон она делает из паутины, обматываясь ею со всех сторон. Меньше известно, что паутина представляет собой практически чистый белок, причем нить его прочнее стали. Еще Аристотель писал об этом удивительном продукте биотехнологии загадочного Востока. По великому шелковому пути ткани из него доставлялись в Египет, где очень высоко ценились на рынках Мемфиса и Александрии.

Древние Греция и Рим унаследовали эти знания, что отразилось в языке, а потом закрепилось и в современной научной терминологии. Сегодня химики и биохимики, не задумываясь, пользуются греческим словом «энзим» и латинским «фермент» для обозначения особых «рабочих» белков в клетках, которые и осуществляют все реакции в живом мире. В основе греческого слова лежит корень «зим» – поднимать (видимо, речь должна идти о поднявшемся дрожжевом тесте). Вообще о дрожжах как закваске часто говорили «ферментум – брожение», кипение, взрыв, разное увеличение в объеме.

Кстати, лингвисты считают, что латинское «ферментум» восходит к древнему «бреу», от которого произошло наше слово «брожение» и немецкое «брот» – хлеб, входящее составной частью в слово «бутерброт», то есть дословно «масло-хлеб». Сюда же можно добавить название морского ветра «бриз» и напитка «бренди».

Следует заметить, что в Александрии прекрасно знали процесс перегонки. Александр Афродизий писал о том, как матросы кипятили морскую воду, собирая пресные пары с помощью губок. Плиний описал другой метод конденсации летучих паров: холодный бараний мех с родниковой водой подвешивали над костром с кипящей смолой, собирая тем самым пары скипидара.

Много интересного известно о приготовлении вина. Само слово «вино» пришло в наш язык через латынь, которая заимствовала его из греческого, где оно называлось «ойнос». Еще древнеримский поэт Гораций писал о знаменитом фалернском вине, которое прославилось в 42 г. до н.э. в правление консула Минатиуса Планкуса. Кстати, в Древней Греции вино запрещалось пить неразбавленным. По римскому уголовному праву суд оправдывал мужа, если он убивал жену, подобравшую ключи к винному погребу.

В технологии производства вина накоплен огромный опыт. Имеются интересные факты, сохранились некоторые имена, вошедшие в историю. Известно, что Франция волею судьбы стала ведущей мировой державой винной биотехнологии, переняв эстафету от Египта и Греции. Теофраст, ученик Аристотеля, описывал способы выращивания виноградной лозы, а Александр Македонский брал лозу с собой в индийский поход. В Егитпе даже мумию в саркофаге клали на виноградные грозди.

Во Франции в конце ХVII в. появились первые бутылки. Горлышки бутылок стали заливать сургучом что позволяло дольше выдерживать вино. Это заслуга дона Пьера Периньо из Шампани, расположенной к востоку от Парижа. Его по праву считают «отцом шампанского».

В 1775 г. было сделано интересное открытие: если виноградную гроздь оставить на лозе до заморозков, то это приводит к увеличению сахаристости благодаря гидролизу углеводов (гидролиз означает «лизис» – расщепление с помощью «гидры», то есть воды). В истории виноделия были и довольно сложные моменты, когда вино болело, закисало. Французские виноделы обратились за помощью к Луи Пастеру, который стал к этому времени известным химиком. В то время господствовало мнение не менее известного немецкого химика Ю. Либиха, который считал, что брожение вина представляет собой чисто химический процесс.

Пастер великолепно справился с задачей, поставленной перед ним виноделами Франции. По ходу ее решения он сделал еще одно величайшее открытие: брожение обусловлено жизнедеятельностью живых микроскопических существ, или микробов. Размножаясь неуправляемо, микробы уксуснокислотного брожения «выедают» накопившийся в вине спирт и окисляют его в уксусную кислоту. Пастер нашел простой способ приостанавливающий нежелательное размножение микроорганизмов: необходимо прогреть 2–3 раза до температуры 60–70 °С то, что желаем защитить от биологической опасности. Этот способ получил название «пастеризация». Мы часто видим молочные пакеты с надписью «пастеризованное». Такой чести удостоен величайший французский химик и микробиолог Луи Пастер.

По мере развития биологии вообще и биотехнологий, в частности, стало ясно, что многочисленные недуги, терзающие с незапамятных времен человека, имеют генетическую природу, то есть возникают в результате «поломки» того или иного гена. Задачи биотехнологии – найти этот дефектный ген, определить характер «поломки». Разумеется, все это полностью относится также к животным и растениям. Рассматривая сущность биотехнологий (если можно сказать так), историю ее становления и развития, следует остановиться на некоторых открытиях, имеющих методологическое значение, являющихся «становым хребтом» для биотехнологий, дающих возможность понимания многого из того, что мы сегодня называем биотехнологиями. С какими же открытиями в первую очередь, мы связываем биотехнологии? Это выделение нуклеина, а впоследствии нуклеиновых кислот из белых клеток крови больных. Этой проблемой занимались швейцарский врач Ф. Мищер, опубликовавший в 1871 г. свою знаменитую статью о выделении нуклеина из белых клеток крови больных, и биохимик К. Альбрехт Коссел, сделал свой вклад – выяснил причину подагры в результате отложения в суставах нуклеина.

В первой трети ХХ века рождается хромосомная теория наследственности, которая гласит, что гены, или наследственные факторы, локализуются в хромосомах, передаваясь от поколения к поколению. В разработке этой теории огромная заслуга Т. Х. Моргана и Г. И. Менделя. В 1943 году произошло эпохальное событие – была определена химическая природа гена. Произошло это в лаборатории, руководителем которой был Освальд Эйвери. 4 февраля 1944 г. считается днем рождения дезоксирибонуклеино­вой кислоты (ДНК) в биологическом смысле слова. Стало ясно, что ген – это ДНК. Позже было доказано, что ДНК является носителем генетической информации, кодируя правильный порядок аминокислот в белковой цепи. В эти же годы впервые удалось прочитать три буквы генетического кода (М. Ниренберг). Это начало осознания того, что синтез белка начинается всегда с одной и той же аминокислоты.

В 60-е годы ХХ в. биология решила две величайшие загадки жизни. Она узнала, из чего состоят наши гены и как они работают, прочитав язык, на котором говорит вся жизнь. Биология поняла, что код жизни уникален и универсален. Биология получила в свое распоряжение инструмент с помощью которого можно говорить с любым живым существом. Открылась реальная возможность полного манипулирования геном.

Х. Г. Коран в лекции, прочитанной в Стокгольме в 1968 г., наметил путь дальнейшего развития науки о жизни – «научиться встраивать и вырезать гены… коренным образом изменить всю нашу биологию».

Со временем ученые овладели способом выращивания клеток в стеклянных чашках и пробирках, т.е. культурой ткани. Но метод культуры не мог получить широкого распространения до появления антибиотиков, которые предотвращали развитие болезненных микроорганизмов. Первые успехи на этом пути относятся к 1896 г., когда был выделен первый антибиотик (открыватель Б. Гозио). В 1918 г. К. Алсберг выделил пенициллиновую кислоту, а несколько позднее этой проблемой довольно успешно занимается Александр Флеминг. Он создает пенициллин, который спас сотни тысяч раненых в годы Второй мировой войны. Не случайно, что именно он вместе с другим ученым (П. Д, Флори) стал лауреатом Нобелевской премии. Следует заметить, что в годы Великой Отечественной войны и профессор З. В. Ермольева (СССР) создала свой собственный пенициллин, который оказался лучше английского (это признавали ученые многих зарубежных стран).

Выделение генов и создание способов их введения в клетки открыло перед биологами путь к началу современной биотехнологии, то есть технологии прямого манипулирования генами и их белковыми продуктами в промышленном масштабе.

Огромным достижением ученых являются работы в области выделения инсулина. Инсулин представляет собой один из важнейших гормонов человека, участвующих в сахарном обмене, недостаток которого приводит к гормональному заболеванию под названием «диабет». Только за открытие его роли канадскому исследователю Ф. Баншингу в 1923 г. присудили Нобелевскую премию. В 1976 г. к решению проблемы выделения гена человека одновременно подошли сразу три группы исследователей: Гилберрта в Гарварде, исследователи в Калифорнийском университете и сравнительно молодая, основанная в южном пригороде Сан-Франциско, биотехнологическая компания «Джинейтек», название которой переводится как «ген-технология».

Так была открыта возможность решения глобальной задачи получения инсулина с генетического продукта человека. Ранее диабетиков лечили и в настоящее время лечат введением им свиного или бычьего инсулина, добываемого на бойнях из поджелудочной железы забитых животных. Инсулин обоих животных слегка отличается по аминокислотной последовательности от человеческого, но для его получения нужно огромное количество животных. За расшифровку последовательности получение инсулина с генетического продукта англичанин Ф. Сэнджер из Кембриджа получил премию в 1958 году. Используя генноинженерную технологию можно получить такое количество инсулина которое нужно для лечения огромного количества больных.

В 1973 г. У. Гилберт создал метод чтения нуклеонидных последовательностей или генов. Сейчас уже не перечесть всех биотехнологических продуктов, которые появились на рынках развитых стран мира. Это инсулин и интерферон, интерлейкины и опухоленекронизирующий фактор, с помощью которых пытаются лечить рак, активатор тканевого плазминогена, хорошо помогающий при инфарктах. Достаточно сказать, что в настоящее время картировано, то есть точно определено их положение в хромосомах более шестисот генов.

Биотехнологии получают распространение на предприятиях пищевой промышленности (получение белков, аминокислот, витаминов, ферментов, дрожжей и др.); в фармацевтической промышленности (синтез гормонов, антибиотиков, ферментов, витаминов и др.); в химической промышленности (синтез полимеров, удобрений, сырья для текстильной промышленности и др.); в энергетике (получение метанола, этанола, биогаза, водорода и др.); в биометаллургии – извлечение металлов (золота, серебра, меди, олова и др.).

Успешное выделение и «прочтение» генов, получение биотехнологическим способом кодируемых им белков, картирование генов привело в конечном итоге к рождению одного из грандиозных проектов конца ХХ века – совокупности всех генов «Геном человека»! Для этой цели была создана специальная Организация по расшифровке человеческого генома. Английская аббревиатура его названия пишется и звучит как имя знаменитого французского писателя Гюго (1986 г.). На конец 1989 г. уже было «прочитано» более 30 млн нуклеотидов или «букв» генетических текстов. Расшифрована также последовательность, примерно, полутысячи генов, кодирующих конкретные белки. Некоторые из них уже производятся биотехнологически и продаются в аптеках. 30 млн, конечно, мало по сравнению с тремя миллиардами, содержащихся в нашем полном «тексте». Это огромная цифра и равняется она практически 300-м энциклопедическим томам.

Сейчас расшифрован геном вируса СПИДа длиной около десяти тысяч нуклеотидов, почти прочитан геном кишечной палочки в 4,5 млн. букв. Геном же человека составляет 3,5 млрд. букв. Он практически расшифрован на 95–98 процентов. Идет дальнейшая плодотворная работа в биологических лабораториях передовых стран мира. Гюго знакомит нас с новой биологией, биологией ХХI века, даст возможность получить массу важной информации.

Биотехнологии занимают все больше место в системе экономики многих развитых стран мира. Биотехнологическим способом, как уже отмечалось, производят генно-инженерные белки (интерфероны, инсулин, вакцины против гепатита и т.п.), ферменты для фармацевтической промышленности, диагностические средства для клинических исследований (тест-системы на наркотики, лекарства, гормоны и т.п.), витамины, биоразлагаемые пластмассы, антибиотики, биосовместимые материалы. Ферментные препараты находят широкое применение в производстве пива, спирта, стиральных порошков, в текстильной и кожевенной промышленности. Особая роль отводится сельскохозяйственной технологии. Это создание и культивация трансгенных растений, микробиологический синтез средств защиты растений, производство кормов и ферментов для кормопроизводства. Для Украины, России и других стран СНГ особенно актуальны такие направления, как ресурсная биология – использование биосистем для разработки полезных ископаемых и биотехнологическая (с использованием бактериальных штаммов) переработка промышленных и бытовых отходов, очистка сточных вод, обеззараживание воздуха. Налицо актуальность тезиса: «биотехнология – направление приоритетное». И это не случайно. По прогнозам, к 2010 г. численность населения составит 11 млрд. человек. Человечество неумолимо идет к истощению энергетических, минеральных и земельных ресурсов. Старые испытанные технологии уже не в силах справиться с этими глобальными проблемами. Поэтому на недавней встрече министров науки «большой восьмерки» 40 % времени было отведено обсуждению именно биотехнологии, 30 % – информационных технологий и лишь оставшиеся 30 % были посвящены другим проблемам науки и наукоемких технологий. Эти цифры говорят сами за себя. К сожалению, в странах СНГ традиционно недооценивают биологию. И это в то время, как цивилизация переходит в новую эру – эру биологических технологий. От современной биотехнологии зависит дальнейшее развитие сельского хозяйства, пищевой и медицинской промышленности. Человечество в конце второго тысячелетия научилось менять наследственность животных и растений. Когда человек меняет по своему усмотрению свою собственную генетическую программу, это называется генной терапией. С ее помощью можно будет обойтись без хирургического вмешательства, лечить не только наследственные, но любые другие болезни. Наверное, и клонирование живых организмов может очень скоро перейти из раздела научных разработок в разряд биотехнологии. У нас пока все это в зачаточном состоянии, в том числе и экологические технологии – восстановление «испорченной» среды обитания с помощью бактерий и микроорганизмов.

Ожидаемый биотехнологический взрыв неизбежен и он будет соизмерим с информационным. Многие слышали о том, что уже сегодня пытаются сделать компьютеры на «генах». На полном серьезе идет речь о «встраивании» компьютерных наносхем в человеческий организм. Недалек тот час, когда эти два направления сольются и кардинально повлияют на дальнейшее развитие цивилизации.

В современной биологии и биотехнологии превосходство принадлежит США. В области фундаментальных биологических исследований достижения американской науки составляют около 80 % общемировых. В промышленной биотехнологии они также сохраняют лидерство, однако не в таком впечатляющем соотношении. В бывшем СССР, несмотря на недооценку биологии и долгие годы упорной борьбы государства с генетикой, к концу 80-х годов все же был создан значительный научный и технологический потенциал. Но перемены, связанные с распадом СССР, к середине 90-х годов привели к тому, что микробные и ферментные производства, в связи с потеряли конкурентноспособность, стали нерентабельны и практически свернуты. Значительная часть научных разработок так и не воплотилась в производство, произошел значительный отток научных кадров за рубеж. Все идет к тому, что отечественные научные биотехнологические разработки будут использоваться исключительно за рубежом из-за крайне низкого технологического уровня оставшихся в СНГ предприятий.

По мнению председателя президиума пущинского научного центра РАН академика А. С. Спирина, непонимание роли биологической науки в развитии общества грозит нам не только экономическим отставанием (это целиком относится и к Украине), но и потерей государственной безопасности, мы становимся беззащитны перед биотерроризмом. По этому поводу он сказал: «Что такое биологическое оружие сегодня?». Это – уже не просто сибирская язва, холера, чума, это – созданные человеком генетически измененные микроорганизмы и вирусы, против которых бессильны любые антибиотики; трансгенные растения и животные, в которых встроены гены веществ, вредных и даже смертельно опасных для человеческого организма, например, вирус достаточно безобидного герпеса со встроенным геном какого-либо ядовитого вещества. И наконец, третий самый современный вид биологического оружия – гены, несущие информацию о патогенных белках, способных встраиваться в клетки человеческого организма.

Биологическое оружие – это направленное невидимое оружие массового поражения. Причем противник тоже невидим – нападающая сторона остается инкогнито. Для его производства не нужны большие капиталовложения – достаточно производить его в малых масштабах. Нужна одна хорошая молекулярно-биологическая лаборатория. Сейчас нас спасает невежество террористов, но перспектива такого оружия страшна. Бороться с ним смогут только высококлассные молекулярные биологи. «Биотерроризм уже существует – продолжил мысль Спирина директор Института новых технологий РАМН Н. Н. Карпищенко – и мы, действительно, перед ним беззащитны. Пусть – это жупел, но может быть, он нам поможет пробить стену непонимания серьезности проблемы правительственными чиновниками».

В бывшем СССР активно функционировал ГНТК «Биотехнология», у истоков которого стояли уже ушедшие из жизни академики А. А. Баев, Ю. А. Овчинников, Г. К. Скрябин. С распадом СССР был ликвидирован и этот орган, регулирующий деятельность всей биотехнологической индустрии. С приватизацией предприятий научные организации (институты), лаборатории потеряли связь с производством, «оторвались» от производства. Недопонимание роли науки тормозит развитие биотехнологии. Погоня за прибылями тормозит развитие фундаментальной науки. Нужна хорошо организованная государственная структура биотехнологии, нужно защитить и поддержать биологическую науку, финансировать ее на достаточном уровне, выработать законодательство которое сделало бы инвестиции в биотехнологическую промышленность выгодным предприятием. К слову, нормальное финансирование образования должно составлять 6–8 % от ВВП и науки 2–3 %. Ныне же они имеют соответственно 1 % и 0,2 %. Без решения этих, казалось бы явных задач, мы обречены на отставание.

Несмотря на известные экономические трудности, практически «развалившие» отечественную науку, по признанию ученых в нашем резерве еще имеются биотехнологические разработки мирового уровня.

Речь идет прежде всего о трансгенных растениях, в собственно генетический материал которых «встроены» чужеродные гены. В принципе, гены могут быть любыми, но обычно они делают растения абсолютно устойчивыми к вредителям, болезням или гербицидам. Несколько лет назад канадские молекулярные биологи передали винограду ген морозоустойчивости дикорастущего родственника капусты брокколи. В результате и в Канаде впервые появились виноградники. Правда, выращивают их на самом юге страны, в нескольких километрах от Ниагарского водопада. Но и здесь бывают зимы с морозами ниже минус 25°. Получение трансгенной морозостойкой лозы заняло всего год. Обычно выведение нового сорта винограда занимает от 25 до 34 лет, да и переносить гены от других растений, не относящихся к виноградному роду, традиционные методы не позволяют.

Многие ученые уверены, что трансгенные растения здоровью не вредят, но некоторые опасаются, что изменение в геноме растений в будущем могут поменять генетическую программу животных и человека, т.е. точка зрения все же существует, что последствия такого вмешательства непредсказуемы. Этот факт и послужил поводом к запрещению импорта продуктов, содержащих компоненты трансгенных растений. Сложилось довольно парадоксальная ситуация. Во Франции фермеры уничтожают завезенные из США семена трансгенной кукурузы. Между тем в США, где широкая общественность к генной индустрии настроена одобрительно, до 60 % всех продуктов, включая и детское питание, содержат хотя бы один компонент, полученный из трансгенных животных или растений.

Необходимо остановится на ряде фактов, дать некоторый анализ состояния и развития трансгенных растений, биотехнологии. В США и Канаде, примерно, на четверти всех площадей, отведенных под картофель, используется посадочный материал, сконструированный методами генной инженерии. В этих странах до 30 % кукурузы высевается семенами, созданными путем введения в них очень удачного набора генов. При таких масштабах потребовались не лабораторные, а широкие и всесторонние полевые испытания. Вместе с тем было создано уникальное крупное семеноводческое производство. Таким образом на основе достижений генной инженерии уже крупносерийно выпускаются семена для аграрного производства. В этом есть и некий символический смысл: генная инженерия как бы закладывает семена будущего не только для растениеводства, но и для животноводства, более того – для микробиологической промышленности и медицины.

Речь идет о создании условий для перехода сельского хозяйства в ХХІ столетии на принципы устойчивого развития, т.е. для получения нужного количества агропродукции при оптимальных затратах природных ресурсов и минимальном загрязнении окружающей среды. Что касается картофеля, достаточно того, что его новые сорта устойчивы к страшному и хорошо известному на всех континентах вредителю имя которому – колорадский жук. Это спасает (без ядохимикатов) третью часть урожая, ранее погибавшего, что особенно важно для нашей страны, где 90 % картофеля выращивается на приусадебных участках. Сегодня здесь нередко безконтрольно применяются для борьбы с жуком очень токсичные препараты.

Необходимо привести несколько фактов, которые как бы мазками рисуют картину событий и успехов генной инженерии.

Немало новых трансгенных (с “вшитыми” новыми генами) сельскохозяйственных культур вырабатывают вещества, токсичные для насекомых – вредителей и возбудителей болезней. Уже одно это спасает 30–50 процентов урожая.

ДНК-технологии резко изменили у ряда культурных растений чувствительность к гербицидам. Это позволяет в несколько раз уменьшить количество гербицидов при борьбе с сорняками и значительно ослабить химическую нагрузку на окружающую среду. Устойчивые к гербицидам хлопчатник, рапс, соя, кукуруза, сахарная свекла уже высеваются в США и Канаде на миллионах гектаров.

Ряд трансгенных культур во много раз эффективнее, чем исходные, извлекают из почвы фосфор и азот. Это позволит резко уменьшить количество вносимых в почву удобрений, которые, как известно, смываются дождями и становятся настоящей бедой для водоемов. Подсчитано, что американские фермеры только за счет экономии гер­бицидов и удобрений будут ежегодно получать от трансгенных культур дополнительный доход в 4–5 миллиардов долларов.

Из семечек модифицированного подсолнуха получают масло, по вкусу и составу близкое к оливковому. В практику входят трансгенные сорта гороха, сои, злаков с улучшенным составом белков. Получены трансгенные томаты, пригодные для длительного хранения. Это облегчает дальнюю транспортировку и может избавить от зимнего выращивания томатов в теплицах. Созданы трансгенные томаты без зернышек, на подходе другие бескосточковые овощи и фрукты, в частности вишня, черешня, цитрусовые, а также арбуз без семян.

Биотехнология становится приоритетной областью для крупнейших транснациональных химических и фармацевтических концернов, таких, как «Дюпон», «Рон-Пуленк», «Монсанто». Они во всем мире покупают сельскохозяйственные фирмы, прежде всего семеноводческие, планируя взять в свои руки широкое внедрение в практику трансгенных растений и животных. Происходит слияние крупных компаний для концентрации усилий по разработке биотехнологий. В 2000 году объединилась «Хосум продакс корпорейн» с «Монсанто», сумма ежегодных продаж продуктов которых составляет 96 миллиардов долларов.

В компании «Монсанто» создан банк из более 50 тыс. «сконструированных» ею трансгенных растений

Уже выбраны направления, продвигаясь по которым ДНК-технологии позволят резко увеличить мясную продуктивность крупного рогатого скота, кур, рыбы. В ближайшее время генная инженерия создаст сорта растений, устойчивые к засухе, низким температурам, повышенной засоленности или кислотности почв. Генная инженерия нашла возможность повысить содержание витамина С в ряде плодовых и овощных культур. Считается, что в натуральных продуктах он повышает иммунитет более эффективно, чем синтетический. В США созданы сорта чеснока, устойчивые к вирусу желтой карликовости (этот вирус снижает урожай на 30–50 %).

Нынешнее интенсивное земледелие дает высокие результаты (например, 5–7 тонн зерновых с гектара вместо нормальных когда-то 1–2 тонн), но создает при этом огромную нагрузку на окружающую среду. Вот один пример. На каждую дополнительную калорию, запасенную выращенным растением, приходится тратить 10 «внешних» калорий, взятых из топлива, сожженного при обработке земли, транспортировках, производстве и внесении удобрений. Одна из задач биотехнологии – снизить эти затраты, что даст и экологический, и экономический эффект. Для многих модифицированных растений затраты энергии на одну «растительную» калорию уже снижены в 2–3 раза, в частности, за счет снижения потерь от вредителей и болезней и за счет упрощения борьбы с сорняками. Консультативная группа Всемирного банка считает, что в начале ХХІ в. фермеры приобретут продукты биотехнологии на 10 млрд долларов.

США, Англия, Германия и Австралия создали биотехнологическую компанию для внедрения в различных регионах мира трансгенных сортов хлопка, устойчивых к вредителям и болезням. Уже внедряется 5 новых сортов. Во Франции построен крупный специализированный комплекс для разработки и тиражирования посадочного материала трансгенных овощей. В 1998 г. в Китае 100 тыс. гектаров уже было засеяно модифицированным хлопчатником. Идет процесс расширения посевных площадей.

В 2001 г. в США половина всех посевов кукурузы проводилось трансгенными семенами, устойчивыми к вредителям и болезням. Широкое испытание новых сортов показало, что они дают дополнительный доход – 120 долларов с гектара.

Компания «Монсанто» провела эксперименты на больших площадях и показала, что новые трансгенные сорта сои позволяют на 90 % ослабить эрозию почвы. Планировалось, что уже в 2001 г. в США и Аргентине будут выращивать только трансгенные сорта хлопка.

Практические успехи генной инженерии способствовали важнейшим фундаментальным исследованиям, прежде всего созданию подробных генетических карт ДНК многих животных и растений.

Лекарственных препаратов, полученных методами генной инженерии, только в 2000 г. выпускалось в США на 50 млрд. долларов.

Создаются трансгенные животные, в молоке которых содержится человеческий альбумин, способствующий снижению кровяного давления. В год требуется 440 тонн такого альбумина, сейчас затрачивается на это 1,5 млрд. долларов, а одна трансгенная корова будет производить 80 килограммов альбумина в год.

Идет последняя фаза испытаний нового американского препарата – антитромбина, полученного из молока трансгенных животных. Считается, что он произведет революцию в предупреждении инфарктов. Американские добровольцы успешно испытали на себе вакцину, полученную из генноинженерного картофеля. Вакцина повышает иммунитет к заболеваниям желудочно-кишечного тракта, а возможно, и к холере. Методами генной инженерии получен картофель с полным набором белков человеческого материнского молока. В частности, в одном клубне содержится 7 граммов В-казеина, в 30 раз больше, чем в чашке материнского молока. Такой картофель должен поднимать иммунитет у людей любого возраста.

В Канаде с помощью ДНК-технологий создан уникальный «химический реактор» – трансгенная коза, которая может ежедневно производить дефицитные белки человека на сумму 20 тыс. долларов. Запланировано в короткий срок иметь 1000 таких коз. Разработан метод выделения из спермы отдельно мужских и женских половых клеток. Это позволит в нужной пропорции формировать молочные (коровы) и мясные (быки) стада. Факты эти можно продолжать.

В Англии число опытов по генетической инженерии животных возросло с 40 тыс. до 300 тыс. в год.

В Украине и других государствах бывшего СССР (за исключением стран Прибалтики) разрешено реализовывать продукты питания с компонентами трансгенных растений после соответствующей сертификации. А вот выращивать – нельзя (во всяком случае до последнего времени). Между тем трансгенные растения, по мнению ученых, крайне необходимы на полях Украины, России и других стран СНГ.

Проблемы трансгенных растений в общих чертах обрисовал академик Российской академии сельскохозяйственных наук, директор центра «Биоинженерия» РАН К. Г. Скрябин: «Для того, чтобы все наглядно представили размеры площадей, которые засеяны трансгенными растениями, скажу, что с 1996 по 2000 год в мире было запахано под них две территории Великобритании вместе с Ирландией. И можно спорить или не спорить о безопасности генетически модифицированных растений – дело сделано в мировом масштабе. На первом месте по размеру посевных площадей идет США и Дания соответственно Аргентина, Китай».

Конечно, вопрос безопасности – это важная проблема, состоящая в первую очередь в обнаружении компонентов трансгенных растений в импортных продуктах питания, не прошедших специальную сертификацию. Поэтому нужны хорошие тест-системы. Ученые давно говорят о том, что зарегистрированное, проверенное и прошедшее систему сертификации трасгенное растение не опасно для здоровья. Сегодня идет настоящая торговая война Европы с Америкой. Чтобы решить проблему «бешенства» скота, возникшего из-за белков из костной муки, необходимо отказаться от этих белков и использовать белки из «запретной» трансгенной сои. Следовательно необходимо разрешать и выращивание трансгенной сои. 34 % мирового производства сои генетически модифицировано (в Штатах – 62 %, а в Аргентине – 80 %). Подвижки есть и в России: там после пятилетних дебатов сертифицирована трансгенная соя.

Для России, Украины и других государств СНГ очень нужны трансгенные технологии. Россия, например, теряет из-за сорняков и вредителей 34,6 % злаковых культур, 42 % сахарной свеклы, 37 % подсолнечника, 46,2 % картофеля. Особо следует обратить внимание на картофель. Это «второй хлеб» и его потребляется 35 млн тонн ежегодно. В денежном выражении это приблизительно 7 млрд. долларов, а потери его исчисляются в 3,5 млрд. долларов. Кредит МВФ России – 2,8 млрд… Таким образом, колорадский жук съедает весь кредит МВФ. И в тоже время отечественные ученые предлагают трансгенный картофель, который не берет никакой колорадский жук. Кроме этого, 10 % картофеля гибнет от фитофтороза. В России есть уже свой трансгенный сорт, т.е. сорт сельскохозяйственных растений отечественного производства. Но нужно политическое решение – разрешение на их выращивание. Все это касается и Украины.

Трансгенные растения на столах потребителя уже есть. Около 70 наименований импортных трансгенных растений зарегистрировано и разрешено к применению. В этот разряд попали уже существующие продукты питания. Реально же провести экспертизу на наличие встроенного гена в какой-либо компонент продукта мы пока не в силах из-за отсутствия дорогостоящих тест-систем и оборудования. То есть если иностранная фирма-импортер не продекларирует наличие трансгенного растения в каком-либо продукте, то мы на сегодняшний день определить это не сможем.

Директор института молекулярной биологии и генетики НАН Украины академик Г. Х. Мацука в статье «Горизонты генноинженерных биотехнологий», пишет, что уже выращены трансгенные пшеница, кукуруза, соя, картофель, подсолнечник и др. Этим растениям введены гены, которые отвечают за стойкость против большинства пестицидов, гербицидов и ядохимикатов. Нужна законодательная база для внедрения и финансирования на достаточном уровне.

Благодаря генноинженерным методам появляются бактерии, которые извлекают из обедненных руд остатки урана, он переводится в состояние раствора, а затем концентрируется. Подобные разработки ведутся и в Украине, в частности в Институте коллоидной химии и химии воды НАН, но не с ураном, а с золотом. Золото добывается из обедненных руд Мужиевского месторождения в Закарпатье. Бактерии осуществляют селективную гетерокоагуляцию с частицами золота. Эта разработка зарегистрирована как открытие в 1986 г. Внедрение данной технологии дало возможность ежегодно Мужиевской обогатительной фабрике получать десятипроцентный прирост золота.

Новые методы ресурсной биотехнологии очень важны, скажем, для России, живущей за счет продажи ресурсов. Так, средняя отдача нефтяных месторождений не превышает 50 процентов. Новая же уникальная микробиологическая технология регулирования микрофлоры пластов уже позволила компании «Татнефть» получить дополнительно около полумиллиона тонн «черного золота» на месторождениях в Башкирии. Сегодня микробная технология используется для повышения нефтеотдачи во многих странах, а также извлечения азота, в том числе и из сточных вод и др.

В Украине введение микроорганизмов, которые фиксируют атмосферный азот и передают его растениям дало возможность увеличить урожайность гречихи до 12,3 ц. с гектара, против 8 ц. (без введения азота), озимой пшеницы соответственно 52,4 и 45, ячменя – 50 и 42, томатов – 56,8 и 23 ц. Количество белка увеличивается на 7–10 %, а уровень нитратов уменьшается в 10–100 раз, радиоактивного цезия – в 2,5 раза. Этот препарат проходит испытания и на него возлагаются большие надежды как наэкологически чистый препарат.

Большие перспективы имеет новый способ снижения концентрации метана с использованием метанотрофных бактерий. Для украинских шахт проблема метана была и остается одной из самых тяжелых. По статистике из-за взрывов метана каждый добытый миллион тонн угля уносит жизнь одного шахтера. Перед распадом СССР активно велись работы в направлении снижения концентрации метана, но вот уже десяток лет о жизненно важной перспективной технологии вспоминают редко, не говоря уже о ее применении. Что касается биотехнологий то надо отметить, что появляются совершенно неожиданные направления исследований. Например, есть реальная перспектива использования новых источников энергии. Водоросли, которые состоят на 70 % из углеводов – это фактически полноценное горючее. Ареал их распространения – австралийские озера. Задача генной инженерии – повысить содержание углеводов в этих водорослях.

Еще один интересный объект – ген фотосинтеза. Речь идет о преобразовании света в углеводород. Здесь бескрайнее поле исследований для генетиков. Возьмем всем знакомые светлячки. Оказывается, из них можно сделать фонарики. В Японии принят пятилетний план создания фонаря на основе люцеферина – люцеферазной реакции. Для этих опытов выделено 1,8 млрд. иен. Японцы собираются выделить гены светлячков, которые отвечают за эту реакцию, и ввести их деревьям, которые с наступлением темноты будут светиться вместо фонарей. Воистину генноинженерные технологии открывают перед человечеством невиданные перспективы.

В Ы В О Д Ы

Биотехнологии – это процессы с использованием биологических систем живых организмов и компонентов живой клетки, основанные на достижениях науки. Создание новых биотехнологий – фундаментальные результаты целого комплекса наук, особенно биологии: расширение сферы исследования в области генной инженерии, физико-химии ферментов, молекулярной диагностики, селекционной генетики, микробиологии и других.

Биотехнология объединяет новые достижения технической микробиологии, прикладной генетической, клеточной инженерии, имуннобиотехнологии. Этот раздел науки охватывает культивирование клеток растений, животных и людей, гибридов, макромецатов, водорослей, объектов генетической инженерии (плазмиды, векторы, рекомбинатные ДНК, ферменты).

Немало новых рентабельных биотехнологий появились в Украине благодаря разработкам Института проблем криобиологии и криомедицины НАН Украины, Института молекулярной биологии и генетики НАН Украины, Института агроэкологии и биотехнологии УААН и других. Можно сказать, что по уровню научно-исследовательских работ в области биотехнологий Украина не отстает от мировых лидеров – Японии, США, Англии, Германии, Франции. Об этом свидетельствует множество публикаций отечественных ученых, презентаций, количество международных грантов и стипендий, привлечение украинских ученых для сотрудничества в различные научно-исследовательские лаборатории мира.

Большие перспективы имеет генная инженерия. Успехи генетической инженерии ознаменовали начало качественно нового этапа в развитии биотехнологии. Важнейшим достижением стал переход от производства технических соединений до получения химически чистых продуктов биосинтеза: инсулина, α-β-интерферона, гормонов роста человека и крупного рогатого скота, а также поверхностных антигенов вирусов для получения так называемых молекулярных вакцин против герпеса, гепатита, краснухи, кори и других.

С помощью генной инженерии решаются вопросы, связанные с охраной окружающей среды, в частности, получение биополимерных флокулянтов для очистки воды, получения ряда важных для медицины препаратов, среди которых незаменимые аминокислоты, гормональные препараты, антибиотики и другие. Разработаны технологии получения генноинженерных антигенов, антител, вакцин, которые используются для профилактики, лечения и диагностики заболеваний.

Развитие таких наук как генетика, прикладное накопление новых биологических дисциплин, таких как биоинформатика, протеомика, метаболика и других имеют огромное значение для биотехнологии.

Необходимо возродить биотехнологии на новом современном уровне. Этого требуют потребности общества, экономики. Для этого нужна выработка необходимых законов, продуманная финансовая политика в области фундаментальной биологической науки и биотехнологии.