Биология будущего

Молекулярная биология

Общие тенденции развития технологий

Молекулярная биология — это отрасль биологии, которая изучает биологические процессы на уровне биополимеров (нуклеиновых кислот, белков и их надмолекулярных структур). С середины 20-го века молекулярные биологи научились характеризовать и манипулировать молекулярными компонентами клеток и организмов (ДНК, РНК и другими).

Поскольку ДНК — это материальный носитель генетической информации, молекулярная биология значительно сблизилась с генетикой, создав молекулярную генетику. Также активно использует методы молекулярной биологии и вирусология — а одновременно с этим вирусы в качестве инструмента исследования широко применяются в молекулярной биологии.

Еще одним междисциплинарным исследованием в молекулярной биологии является биоинформатика, поскольку объем информации, необходимый для обработки и исследования, превосходит все ожидания. При этом, например, в исследовании структуры протеинов начали использовать игровые механики: в мае 2008 года появилась видеоигра Foldit, которая позволяет любому заинтересованному (даже без специального образования) внести свой вклад в исследования молекулярной биологии, составляя структуры протеинов.

Именно на исследования в молекулярной биологии возлагаются надежды при разработке вакцины из стволовых клеток против рака: стволовые клетки имеют достаточно сходных черт на молекулярном уровне, чтобы включать иммунитет против раковых клеток. Поскольку исследования до сих пор находятся на начальных стадиях — это не обсуждается широко.

Кроме того, в 2018 году было открыто 10 новых иммунных систем защиты бактерии от фагов — вирусов, атакующих бактериальные клетки в течение миллиардов лет, что позволило по-новому посмотреть на бактериальные механизмы в борьбе с вирусами. А после полного понимания механизмов такой защиты — использовать их в качестве инструментов молекулярной биологии.

В медицине сочетание генетической и клеточной терапии (и та, и другая являются частями молекулярной биологии) позволили сирийскому мальчику, страдавшему от редкого генетического заболевания (узловой буллезный эпидермолиз), получить 80% новой кожи. Журнал The Scientist назвал этот случай прорывным в изучении механизмов регенерации кожи на клеточном уровне, что открывает новые горизонты для регенеративной медицины.

Молекулярная биология, которая изначально являлась частью биохимии, за последние полвека достигла огромного прогресса. Достижения в этой отрасли науки имеют огромное значение для развития биомедицины, что в сочетании с теоретическими знаниями клинической медицины является основой для развития новых перспективных методов лечения тех болезней, которые ранее считались тяжелыми или неизлечимыми. Например, уже сейчас на животных тестируют «молекулярные ножницы» — специальные молекулы, которые удаляют альфа-амилоидные бляшки. Эти бляшки являются фактором развития болезни Альцгеймера, а по прогнозам Всемирной организации здравоохранения 0,556% населения Земли может быть поражено этой болезнью до 2030 года.

Именно молекулярная биология является основой для развития генетики и позволяет целенаправленно изменять наследственные основы на клеточном, хромосомном и генном уровнях. В последние годы молекулярная биология обладает мощными генетическими методами исследования, успешно работает над проблемами преодоление болезней, старения и смерти. Фактически от развития молекулярной биологии зависит развитие персонализированной медицины. Предупреждение и понимание механизмов наследственных болезней путем исследования генетического разнообразия является еще одним путем воздействия молекулярной биологии на общество. Именно благодаря достижениям молекулярной биологии появляется возможность предупредить 20% детской смертности, причиной которой являются врожденные пороки.

Стоит понимать, что молекулярная биология открывает возможности не только для модификации ДНК, но и для создания синтетических фрагментов ДНК, что позволяет модифицировать природные гены.

В 2017 году в молекулярной биологии был достигнут значительный прорыв — добавлены две новые «буквы» к генетическому «алфавиту». К четырем природным основам (аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т)) учеными лаборатории профессора Флойда Ромесберга в Научно-исследовательском институте Скриппса были добавлены два искусственных основания — X и Y, что позволило создать протеин с помощью шестибуквенного алфавита. За 4 года исследований на основе бактерии E. coli удалось вывести жизнеспособный полуискусственный организм (если природные организмы способны кодировать 20 аминокислот, то с помощью шести букв модифицированная бактерия может кодировать 152 аминокислоты). Такие микроорганизмы можно использовать для производства новых белков и ферментов, а в более отдаленной перспективе они могут влиять на методы диагностики и лечения болезней человека.

...

Влияние на общество, экономику, государство

Можно сделать вывод о том, что влияние молекулярной биологии уже достаточно велико и будет только возрастать со временем. Именно она может стать ключом к бессмертию человека, изменить пищу, которую мы употребляем, очистить и регенерировать землю как почву, и Землю как планету. В то же время молекулярная биология может стать и грозным оружием, создавая новые организмы, а не только их части. Представьте, что вместо знакомого коронавируса вируса COVID-19 человечество сталкивается с искусственным вирусом, который создан с использованием дополнительных «букв» — в этом случае человеческий организм был бы обречен.

Если последнее предложение вас достаточно испугало, то посмотрим на те возможности, которые дает молекулярная биология обществу и человеку. Кроме уже упомянутого потенциально достижимого бессмертия, именно молекулярная биология в связке с генетикой позволить уменьшить детскую смертность от врожденных пороков, да и справиться с очисткой клеток стареющего организма от молекулярного мусора тоже может помочь.

Молекулярная биология станет основой персонализированной медицины, которая будет учитывать все нюансы вашего организма на молекулярном уровне для максимально эффективного лечения. Увеличение же продолжительности жизни человека, в свою очередь, может вызвать абсолютно противоположные тенденции в обществе: рост экономики благодаря тому, что человечество будет жить дольше и потреблять больше, или упадок экономики из-за истощения ресурсов (хотя во втором случае на помощь может прийти все та же молекулярная биология, создавая искусственные или полуискусственные ресурсы).

...

Биотехнология

Общие тенденции развития технологий

Биотехнология — это междисциплинарная отрасль, которая возникла на пересечении биологии, химии и технических наук. Она позволяет использовать живые организмы и биологические процессы в производстве. При этом именно с биотехнологиями связывают решение глобальных проблем человечества, таких как голод, улучшение состояния здравоохранения, ликвидацию недостатка минеральных ресурсов и тому подобное.

Биотехнология применяет достижения генетики, биохимии, микробиологии и химической технологии для совершенствования технологических процессов с использованием свойств микроорганизмов и клеточных культур. В биотехнологии также интенсивно используют методы рекомбинантных ДНК, с помощью, которых были получены генетически модифицированные растения и трансгенные животные, обладающие новыми полезными для человека свойствами. Такие рекомбинантные структуры используются в медицине в методах генной терапии, диагностике и создании рекомбинантных вакцин.

Если же говорить о приоритетных направлениях исследований в биотехнологии, то можно выделить несколько: использование вирусов при создании новых биотехнологий, изучение физико-химических и биохимических основ в биотехнологических процессах, разработка новых биотехнологий с помощью методов молекулярной биологии, генетической и клеточной инженерии.

При этом биотехнология не является достоянием современного общества. С древнейших времен биотехнологические процессы использовались при производстве хлеба, приготовлении кисломолочных продуктов, виноделии, для процессов брожения с помощью микроорганизмов (производство сыров и пива). С открытием Луи Пастером в 19-м веке микробиологической сущности брожения и многих болезней животных и человека, все эти процессы получили научную основу, а мы с полным правом с того момента можем говорить о развитии биотехнологии как науки.

Биотехнологии помогают окружающей среде, поскольку способствуют снижению использования химических удобрений, гербицидов и пестицидов в сельском хозяйстве, что ведет к уменьшению риска загрязнения почв и грунтовых вод. Кроме того, борьба с голодом может иметь победную тенденцию из-за роста урожайности и селекции культур, устойчивых к засухе и болезням.

Еще одной сферой, где использование биотехнологий может дать огромный эффект, является медицина. Уже сейчас биотехнология дала методы борьбы с кардиологическими болезнями, склерозом, гемофилией, гепатитом и СПИДом. Последние разработки в этой области позволяют создавать привычные продукты питания, которые будут одновременно и лекарственными средствами.

Отдельно стоит упомянуть о бионанотехнологии, которая используют живые организмы в нанотехнологиях, что позволяет создавать молекулярные моторы, технологию манипуляции с отдельными молекулами и тому подобное.

...

Влияние на общество, экономику, государство

Биотехнология является основой научно-технического прогресса и повышения качества жизни человека. Сегодня принято распределять биотехнологию по цветам в соответствии с объектами деятельности:

• «Белая» (промышленная) биотехнология ориентирована на производство продуктов, которые ранее производила химическая промышленность (спирты, витамины, аминокислоты и т.д.).

• «Зеленая» влияет на все, что касается сельского хозяйства — методы и препараты борьбы с вредителями и возбудителями болезней у растений и домашних животных, создание био-удобрений, повышения урожайности растений, в том числе и с использованием методов генетической инженерии.

• «Красная» (медицинская) биотехнология направлена ​​на исследование и создание лекарственных препаратов с использованием технологий клеточной и генной инженерии.

• «Серая» биотехнология разрабатывает технологии и препараты для защиты окружающей среды, например, рекультивации грунтов, очистки воды и воздуха, утилизации промышленных отходов и тому подобное.

• «Синяя» же ориентирована на эффективное использования ресурсов Мирового океана, прежде всего, использование морской биоты для получения пищевых, технических, биологически активных и лекарственных веществ.

Биотехнологии за счет своей междисциплинарной природы становятся технологическим мейнстримом 21 века, сочетая в себе:

• информационные технологии, нанотехнологии (комплекс научных и инженерных дисциплин, исследующих процессы, происходящие в атомном и молекулярном масштабе, предполагают манипуляции с материалами и устройствами настолько маленькими, что ничего меньшего быть не может— Startup Jedi),

• когнитивные технологии (информационные технологии, описывающие основные мыслительные процессы человека, являются одним из наиболее «интеллектуальных» разделов теории искусственного интеллекта — Startup Jedi)

• и социогуманные технологии (направленные на реализацию целей человеческого развития (жизнь, здоровье, уровень и продолжительность жизни, психологический комфорт, степень нравственного духовного восхождения, достоинство, гражданские права и свободы человека) для всего населения — Startup Jedi).

При этом именно за счет научных успехов в области биотехнологий могут открыться новые перспективы в достижении человеком бессмертия. Само общество делает огромные прорывы в трансплантологии, крионике и нанотехнологиях. Надежды имморталистов (последователи иммортализма (от латинского immortalis — бессмертие) — доктрины, провозглашающей основной ценностью человеческую жизнь и ставящей своей целью продление жизни людей и достижение, в конечном счете, неограниченного долголетия — Startup Jedi) возлагаются на развитие нанотехнологий, позволяющих манипулировать веществом на наименьшем уровне. Основным направлением разработки является создание «молекулярного робота» — приспособления, которое позволит проводить «молекулярную хирургию», то есть восстанавливать поврежденные молекулярные и клеточные структуры организма, что считается основной причиной старения. Прогнозируется, что полная ликвидация старения и даже омоложения организма станет возможно уже в середине 21 века.

Наконец отметим, что согласно прогнозам ОЭСР (Организация экономического сотрудничества и развития) до 2030 года за счет биотехнологии будет создаваться до 3% ВВП развитых стран.