Развитие молекулярных биотехнологий и проблемы биотехнологии

В исследованиях по биотехнологии разрабатываются методы изучения генома, идентификации генов и способы переноса генетического материала. Одно из главных направлений биотехнологии - генетическая инженерия. Генно-инженерными методами создаются микроорганизмы - продуценты биологически активных веществ, необходимых человеку. Выведены штаммы микроорганизмов, продуцирующих незаменимые аминокислоты, которые необходимы для оптимизации питания сельскохозяйственных животных.

Решается задача по созданию штамма - продуцента гормона роста животных, прежде всего крупного рогатого скота. Применение такого гормона в скотоводстве позволяет увеличить скорость роста молодняка на 10-15%, а удой коров до 40% при его ежедневном введении (или через 2-3 дня) в дозе 44 мг, не изменяя при этом состава молока. В США в результате применения этого гормона предполагается получать около 52% всего прироста продуктивности и довести удой в среднем до 9200 кг. Проводятся работы и по введению гена гормона роста крупному рогатому скоту (Эрнст, 1989, 2004).

Известна огромная роль симбиоза высших животных с микроорганизмами в желудочно-кишечном тракте. Приступают к разработке подходов к контролю и управлению экосистемой рубца жвачных животных путем использования генетически измененной микрофлоры. Таким образом определяется один из путей, который подводит к оптимизации и стабилизации питания, ликвидации дефицита в ряде незаменимых факторов питания сельскохозяйственных животных. Это в конечном итоге будет способствовать реализации генетического потенциала животных по признакам продуктивности.

Особый интерес представляет создание форм симбионтов - продуцентов незаменимых аминокислот и целлюлозолитических микроорганизмов с повышенной активностью.

Одним из направлений биотехнологии может стать использование сельскохозяйственных животных, измененных путем генно-инженерных манипуляций, в качестве живых объектов по производству ценнейших биологических препаратов.

Весьма перспективна задача введения в геном животных генов, отвечающих за синтез определенных веществ (гормоны, ферменты, антитела и др.) с тем, чтобы насыщать ими путем биосинтеза продукты животноводства. Наиболее подходит для этого молочный скот, который способен синтезировать и выводить из организма с молоком огромное количество синтезированных продуктов.

Молекулярная биотехнология позволяет человеку достичь успехов в самых разных направлениях:

1. Точно диагностировать, профилактировать и лечить многие инфекционные и генетические заболевания.

2. Увеличить урожайность сельскохозяйственных культур путем создания сортов растений, устойчивых к вредителям, грибковым и вирусным инфекциям и вредным воздействиям факторов окружающей среды.

3. Создать микроорганизмы, продуцирующие различные химические соединения, антибиотики, полимеры, ферменты.

4. Вывести высокопродуктивные породы животных, устойчивые к болезням с наследственной предрасположенностью, с низким генетическим грузом.

5. Перерабатывать отходы, загрязняющие окружающую среду.

В то же время специалисты обращают внимание на ряд проблем и вопросов, которые необходимо решить:

1. Будут ли организмы, полученные методами генной инженерии, оказывать вредное воздействие на человека и другие живые организмы и окружающую среду?

2. Приведет ли создание и широкое использование модифицированных организмов к уменьшению генетического разнообразия?

3. Имеем ли мы право изменять генетическую природу человека, используя генно-инженерные методы?

4. Следует ли патентовать животных, полученных генноинженерными методами?

5. Не нанесет ли использование молекулярной биотехнологии ущерб традиционному сельскому хозяйству?

6. Не приведет ли стремление к максимальной прибыли к тому, что преимуществами молекулярной технологии буду пользоваться только состоятельные люди?

7. Будут ли нарушены права человека на неприкосновенность частной жизни при использовании новых диагностических методов?

Эти и другие проблемы возникают при широком использовании результатов биотехнологии. Тем не менее, оптимизм в среде ученых и населения постоянно растет, поэтому еще в отчете Отдела по оценкам новых технологий США за 2009 г. сказано: «Молекулярная биотехнология ознаменовала собой еще одну революцию в науке, которая могла бы изменить жизнь и будущее ... людей так же радикально, как это сделала промышленная революция два века назад и компьютерная революция в наши дни. Возможность целенаправленного манипулирования генетическим материалом…обещает великие перемены в нашей жизни»

1.3 Особенности развития молекулярных биотехнологий в России, странах ЕС, США и Японии

Лидирующее положение в биотехнологии по промышленному производству биотехнологических продуктов, объемам продаж, внешнеторговому обороту, ассигнованиям и масштабам НИОКР занимают США, где

уделяется огромное внимание развитию данного направления. В этом секторе к 2003 г. было занято свыше 198 300 человек. Ассигнования в этот сектор науки и экономики в США значительны и составляют свыше 20 млрд дол. Доходы биотехнологической индустрии США выросли с 8 млрд дол. в 1992 г. до 39 млрд дол. в 2003 г. Эта отрасль находится под пристальным вниманием государства. Так, в период становления новейшей биотехнологии и возникновения ее направлений, связанных с манипулированием генетическим материалом, в середине 70-х гг. прошлого столетия конгресс США уделял большое внимание вопросам безопасности генетических исследований.

Среди биотехнологических направлений, близких к практической реализации или находящихся на стадии промышленного освоения, следующие:

- биоконверсия солнечной энергии;

- применение микроорганизмов для повышения выхода нефти и выщелачивания цветных и редких металлов;

- конструирование штаммов, способных заменить дорогостоящие не-органические катализаторы и изменить условия синтеза для получения принципиально новых соединений;

- применение бактериальных стимуляторов роста растений, изменение генотипа злаковых и их приспособление к созреванию в экстремальных условиях (без вспашки, полива и удобрений);

- направленный биосинтез эффективного получения целевых продуктов (аминокислот, ферментов, витаминов, антибиотиков, пищевых добавок, фармакологических препаратов;

- получение новых диагностических и лечебных препаратов на основе методов клеточной и генетической инженерии.

Роль лидера США обусловлена высокими ассигнованиями государства и частного капитала на фундаментальные и прикладные исследования. При этом крупные промышленные компании устанавливают деловые отношения с университетами и научными центрами. Это способствует формированию комплексов в той или иной сфере, начиная от фундаментальных исследований до серийного выпуска продукта и поставки на рынок. Такая «система участия» предусматривает формирование специализированных фондов с соответствующими экспертными советами и привлечение наиболее квалифицированных кадров.

Опыт нововведений и коммерческий успех Японии в области биотехнологии интересны и весьма поучительны. Как известно, в конце 70 начале 80-х гг. Япония была вынуждена пересмотреть свою научно- техническую стратегию. При сохранении важной роли импортера биотехноогической промышленности резко возросли расходы на научные исследования и опытно-конструкторские разработки.

На сегодняшний день в Японии на государственном уровне поощряется развитие новых технологий. У отдельных зарубежных фирм и компаний государство закупает лицензии и патенты и на льготных условиях предлагает их внедрять японским компаниям. Так, при освоении и выпуске новых препаратов фирмам предоставляются налоговые льготы в размере 25 %, по некоторым - до 50 %.

Компаниям, наладившим производство особо важных продуктов, в первый год выпуска разрешается повышать прямые амортизационные отчисления в размере до 25 % от общего объема продаж.

Под особым контролем находятся следующие направления развития биотехнологии:

- методы рекомбинантных ДНК, крупномасштабное производство культур клеток и тканей, биореакторы, биоэлектроника (биочипы);

- разработка технологий и производство продуктов специального назначения с применением биоты моря;

- обработка и очистка воды с применением биотехнологии;

- технологическая биоэнергетика (производство топливного спирта, биологическое использование солнечной энергии);

- изучение функций головного мозга с целью применения результатов в электронике и других отраслях промышленности.

Следует отметить, что собственное производство продуктов биотехнологии в Японии, выступает как новая динамичная отрасль, стимулирует процесс структурной перестройки экономики страны в целом. При этом крупные корпорации и компании, не связанные ранее с биотехнологией, переориентируют свои производства в эту сторону.

В ближайшее время биотехнология Японии будет ориентирована на изучение, создание и расширение технологий на основе рекомбинантных

ДНК с целью получения противоопухолевых и противовирусных диагности-кумов и препаратов. Достижения инженерной энзимологии нацелены на создание биодатчиков для электроники. Приоритетная цель - получение генноинженерных микробных штаммов, способных не только продуцировать ферменты, гидроксилдирующие оргсоединения для получения целевых продуктов, но и разлагающие токсические соединения.

В системе национальных приоритетов также обозначены:

- получение новых материалов

- утилизация целлюлозосодержащих отходов для получения энергии;

- создание систем оборотного водоснабжения, очистки стоков и извлечения из них полезных компонентов;

- создание трансгенных растений с генетическими системами азотфиксации, уничтожения возбудителей заболеваний и вредителей, засухо- и соленоустойчивости.

Биотехнология является приоритетом стратегической политики в странах ЕС. Первоочередной для стран Европы является принятая долгосрочная стратегия реализации проектов с высокой коммерческой оку-паемостью.

Германия, наряду с США и Японией, входит в тройку мировых лидеров в области биотехнологии. Основным проводником политики стимулирования биотехнологии в Германии является Министерство научных исследований и технологий, которое контролирует самые крупные проекты, а также определяет выбор приоритетных направлений в биотехнологии.

Приоритеты в области биотехнологии формируются в соответствии с национальной научно-технической политикой правительства. Среди них можно отметить следующие:

- расширение и повышение эффективности нетрадиционных пищевых и кормовых добавок;

- производство биоинсектицидов;

- медицинские препараты на основе клеточных культур растений.

Франция также рассматривает биотехнологию как одно из наиболее привилегированных направлений научно-технического прогресса.

В исследованиях по биотехнологии во Франции главенствуют научные центры больших компаний, связанные с университетскими лабораториями.

Это фирма Eif Aquitaine, 67 % ее акций принадлежит государственным организациям; национализированные компании Rhone Poulens и Roussel Uclaf, 40 % акций которых принадлежат госсектору. Для усиления роли биотехнологии французские фирмы уделяют большое внимание кооперационным связям с иностранными партнерами в научно-технической и производственной сферах. Это совместные патентно-лицензионные соглашения, совместный сбыт продукции, приобретение контрольных пакетов акций иностранных партнеров. Так, Институт Пастера совместно с компанией Genetic Systems (США) учредили совместную организацию для производства и продажи разработанного во Франции диагностикума вируса СПИД.

В настоящее время Великобритания, выделяя финансирование на развити биотехнологии, выполняет роль катализатора, предоставляя частному бизнесу определять и направления, и объемы перспективных вложений. Гос-сектор при этом переходит на контрактные формы отношений с частной промышленностью. Таким образом, делая определенные заказы на НИОКР фирмам, государство не ориентирует свои исследовательские центры на выполнение заказов промышленных компаний.

Эти формы разделения труда в сфере НИОКР государство стимулирует и осуществляет проведение фундаментальных и прикладных исследований, а сопутствующие разработки проводятся фирмами. На мировом рынке фармацевтические препараты Великобритании отличаются высокой конкурентоспособностью.

В Австрии биотехнология считается одной из отраслей, на которую возлагаются надежды развития экономики. С точки зрения национального развития Вена обладает самым высоким международным потенциалом. Австрийские предприятия делают основную ставку, прежде всего, на «красную» биотехнологию, т.е. на развитие и выпуск медицинских препаратов.

Среди крупных производителей биотехнологической продукции - Лайф Сайенс Аустриа (LISA), Регион Вены, Аустриан Биотех Индастри, Центр биологии в Иннсбруке, Институт молекулярной биотехнологии (IMBA), Институт. молекулярной биологии растений (GMI) им. Грегора Менделя, Центр инноваций и технологий ГмбХ (ZIT) и др. К самым крупным предприятиям в области биотехнологий в Австрии относятся компания «Бакстер», «Амген» и «Новартис».

Среди биотехнологических приоритетов Австрии обозначены:

- разработка препаратов для фармацевтической промышленности;

- создание продуктов питания, безопасных консервантов и усилителей вкуса;

- разработка биотехнологических способов очистки стоков, отходов, газовых выбросов;

- создание экологически чистых полимерные материалы;

- биоинженерное оформление исследований и производств;

- развитие, сбыт и консультирование в области биотехнологических приборов и оборудования.

К сожалению, приходится констатировать, что пока биотехнологический потенциал России выглядит весьма скромно. Объем продаж на рынке биотехнологической продукции в России в целом не превышает 1 млрд дол. США/год, в то время как на мировом рынке он приближается к 100 млрд. Для сравнения, рынок Китая и Индии, который начал стремительно развиваться только в самые последние годы, уже достиг 3,8 млрд дол.

Рынок биотехнологической продукции России представлен в настоящее время следующими направлениями:

- фармацевтические препараты,

- ферменты и ферментные препараты,

- живые культуры микроорганизмов,

- дрожжи,

- биопрепараты для добывающих отраслей промышленности,

- препараты для сельского хозяйства,

- препараты для защиты окружающей среды.

Следует подчеркнуть, что современная биотехнология для реализации своего потенциала требует значительных материальных и людских затрат.

В России в последние 10 лет только 0,3-0,5 % от ВВП. По данным журнала «В мире науки», на биотехнологию Россия тратит в год 40 млн дол., а США - 100 млрд дол. Доля России в мировом производств биотехнологической промышленности составляла в 1980 г. 5 %, а в России в 2000 г. - 0,17 % (в абсолютном выражении объемы продаж упали с 1,5 до 0,4 млрд дол.).

Осознание необходимости развития отечественной биотехнологии и понимание, что без этого невозможен дальнейший научно-технической прогресс страны, приводят к тому, что на уровне лиц, принимающих решения, начинают предприниматься усилия в этом направлении. Свидетельство тому - специальные слушания в Государственной думе РФ, а также проект «Развитие биотехнологии в Российской Федерации в 2008-2020 гг., рассмотренный в преддверии открытия IX Съезда Всероссийской политической партии «Единая Россия» в рамках Общественного Форума «Стратегия 2020», обсудивший основные направления развития России до 2020 г., а также серия научных и научно-практических конференций, прошедших под патронажем правительства РФ и правительства Москвы в области биотехнологии. Так, в октябре 2004 г. в Москве состоялась Вторая Международная конференция «Биотехнология и бизнес» (очередная прошла также в Москве в мае 2009 г.), в которой участвовали представители двухсот компаний, в том числе производителей биотехнологической продукции и венчурных фондов. Организация конференции проходила под патронатом Минпромнауки и технологий РФ при участии Минсельхоза, Минздрава и Минэкономразвития, среди перспективных направлений в биотехнологии были обозначены:

- создание трансгенных сельскохозяйственных растений с измененным генотипом;

- применение микроорганизмов для повышения выхода нефти и выщелачивания цветных и редкоземельных металлов;

- конструирование бактериальных штаммов, способных заменить дорогостоящие неорганические катализаторы и изменить условия биосинтеза для получения принципиально новых соединений;

- применение бактериальных стимуляторов роста растений;

- направленный биосинтез новых биологически активных веществ (БАВ) - аминокислот, ферментов, витаминов, антибиотиков, различных пищевых добавок и других продуктов;

- изменение фотосинтезирующих характеристик растений;

- создание трансгенных растений и животных с целенаправленными признаками и свойствами;

- практическое использование генетических конструкций, созданных в лабораториях;

- культивирование клеток растений и животных;

- гибридизация клеток;

- энзимология и клеточная биология, необходимые для создания возможности получения в промышленных условиях иммобилизованных ферментных и клеточных систем.

На конференции было отмечено, что, несмотря на малую долю биотехнологических препаратов РФ в мировом объеме, уровень отечественных специалистов в области биотехнологий весьма высок и западные биотехнологические гиганты активно пользуются услугами российских лабораторий и отдельных специалистов. Так, около 40 % всего мирового офшорного (т.е. производящегося за пределами страны, в которой расположена компания заказчик) синтеза белков и других веществ с помощью биотехнологий осуществляется в России.

В настоящее время в области («красной») медицинской биотехнологии в РФ функционируют два сегмента: традиционные препараты и продукты и современные.

Традиционные продукты - это антибиотики, ферменты, стероиды, витамины, вакцины и др. В этой области работают около 50 отечественных предприятий, однако в научном плане традиционная медицинская биотехнология обеспечена весьма слабо. Современная (или новейшая) медицинская биотехнология, производящая интерфероны, интерлейкины, колонистимулирующие факторы, моноклональные антитела, генно-инженерный инсулин, набирает мощь. В 2000 г. было выведено на общемировой рынок около 42 новых активных субстанций, и доля биотехнологических препаратов составляла в нем более 35 %. В 2001 г. всего было выведено на рынок 52 биотехнологических препарата. Доля препаратов современной биотехнологии составляет сегодня около 10 % от общей медицинской биотехнологии России. Это при том, что объемы финансирования биотехнологической отрасли в России в сопоставлении с США и странами ЕС мизерны.

1.4 Проблемы биотехнологий в России