Новий випуск журналу «Наука з перших рук» вийшов «слідами» всеросійської конференції з міжнародною участю «Біотехнологія - медицина майбутнього», що відбулася в новосибірському Академмістечку в липні 2017 р. Серед організаторів наукового форуму - Інститут хімічної біології та фундаментальної медицини та Інститут цит генетики СО РАН, а також Новосибірський національний дослідницький державний університет, де біомедичні дослідження ведуться в рамках стратегічної академічної одиниці «Синтетична біологія», що об'єднує ряд російських та зарубіжних учасників, насамперед інститути СО РАН біологічного профілю. У першій, вступній статті випуску її автори дають огляд найактуальніших напрямів та перспективних результатів досліджень, пов'язаних із розробкою та впровадженням у практичну медицину нових генно-інженерних, клітинних, тканинних, імунобіологічних та цифрових технологій, частина з яких детально представлена в інших статтях номера.
|
Валентин Вікторович Власов- академік РАН, науковий керівник Інституту хімічної біології та фундаментальної медицини СО РАН (ІХБФМ СО РАН, Новосибірськ), завідувач кафедри молекулярної біології та біотехнології Новосибірського державного університету. Лауреат Державної премії РФ (1999). Автор та співавтор понад 520 наукових праць та 30 патентів. |
|
Дмитро Володимирович Пишний- Член-кореспондент РАН, доктор хімічних наук, директор та завідувач лабораторії біомедичної хімії ІХБФМ СО РАН (Новосибірськ). Автор та співавтор понад 160 наукових праць та 15 патентів. |
|
Павло Євгенович Воробйов– кандидат хімічних наук, науковий співробітник лабораторії біомедичної хімії ІХБФМ СО РАН (Новосибірськ), доцент кафедри молекулярної біології та біотехнології Новосибірського державного університету. Автор та співавтор 25 наукових праць. |
Стрімкий розвиток біологічної науки, зумовлений появою високопродуктивних приладів та створенням методів маніпулювання інформаційними біополімерами та клітинами, підготував фундамент для розвитку медицини майбутнього. В результаті досліджень останніх років були розроблені ефективні діагностичні методи, з'явилися можливості для раціонального конструювання противірусних, протибактеріальних та протипухлинних препаратів, засобів генотерапії та геномного редагування. Сучасні біомедичні технології все більшою мірою починають впливати на економіку та визначати якість життя людей.
На цей час детально досліджено будову та функції основних біологічних молекул та розроблено методи синтезу білків та нуклеїнових кислот. Ці біополімери за своєю природою є «інтелектуальними» матеріалами, оскільки здатні високоспецифічно «пізнавати» і впливати на певні біологічні мішені. Шляхом спрямованого програмування таких макромолекул можна створювати рецепторні молекулярні конструкції для аналітичних систем, а також лікарські препарати, вибірково впливають на конкретні генетичні програми або білки.
«Інтелектуальні препарати», створені методами синтетичної біології, відкривають можливості для таргетної(цілеспрямованої) терапії аутоімунних, онкологічних, спадкових та інфекційних захворювань. Це дає підстави говорити про впровадження у медичну практику підходів персоналізованої медицини, орієнтованої лікування конкретної людини.
За допомогою сучасних медичних технологій і фармпрепаратів сьогодні вдається виліковувати багато хвороб, які мали величезну медичну проблему. Але з розвитком практичної медицини і зростанням тривалості життя все більш актуальним стає завдання охорони здоров'я в прямому значенні цього слова: не просто боротися з хворобами, але підтримувати здоров'я, щоб людина могла вести активний спосіб життя і залишатися повноцінним членом суспільства до глибокої старості.
Таке завдання можна вирішити, забезпечивши постійний ефективний контроль за станом організму, який дозволив би уникати дії несприятливих факторів та запобігати розвитку захворювання, виявляючи патологічний процес на ранньому етапі, та ліквідувати саму причину виникнення хвороби.
У цьому сенсі основне завдання медицини майбутнього можна сформулювати як управління здоров'ям. Зробити це цілком реально, якщо мати повну інформацію про спадковість людини та забезпечити моніторинг ключових показників стану організму.
«Розумна» діагностика
Для управління здоров'ям необхідно мати ефективні та прості малоінвазивні методи ранньої діагностики захворювань та визначення індивідуальної чутливості до терапевтичних препаратів, а також факторів зовнішнього середовища. Наприклад, мають бути вирішені (і вже вирішуються) такі завдання, як створення систем для генної діагностики та виявлення збудників інфекційних захворювань людини, розробка методів кількісного визначення білків та нуклеїнових кислот – маркерів захворювань.
Окремо варто виділити створення методів ранньої неінвазивної діагностики. рідинна біопсія) пухлинних захворювань, заснованих на аналізі позаклітинної ДНК та РНК. Джерелом таких нуклеїнових кислот є як загиблі, так і живі клітини. У нормі їхня концентрація відносно низька, але зазвичай зростає при стресі та розвитку патологічних процесів. При виникненні злоякісної пухлини в кровотік потрапляють нуклеїнові кислоти, що виділяються раковими клітинами, і такі характерні циркулюючі РНК та ДНК можуть бути маркерами захворювання.
Будьмо здорові!
Сучасні методи геномного секвенування широко впроваджуються в медицину, і найближчим часом усі пацієнти матимуть генетичні паспорти. Відомості про спадкові особливості пацієнта – основа прогностичної персоналізованої медицини. Попереджений, як відомо, озброєний. Людина, обізнана про можливі ризики, може організувати своє життя таким чином, щоб не допустити розвитку захворювання. Це стосується і способу життя, і вибору продуктів харчування та терапевтичних препаратів.
За умови постійного відстеження набору маркерів, що сигналізують про відхилення в роботі організму, можна вчасно провести корекцію. Вже зараз існує безліч методів моніторингу стану організму: наприклад, за допомогою датчиків, що стежать за роботою серцево-судинної системи та якістю сну або пристроїв, що аналізують газоподібні продукти в повітрі, що видихається людиною. Величезні можливості відкриваються у зв'язку з розвитком малоінвазивних технологій рідинної біопсії та технологій аналізу білків та пептидів, що циркулюють у кровотоку. На ранніх стадіях хвороби коригувати стан організму у багатьох випадках можна «м'якими» методами: змінюючи характер харчування, використовуючи додаткові мікроелементи, вітаміни та пробіотики. Останнім часом особлива увага приділяється можливостям коригування відхилень у складі кишкової мікрофлори людини, які асоційовані з недостатнім розвитком патологічних станів.
Наразі на основі подібних маркерів розробляються підходи до ранньої діагностики раку, методи прогнозування ризику його розвитку, а також оцінки ступеня тяжкості перебігу хвороби та ефективності терапії. Наприклад, в Інституті хімічної біології та фундаментальної медицини СО РАН було показано, що при раку передміхурової залози підвищується ступінь метилюванняпевних ділянок ДНК Було розроблено метод, що дозволяє виділити із зразків крові циркулюючу ДНК та проаналізувати характер її метилювання. Цей спосіб може стати основою точної неінвазивної діагностики раку простати, якої на сьогоднішній день не існує.
Важливим джерелом інформації про стан здоров'я можуть бути так звані некодуючі РНКт. е. ті РНК, які є матрицею для синтезу білків. За останні роки було встановлено, що в клітинах утворюється безліч різних некодуючих РНК, що беруть участь у регуляції різних процесів на рівні клітин і цілого організму. Вивчення спектру мікроРНК і довгих РНК, що не кодують, при різних станах відкриває широкі можливості для швидкої та ефективної діагностики. В Інституті молекулярної та клітинної біології СО РАН (ІМКБ СО РАН, Новосибірськ) та ІХБФМ СО РАН ідентифіковано ряд мікроРНК – перспективних маркерів пухлинних захворювань.
За допомогою сучасних технологій секвенування РНК та ДНК може бути створена платформа для діагностики та прогнозу онкологічних захворювань людини на основі аналізу вмісту мікроРНК та генотипування, тобто встановлення конкретних генетичних варіантів того чи іншого гена, а також для визначення профілів експресії(Активності) генів. Такий підхід передбачає можливість швидкого та одночасного проведення безлічі аналізів за допомогою сучасних пристроїв. біологічних мікрочіпів.
Біочипи є мініатюрними приладами для паралельного аналізу специфічних біологічних макромолекул. Ідея створення таких пристроїв народилася в Інституті молекулярної біології ім. В. А. Енгельгардта Російської академії наук (Москва) ще наприкінці 1980-х років. За короткий час біочіпові технології виділилися в самостійну область аналізу з величезним спектром практичних додатків від дослідження фундаментальних проблем молекулярної біології та молекулярної еволюції до виявлення лікарсько стійких штамів бактерій.
Сьогодні в ІМБ РАН виробляються та використовуються у медичній практиці оригінальні тест-системи для ідентифікації збудників низки соціально значущих інфекцій, у тому числі таких як туберкульоз, з одночасним виявленням їхньої резистентності до антимікробних препаратів; тест-системи для оцінки індивідуальної переносимості препаратів групи цитостатиків та багато іншого.
Розвиток біоаналітичних діагностичних методів потребує постійного підвищення чутливості- здатності давати достовірний сигнал при реєстрації малих кількостей речовини, що детектується. Біосенсори- це нове покоління пристроїв, що дозволяють специфічно аналізувати вміст різних маркерів захворювань на зразках складного складу, що особливо важливо при діагностиці захворювань.
ІХБФМ СО РАН у співпраці з новосибірським Інститутом фізики напівпровідників СО РАН розробляє мікробіосенсори на основі польових транзисторівє одними з найчутливіших аналітичних пристроїв. Такий біосенсор дозволяє в реальному часі відстежувати взаємодію біомолекул. Його складовою є одна з таких взаємодіючих молекул, яка відіграє роль молекулярного зонда. Зонд захоплює з аналізованого розчину молекулярну мету, за наявністю якої можна будувати висновки про конкретні показники здоров'я пацієнта.
«Комплементарні» ліки
Розшифровка геномів людини та збудників різних інфекцій відкрила дорогу для розробки радикальних підходів до терапії хвороб шляхом спрямованого впливу на їхню першопричину – генетичні програми, відповідальні за розвиток патологічних процесів. Глибоке розуміння механізму виникнення захворювання, до якого залучені нуклеїнові кислоти, дає можливість сформулювати терапевтичні нуклеїнові кислоти, що заповнюють втрачену функцію або блокують патологію, що виникла.
Така дія може бути здійснена за допомогою фрагментів нуклеїнових кислот - синтетичних. олігонуклеотидів, здатних вибірково взаємодіяти з певними нуклеотидними послідовностями у складі генів-мішеней за принципом комплементарності. Сама ідея використовувати олігонуклеотиди для спрямованого на гени була вперше висунута в лабораторії природних полімерів (згодом - відділ біохімії) Новосибірського інституту біоорганічної хімії СО РАН (нині - Інститут хімічної біології та фундаментальної медицини СО РАН). У Новосибірську були створені перші препарати ген-спрямованої діїдля виборчої інактивації вірусних та деяких клітинних РНК.
Подібні ген-спрямовані терапевтичні препарати сьогодні активно розробляються на основі нуклеїнових кислот, їх аналогів та кон'югатів (антисмислових олігонуклеотидів, що інтерферують РНК, аптамерів, систем геномного редагування). Дослідження останніх років показали, що на основі антисмислових олігонуклеотидівможна отримати широкий спектр біологічно активних речовин, що діють на різні генетичні структури та запускають процеси, що призводять до тимчасового «вимкнення» генів або зміни генетичних програм - появі мутацій. Було доведено, що за допомогою подібних сполук можна придушити функціонування певних матричних РНКживої клітини, впливаючи на синтез білків, а також захистити клітини від вірусної інфекції.
Сьогодні антисмислові олігонуклеотиди та РНК, що пригнічують функції мРНК та вірусних РНК, застосовуються не тільки в біологічних дослідженнях. Ведуться випробування низки противірусних та протизапальних препаратів, створених на основі штучних аналогів олігонуклеотидів, а деякі з них уже починають впроваджуватись у клінічну практику.
Лабораторію біомедичної хімії ІХБФМ СО РАН, що працює в цьому напрямку, було створено у 2013 р. завдяки науковому мегагранту Уряду РФ. Її організатором став професор Єльського університету Нобелівський лауреат С. Альтман. У лабораторії ведуться дослідження фізико-хімічних та біологічних властивостей нових перспективних штучних олігонуклеотидів, на основі яких розробляються РНК-спрямовані протибактеріальні та противірусні препарати.
У рамках проекту, керованого С. Альтманом, було виконано масштабне систематичне дослідження впливу різних штучних аналогів олігонуклеотидів на патогенні мікроорганізми: синьогнійну паличку, сальмонеллу, золотистий стафілокок, а також вірус грипу. Були визначені гени-мішені, впливом на які можна найефективніше придушити ці патогени; проводиться оцінка технологічних і терапевтичних характеристик діючих аналогів олігонуклеотидів, у тому числі виявляють антибактеріальну та противірусну активність.
В ІХБФМ СО РАН вперше у світі було синтезовано фосфорилгуанідиновіпохідні олігонуклеотидів. Ці нові сполуки є електронейтральними, стійкими в біологічних середовищах і міцно зв'язуються з РНК- і ДНК-мішенями в широкому діапазоні умов. Завдяки спектру унікальних властивостей вони перспективні для застосування як терапевтичні агенти, а також можуть бути використані для підвищення ефективності засобів діагностики, заснованих на біочіпових технологіях.
«Антисмислова» дія на матричні РНК не обмежується простим блокуванням сплайсинг(процесу «дозрівання» РНК) чи синтезу білка. Більш ефективним є ферментативне розрізання мРНК, спровоковане зв'язуванням терапевтичного олігонуклеотиду з мішенню. При цьому олігонуклеотид – індуктор розщеплення – може надалі зв'язатися з іншою молекулою РНК та повторити свою дію. В ІХБФМ СО РАН досліджували дію олігонуклеотидів, що утворюють при зв'язуванні з мРНК комплекси, які можуть служити субстратами ферменту РНКази Р. Цей фермент і сам є РНК з каталітичними властивостями ( рибозим).
Надзвичайно потужним засобом придушення активності генів виявилися не тільки антисмислові нуклеотиди, а й дволанцюгові РНК, що діють за механізмом РНК-інтерференції. Суть цього явища в тому, що, потрапляючи до клітини, довгі дцРНК розрізаються на короткі фрагменти (так звані малі інтерферуючі РНК, siPНК), комплементарні певній ділянці матричної РНК. Зв'язуючись з такою мРНК, siPНК запускають дію ферментативного механізму, що руйнує молекулу-мішень.
Використання цього механізму відкриває нові можливості для створення широкого спектру високоефективних нетоксичних препаратів для придушення експресії практично будь-яких генів, зокрема вірусних. В ІХБФМ СО РАН на основі малих РНК, що інтерферують, сконструйовані перспективні протипухлинні препарати, що показали хороші результати в експериментах на тваринах. Одна з цікавих знахідок – дволанцюгові РНК оригінальної будови, що стимулюють в організмі виробництво. інтерферону, що ефективно пригнічують процес метастазування пухлин. Хороше проникнення препарату в клітини забезпечують носії – нові катіонні. ліпосоми(ліпідні бульбашки), розроблені спільно з фахівцями Московського державного університету тонких хімічних технологій імені М. В. Ломоносова.
Нові ролі нуклеїнових кислот
Розробка методу полімеразної ланцюгової реакції, що дозволяє в необмежених кількостях розмножувати нуклеїнові кислоти - ДНК і РНК, і поява технологій молекулярної селекції нуклеїнових кислот уможливили створення штучних РНК і ДНК із заданими властивостями. Молекули нуклеїнових кислот, що вибірково пов'язують певні речовини, називаються аптамерами. На їх основі можуть бути одержані препарати, які блокують функції будь-яких білків: ферментів, рецепторів або регуляторів активності генів. В даний час отримані вже тисячі різних аптамерів, що знаходять широке застосування в медицині і техніці.
Один із світових лідерів у цій галузі – американська компанія Soma Logic Inc. - створює так звані сомамери, які селективно відбирають із бібліотек хімічно модифікованих нуклеїнових кислот за рівнем спорідненості до тих чи інших цілей. Модифікації азотистої основи надають таким аптамерам додаткову «білковоподібну» функціональність, що забезпечує високу стабільність їх комплексів з мішенями. Крім того, це збільшує можливість успішного відбору сомамерів до тих сполук, до яких підібрати звичайні аптамери не вдалося.
Серед аптамерів, що мають спорідненість до клінічно значимих мішеней, на сьогодні є кандидати на терапевтичні препарати, які досягли третьої, ключової фази клінічних випробувань. Один з них - Macugen- вже використовується у клінічній практиці для терапії захворювань сітківки ока; препарат для лікування вікової макулярної дегенерації сітківки Fovistaуспішно закінчує випробування. І на черзі безліч подібних препаратів.
Але терапія - це єдине призначення аптамерів: вони викликають величезний інтерес у біоаналітиків як розпізнаючих молекул під час створення аптамерних біосенсорів.
В ІХБФМ спільно з Інститутом біофізики СО РАН (Красноярськ) розробляються біолюмінесцентні аптасенсори з структурою, що перемикається. Отримано аптамери, які відіграють роль репортерного блоку сенсора, до Са 2+ -активованого фотопротеїну обеліну, що є зручною біолюмінесцентною міткою. Цей сенсор здатний «уловлювати» молекули лише певних білків, які необхідно детектувати у зразку. В даний час за цією схемою конструюються біосенсори, що переключаються, до модифікованих білків крові, службовцям маркерами діабету.
Новим об'єктом серед терапевтичних нуклеїнових кислот є і сама матрична (інформаційна) РНК. Компанія Moderna Therapeutics(США) зараз проводить масштабні клінічні дослідження мРНК. При попаданні у клітину мРНК діють у ній як її власні. В результаті клітина отримує можливість виробляти білки, які можуть запобігти або зупинити розвиток захворювання. Більшість таких потенційних терапевтичних препаратів спрямована проти інфекційних (вірус грипу, вірус Зіка, цитомегаловірус та ін.) та онкологічних захворювань.
Білки як ліки
Величезні успіхи синтетичної біології останніми роками відбилися й у розробці технологій виробництва терапевтичних білків, які вже широко застосовують у клініці. Насамперед це стосується протипухлинних антитіл, за допомогою яких стала можливою ефективна терапія цілого ряду онкологічних захворювань.
Зараз з'являються нові протипухлинні білкові препарати. Прикладом може бути препарат лактаптин, створений ІХБФМ СО РАН на основі фрагмента одного з основних білків молока людини. Дослідники виявили, що цей пептид індукує апоптоз(«Самовбивство») клітин стандартної пухлинної клітинної культури - аденокарциноми молочної залози людини. З використанням методів генної інженерії було отримано ряд структурних аналогів лактаптину, з яких було обрано найбільш ефективний.
Випробування на лабораторних тваринах підтвердили безпеку препарату та його протипухлинну та антиметастатичну активність щодо низки пухлин людини. Вже розроблено технологію отримання лактаптину в субстанції та лікарській формі, виготовлено перші експериментальні партії препарату.
Терапевтичні антитіла все ширше використовуються і для лікування вірусних інфекцій. Фахівцям ІХБФМ ЗІ РАН вдалося генно-інженерними методами створити гуманізоване антитіло проти вірусу кліщового енцефаліту. Препарат пройшов усі доклінічні випробування, довівши свою високу ефективність. Виявилося, що захисні властивості штучного антитіла у сто разів вищі, ніж комерційного препарату антитіл, що отримується із сироватки донорів.
Вторгнення у спадковість
Відкриття останніх років розширили можливості генотерапії, які донедавна представляли фантастику. Технології геномного редагування, Засновані на застосуванні РНК-білкової системи CRISPR/Cas, здатні розпізнавати певні послідовності ДНК і вносити в них розриви. При «ремонті» ( репарації) таких порушень можна виправляти мутації, відповідальні за захворювання, або вводити з терапевтичною метою нові генетичні елементи.
Редагування генів відкриває перспективи радикального вирішення проблеми генетичних захворювань шляхом модифікації геному під час використання екстракорпорального запліднення. Принципова можливість спрямованої зміни генів ембріона людини вже доведена експериментально, і створення технології, що забезпечує світ дітей, вільних від спадкових захворювань, завдання найближчого майбутнього.
За допомогою геномного редагування можна не лише «виправляти» гени: цей підхід можна використовувати для боротьби з вірусними інфекціями, які не піддаються звичайній терапії. Йдеться про віруси, що вбудовують свій геном у клітинні структури організму, де він виявляється недоступним для сучасних противірусних препаратів. До таких вірусів належать ВІЛ-1, віруси гепатиту В, папіломавіруси, поліомавіруси та низка інших. Системи геномного редагування можуть інактивувати вірусну ДНК усередині клітини, розрізавши її на безпечні фрагменти або внісши до неї мутації, що інактивують.
Очевидно, що застосування системи CRISPR/Cas як засіб корекції мутацій людини стане можливим лише після її вдосконалення з метою забезпечення високого рівня специфічності та проведення широкого спектра випробувань. Крім того, для успішної боротьби з небезпечними вірусними інфекціями необхідно вирішити проблему ефективної доставки терапевтичних агентів до цільових клітин.
Спочатку була клітина – стовбурова
Одним з найбільш швидко розвиваються в медицині є клітинна терапія. У провідних країнах вже проходять клінічні випробування клітинних технологій, розроблених для лікування аутоімунних, алергічних, онкологічних та хронічних вірусних захворювань.
У Росії піонерні роботи зі створення засобів терапії на основі стовбурових клітинта клітинних вакцин були виконані в Інституті фундаментальної та клінічної імунології СО РАН (Новосибірськ). В результаті досліджень було розроблено методи лікування онкологічних захворювань, гепатиту В та аутоімунних захворювань, які вже почали застосовуватися в клініці в експериментальному режимі.
Надзвичайно актуальними у наші дні стали проекти створення банків культур клітин пацієнтів із спадковими та онкологічними захворюваннями для тестування фармакологічних препаратів. У Новосибірському науковому центрі такий проект реалізується міжінститутським колективом під керівництвом проф. С. М. Закіяна. Новосибірські фахівці відпрацювали технології внесення мутацій в клітини людини, що культивуються, в результаті чого були отримані клітинні моделі таких захворювань, як бічний аміотрофічний склероз, хвороба Альцгеймера, спинальна м'язова атрофія, синдром подовженого інтервалу QT і гіпертрофічна кардіоміопатія.
Розробка методів отримання із звичайних соматичних клітин плюрипотентних стовбурових, здатних перетворитися на будь-яку клітину дорослого організму, призвела і до появи клітинної інженерії, що дозволяє відновлювати уражені структури організму. Напрочуд швидко розвиваються технології отримання тривимірних структур для клітинної та тканинної інженерії на основі біоруйнівних полімерів: протезів судин, тривимірних матриксів для вирощування хрящової тканини та конструювання штучних органів.
Так, фахівці ІХБФМ СО РАН та Національного медичного дослідницького центру ім. Є. Н. Мешалкіна (Новосибірськ) розробили технологію створення протезів судин та серцевих клапанів методом електроспінінга. За допомогою цієї технології з розчину полімеру можна отримати волокна завтовшки від десятків нанометрів до декількох мікронів. В результаті серії експериментів вдалося відібрати вироби з визначними фізичними характеристиками, які зараз успішно проходять доклінічні випробування. Завдяки високій біо- та гемосумісності такі протези згодом заміщаються власними тканинами організму.
Мікробіом як об'єкт та суб'єкт терапії
До теперішнього часу добре вивчені та розшифровані геноми багатьох мікроорганізмів, що вражають людину. Ведуться дослідження та складних мікробіологічних угруповань, постійно пов'язаних з людиною, - мікробіомів.
Істотний внесок у цю сферу досліджень зробили і вітчизняні вчені. Так, фахівці ДНЦ СБ «Вектор» (Кільцово, Новосибірська обл.) вперше у світі розшифрували геноми вірусів Марбург та натуральної віспи, а вчені ІХБФМ СО РАН – геноми вірусу кліщового енцефаліту, збудників кліщового бореліозу, поширених на території РФ. Також було вивчено мікробні спільноти, асоційовані з різними видами небезпечних для людини кліщів.
У розвинених країнах сьогодні активно ведуться роботи, спрямовані на створення засобів регулювання мікробіома організму людини, насамперед його травного тракту. Як виявилося, від складу мікробіома кишечника величезною мірою залежить стан здоров'я. Методи на мікробіом вже існують: наприклад, збагачення його новими терапевтичними бактеріями, використання пробіотиків, що сприяють розмноженню корисних бактерій, а також прийом бактеріофагів (вірусів бактерій), що вибірково вбивають «шкідливі» мікроорганізми.
Останнім часом роботи зі створення засобів терапії на основі бактеріофагів активізувалися в усьому світі через проблему поширення лікарсько-стійких бактерій. Росія – одна з небагатьох країн, де застосування бактеріофагів у медицині дозволено. У РФ існує промислове виробництво препаратів, розроблених ще за радянських часів, і щоб отримувати ефективніші бактеріофаги, необхідно їх удосконалювати, і це завдання може бути вирішене методами синтетичної біології.
Рішенням її займаються у низці науково-дослідних організацій РФ, у тому числі в ІХБФМ СО РАН. В інституті охарактеризовано фагові препарати, що промислово виробляються в РФ, розшифровані геноми ряду бактеріофагів, а також створена їх колекція, до якої увійшли і унікальні віруси, перспективні для застосування в медицині. У клініці інституту відпрацьовуються механізми надання персоналізованої допомоги хворим, які страждають на бактеріальні інфекції, спричинені лікарсько-стійкими мікроорганізмами. Останні виникають при лікуванні діабетичної стопи, а також внаслідок пролежнів чи післяопераційних ускладнень. Розробляються методи корекції порушень складу мікробіома людини.
Абсолютно нові можливості використання вірусів відкриваються у зв'язку із створенням технологій отримання інтелектуальних систем високовиборчої дії на певні клітини. Йдеться про онколітичних вірусахздатні вражати тільки пухлинні клітини. В експериментальному режимі кілька таких вірусів вже застосовують у Китаї та США. Роботи в цій галузі ведуться і в Росії, в них беруть участь фахівці з московських та новосибірських науково-дослідних організацій: ІМБ РАН, ДНЦ ВБ "Вектор", Новосибірського державного університету та ІХБФМ СО РАН.
Швидкий розвиток синтетичної біології дає підставу очікувати в найближчі роки важливих відкриттів та появи нових біомедичних технологій, які позбавлять людство багатьох проблем і дозволять реально керувати здоров'ям, а не тільки лікувати спадкові та «благопридбані» захворювання.
Фронт досліджень у цій галузі надзвичайно широкий. Вже зараз доступні гаджети є не просто іграшками, але реально корисними приладами, які щодня забезпечують людину інформацією, необхідною для контролю та підтримки здоров'я. Нові технології швидкого поглибленого обстеження дають можливість передбачити або своєчасно виявити розвиток хвороби, а персоналізовані препарати на основі «розумних» інформаційних біополімерів дозволять радикально вирішити проблеми боротьби з інфекційними та генетичними захворюваннями у найближчому майбутньому.
Література
1.
Бризгунова О. Є., Лактіонов П. П. Позаклітинні нуклеїнові кислоти сечі: джерела, склад, використання в діагностиці // Acta Naturae. 2015. Т. 7. № 3 (26). С. 54-60.
2.
Власов В. В., ще два прізвища та ін. Комплементарні здоров'ю. Минуле, сьогодення та майбутнє антисмислових технологій // Наука з перших рук. 2014. Т. 55. № 1. С. 38-49.
3.
Власов В. В., Воробйов П. Є., Пишний Д. В. та ін. Правда про фаготерапію, або пам'ятка лікаря та пацієнта // Наука з перших рук. 2016. Т. 70. № 4. С. 58-65.
4.
Власов Ст Ст, Закіян С. М., Медведєв С. П. «Редактори геномів». Від цинкових пальців до CRISPR // Наука з перших рук. 2014. Т. 56. № 2. С. 44-53.
5.
Ліфшиц Г. І., Слєпухіна А. А., Суботовська А. І. та ін. Вимірювання параметрів гемостазу: приладова база та перспективи розвитку // Медична техніка. 2016. Т. 298. № 4. С. 48-52.
6.
Ріхтер В. А. Жіноче молоко - джерело потенційних ліків від раку // Наука з перших рук. 2013. Т. 52. № 4. С. 26-31.
7.
Купрюшкін М. С., Пышный Д. V., Стеценко Д. А. Фосфорил guanidines: новий тип Nucleic Acid аналогів // Acta Naturae. 2014. V. 6. № 4 (23). P. 116–118.
8.
Nasedkina T. V., Guseva N. A., Gra O. A. et al. Diagnostic microarrays в hematologic on colology: applications of high- and low-density arrays // Mol. Diagn. Ther. 2009. V. 13. N. 2. P. 91-102.
9.
Пономарьова А. А., Морозкін Е. С., Рыкова Е. Y. та ін. Dynamic changes in circulating miRNA levels in response to antitumor therapy of lung cancer // Experimental Lung Research. 2016. V. 42. N. 2. P. 95-102.
10.
Vorobyeva M., Vorobjev P. and Venyaminova A. Multivalent Aptamers: Versatile Tools for Diagnostic and Therapeutic Applications // Molecules. 2016. V. 21. N. 12. P. 1612-1633.
Медичні біотехнології, що використовують живі системи та їх продукти, принципово змінюють підхід до розробки лікарських засобів і збільшують шанси перемогти або взагалі запобігти важковиліковним захворюванням.
Клінічна картина світу
Інвестиції в медичні розробки постійно зростають. Світові витрати на R&D в галузі Life Science, за даними Industrial Research Institute (IRI), за останні десять років збільшилися втричі і становили $169,3 млрд у 2016 році. Причому 85% ресурсів посідає біофармацевтичний сектор. За витратами на R&D медицина є лідером поряд з ICT (Information and Communication Technology – $204,5 млрд у 2016 році).
Однак частка витрат на дослідження у загальних витратах приватного та державного секторів на охорону здоров'я навіть у розвинених країнах порівняно невелика. У США — лідері серед країн із вкладень у R&D — їхня частка у 2016 році становила 4,9% від загальних витрат на охорону здоров'я, які оцінюються у $3,2 трлн. У Росії - 1,8% від загальних витрат в $ 9,7 млрд, або 544 млрд руб.
Потреби медицини визначає клінічна картина світу. У XXI столітті вона складається із серцево-судинних та онкологічних захворювань, старечих недуг, спадкових і навіть орфанних (рідкісних) хвороб різної етіології. Крім того, наука, як і раніше, шукає способи боротьби з масштабними вірусними інфекціями, що не піддаються класичній вакцинації (грипом, ВІЛ-інфекцією), та новими екзотичними — ТОРС, Ебола, Зіка.
Насамперед фармкомпанії та держава вкладають кошти туди, де гарантовано успіх у лікуванні та повернення вкладених коштів. «Вибір актуальних напрямів у медицині базується на потенціалі кінцевого продукту з погляду його ефективності, на запит споживача, яким може виступати держава як представник пацієнтів, а також інтерес приватних компаній та інвесторів у реалізації проривних проектів з високою окупністю», — зазначає генеральний директор компанії Future Biotech Денис Курек.
Зокрема, основні сили російських розробників на замовлення держави кинуті на створення ефективних і доступних ліків від раку — другої після захворювань серцево-судинної системи причини смертності в Росії. Щорічний обсяг держзакупівель на лікування онкозахворювань перевищує 60 млрд. руб. – такі дані наводять у DSM Group. «Аудиторія хвороба широка, вартість препаратів висока. Віддача від інвестицій у розробку ліків від онкозахворювань відбувається досить швидко», - каже експерт фармацевтичного ринку, генеральний директор DSM Group Сергій Шуляк.
Досягнення останніх років у галузі біології, хімії, імунології, клітинної біології та інших науках дозволяють зробити ривок у галузі прикладного їх застосування у практичній медицині. Народжуючись на стику цих наук, медичні біотехнології протягом найближчих 20 років можуть здивувати людство не менше, ніж, наприклад, інформаційні технології.
Імунотерапія
Однією з найперспективніших технологій створення сучасних ліків від онкологічних та аутоімунних захворювань є біосинтез моноклональних антитіл (МКА). Близькі за своєю структурою до людських імуноглобулінів - білків крові, що є одним з основних механізмів захисту організму від інфекційних захворювань, МКА є низькотоксичними і безпечнішими порівняно з традиційною хіміотерапією.
Перший імпортний імунотерапевтичний препарат іпілімумаб (TM Yervoy) нового покоління, який є моноклональним антитілом, здатним зв'язувати та пригнічувати захист клітин метастатичної меланоми (раку шкіри), було виведено на ринок у 2014 році компанією Bristol-Myers Squibb. Компанія Biocad планує у 2018-2019 роках випуск у Росії препарату, що діє за тим самим принципом, але ширшого спектру дії. Про це раніше заявляла Міністр охорони здоров'я РФ Вероніка Скворцова.
Сьогодні вартість ліків у Росії - близько 100 тис. руб. за упаковку. Курс лікування з підтримуючим препаратом того ж класу і тієї ж компанії — ніволумабом (TM Opdivo) обійдеться вдвічі дорожче. Імпортні препарати поки що монополісти нового ринку. Російські розробки покликані знизити вартість життєво важливих ліків. Програма «Фарма-2020» субсидує розробки у цій галузі (див. діаграму). Зокрема, перший російський препарат на основі МКА – ритуксімаб – Biocad випустила у 2014 році внаслідок державно-приватного партнерства коштом федерального бюджету.
Стимулювання галузі (з 2015 року препарати російського виробництва мають суттєві преференції у держзакупівлях ЛЗ) дозволило російським технологіям серйозно просунутися у створенні ліків нового покоління та потіснити препарати імпортного виробництва. За даними DSM Group, у 2015 році у держзакупівлях за програмою «Сім нозологій» частка препаратів російського виробництва зросла з 3 до майже 20%. У рамках цієї програми найдорожчі ліки для семи рідкісних захворювань, включаючи злоякісні новоутворення кровотворної та лімфоїдної тканин, централізовано закуповуються коштом федерального бюджету. За останні два роки значно зросли обсяги закупівель, зокрема вітчизняних протипухлинних препаратів, за державною програмою пільгового лікарського забезпечення (ОНЛЗ).
Вакцини проти аутоімунних захворювань
Антицитокінова терапія - останнє слово в лікуванні аутоімунних захворювань, при яких деякі імунні клітини, покликані захищати організм, починають його вбивати. Однак у її сучасному вигляді ця технологія має очевидні недоліки — організм не всіх хворих на неї відповідає, немає надійних біомаркерів, які б дозволили передбачити успіх цієї дуже дорогої терапії.
Подальший розвиток методу за словами наукового керівника Федерального дослідницького центру фундаментальної основи біотехнології РАН, завкафедрою біотехнології біологічного факультету МДУ ім. М.В. Ломоносова академіка Костянтина Скрябіна пов'язують із створенням препаратів на основі біспецифічних, як їх називають, антитіл із заданими властивостями, або бінарних вакцин. Це біоконструкції на основі антитіл, образно кажучи, із двома руками. Однією антитіло тримається за поверхню «збожеволіли» імунної клітини, а другий, як хокейний воротар у пастку, ловить шкідливі цитокіни, що виділяються з клітини, і нейтралізує їх.
На ринку вони з'являться, мабуть, не раніше за середину 2020-х років. Створення таких ліків - шлях довгий і дорогий.
Предметом дослідження є не лише самі антитіла, а й мішені — деструктивна клітина чи речовина, що активує її діяльність та яку потрібно нейтралізувати. "Визначення мішені - важлива частина інновації у створенні ліків", - говорить Костянтин Скрябін.
«Потрібно розуміти, про яку «збожеволіла» патологічну клітину йдеться і за допомогою якої мішені цю клітину можна відрізнити від здорових клітин. Головне — це наявність адекватної мішені, відкритої фундаментальними біологами, дослідниками», — погоджується медичний директор Національної імунобіологічної компанії (входить до держкорпорації «Ростех») Олександра Власова.
Вирощування тканин
Існуючі технології дозволяють вирощувати тканини і навіть цілі органи за рахунок ресурсів самого організму (аутологічних клітин, широко відомі стовбурові клітини — їх різновид). Але головна проблема в тому, що для клітинного будівництва потрібен матрикс - каркас, який в ідеалі після закінчення будівництва повинен замінити відновлену тканину і зникнути безслідно.
Розробка МГУ пропонує як такий каркас для нарощування тканини фіброїн (білок) шовку тутового шовкопряда. Досі на ринку матриксів конкурували синтетичні біорозкладні полімери, але використання природних матеріалів виглядає більш перспективним. Перші результати біопротезування тонкого кишечника у щурів обнадіюють, що ця технологія буде затребуваною.
«Щоб вирощувати нові тканини та органи, наприклад, шкіру або тонкий кишечник, клітини повинні утворювати потрібну структуру конкретного органу. Білок шовку тутового шовкопряда дозволяє структурувати тканину», — зазначає Костянтин Скрябін. На його думку, технологія має велике майбутнє.
Генна інженерія
Наука не лише навчилася читати геном людини з усією спадковою інформацією, а й знайшла спосіб її редагувати, що відкриває нові можливості для лікування онкології, вірусу імунодефіциту людини та моногенних захворювань. Лідирує з використання редагування геному терапія ВІЛ-інфекції з шістьма зареєстрованими на сьогодні клінічними дослідженнями. «Перспективи застосування редагування геному безмежні. У галузі трансплантації органів і тканин, наприклад, особливе місце займають розробки з подолання міжвидової гісто-
сумісності. «Відредаговані» тварини, наприклад свині, з урахуванням фізіології та архітектоніки органів та тканин можуть бути універсальними донорами для людини», — зазначають автори доповіді «Редагування геному та можливості генної терапії в онкології» фонду «Сколково».
Світові медтехнології, за словами академіка Скрябіна, перейшли до превентивних заходів щодо важких захворювань. На початку 2000-х років читання геному коштувало $3 млрд, зараз технологія дозволяє це зробити за $1 тис. Одна з американських компаній, що спеціалізується на цій послузі, анонсувала можливість отримувати всю генетичну інформацію людини протягом двох годин за ціною, що не перевищує $100.
Результатом пошуку протягом останніх 20 років підходу до проведення неінвазивної діагностики генетичних захворювань плода стала можливість на ранньому терміні – вже після десятого тижня вагітності – визначати вільні фрагменти ДНК із клітин плода у крові матері. Достатньо забору крові матері. У Європі зроблено вже 400 тис. аналізів з використанням фетального матеріалу, що циркулює в материнському кровотоку, у Китаї — 500 тис. У Росії проведено поки що лише перші п'ять тисяч аналізів. У країні немає зареєстрованого необхідного обладнання, іноземні аналоги дуже дорогі, тому послуга недоступна у повсякденній медичній практиці. Крім того, за словами Костянтина Скрябіна, державна система обов'язкового медичного страхування (ОМС) оплачує стандартні методики пренатальної діагностики, так званого проколу — забору необхідних матеріалів навколоплідної рідини із проникненням інструментів у порожнину матки.
За словами виконавчого директора кластера біомедичних технологій фонду «Сколково» Кирила Каєма, майбутнє за Big Data у медицині: «Зібравши дані щодо великих популяцій населення, можна повністю змінити парадигму здоров'я. Ці дані будуть давати ймовірнісний прогноз про ризики і дозволять займатися профілактикою не тільки в традиційному вигляді, а й робитимуть конкретні втручання, які дозволять зупинити розвиток захворювань».
Олександр Власов чекає на перспективні рішення в галузі продовження життя та комфортного старіння від західних фахівців. Фундаментальних досліджень питань старіння, за його словами, у нашій країні поки що мало.
На початку 2019 року в Санкт-Петербурзі відбудеться значуща для російської науки та медицини подія: 26-30 січня відбудеться чергова зимова школа Future Biotech. Спікерами зимової школи цього року стануть вчені із провідних наукових центрів світу: Гарварда, Єля, Університетського коледжу в Лондоні та багатьох інших. Також у школі візьмуть участь імениті російські вчені, діяльні бізнесмени, керівники наукомістких стартапів та захоплені наукою студенти, аспіранти та молоді дослідники. Ключова тема цього року нерозривно пов'язана з медициною та присвячена технологіям редагування геному та генної терапії.
Філософія школи Future Biotech
По-третє, це безперечно безпрецедентний за своїми масштабами науковий контент! На лекціях можна буде дізнатися про останні відкриття з перших рук - безпосередньо від учених, які ведуть дослідження, - і обговорити з ними «найгарячіші» подробиці.
Таким чином, школа одночасно є тим самим сполучною ланкою між науковими дослідженнями та бізнесом, яка поки що недостатньо розвинена в Росії, а також майданчиком для розвитку професійного нетворкінгу та прокачування своїх знань.
Цього року ключовою темою школи стануть редагування геному та генна терапія.Сьогодні ці технології - найбільш перспективні та фінансовані напрями світової медицини та фармацевтики. У 2016 році ринок препаратів для генної терапії оцінювався в $584 млн. А до 2023 року, за прогнозами аналітиків, глобальний виторг від продажу таких препаратів перевищить $4,4 млрд - це понад 30% зростання щорічно!
Сучасні методи генної інженерії в комплексі з іншими підходами на наших очах здійснюють революцію у боротьбі з раніше невиліковними генетичними, онкологічними та аутоімунними захворюваннями. Генна інженерія приходить нам на допомогу і у боротьбі зі стійкими до більшості відомих антибіотиків бактеріями, які загрожують стати головною причиною смертності у світі вже до 2050 року.
Історії та методи генної інженерії присвячені дві статті нашого спецпроекту « 12 методів у картинках» . - Ред.
Сьогодні на світовому ринку є лише поодинокі препарати на основі генної терапії, десятки знаходяться на різних стадіях клінічних випробувань. Як випливає зі звіту Allied Market Research, переважна більшість препаратів генної терапії провадиться для хворих з онкологічними патологіями. І найближчим часом – як мінімум до 2023 року – ця ніша збереже свою першість на ринку. Слідом за ліками від раку йдуть засоби генної терапії рідкісних захворювань, серцево-судинних хвороб, неврологічних розладів та інфекцій.
Найближче десятиліття проходитиме під егідою впровадження нових терапій, спрямованих на лікування агресивних видів раку, генетичних, нейродегенеративних, аутоімунних патологій, а також впровадження в практику антибіотиків нового покоління. І в цей переломний момент російській науці та індустрії необхідно докласти всіх зусиль, щоб зайняти своє місце на світовому біофармацевтичному ринку, стати активним учасником перспективних досліджень і таким чином забезпечити росіянам доступ до передової медицини в майбутньому. Кроком на шляху до досягнення цієї глобальної мети має стати зимова школа Future Biotech 2019. Для цього її організатори запросили до Санкт-Петербурга провідних світових науковців, роботи яких охоплюють найперспективніші напрямки біомедицини та біотехнологій. Про ці напрями ми й поговоримо у наступному розділі.
Які прориви в медицині на нас чекають?
Світ, у якому майже немає невиліковних хвороб, – вже не просто мрія фантастів: це світ, де методи генотерапії та редагування геному стали головною зброєю медицини (рис. 3). Вже сьогодні завдяки цим підходам вдалося досягти значного прогресу в лікуванні кількох раніше невиліковних патологій, про які ми й поговоримо далі.
Генотерапія: на шляху до миру без невиліковних захворювань
Щоб продовжити розповідь, давайте освіжимо у пам'яті термінологію. Спадкові захворювання, спричинені «поломками» у ДНК, називаються генетичними. Якщо вони спровоковані мутацією в одному єдиному гені – їх прийнято називати моногенними. До таких хвороб відносяться, наприклад, фенілкетонурія, хвороба Гоше та серповидноклітинна анемія. Існують патології, причиною яких є поломка відразу в кількох генах (вони називаються полігенними) або дефект значної частини хромосоми ( хромосомніхвороби). До полігенних захворювань відносяться деякі види раку, цукровий діабет, шизофренія, епілепсія, ішемічна хвороба серця та багато іншого. Найбільшого успіху сьогодні вдалося досягти в лікуванні моногенних генетичних захворювань, тому що виправити один-єдиний ген - методично простіше завдання, ніж боротися з полігенними хворобами або хромосомними аномаліями (проте і тут все не безнадійно!). У боротьбі з генетичними хворобами генна терапія та редагування геному - головні інструменти майбутнього в руках генного інженера.
Концепція генної терапії елегантна та красива, як все геніальне. Вона полягає в доставці в клітину здорового гена, який замінює собою його дефектний варіант. Більшість минулих клінічних випробувань та схвалених видів терапій використовує вірусні векторні системи для доставки та вбудовування здорового варіанту гена в клітини (рис. 4). У найближчому майбутньому вчені пророкують розвиток невірусних систем доставки генів у клітину.
Існує два основні підходи: постнатальна генотерапія (іноді її називають соматичною) та генотерапія плоду (інакше пренатальна, або фетальна генна терапія, про яку ми нещодавно писали у статті « Фетальна генна терапія: від теорії – до практики» ).
У першому випадку гени вводять у соматичні клітини організму, що дозволяє покращити стан пацієнта, проте відредагований геном не передається нащадкам, оскільки редагування зачіпає лише окремі популяції клітин, не змінюючи при цьому геноми клітин, які продукують гамети. Такий спосіб виправданий для боротьби, наприклад з онкологічними захворюваннями. У другому випадку ДНК вводять в ембріон на ранній стадії розвитку, що дозволяє відредагувати все, більшість або значну частину клітин плода. При цьому підході зміни успадковуються, оскільки статеві клітини теж нестимуть ці зміни. Цей підхід є перспективним для боротьби з найбільш важкими спадковими патологіями.
Американське Управління з санітарного нагляду за якістю харчових продуктів та медикаментів (FDA) вже схвалило 16 препаратів на основі генної та клітинної терапії. Серед них є засоби для лікування агресивних видів раку крові, передміхурової залози та рідкісної успадкованої форми ретинальної сліпоти.
Пренатальна терапіямає ряд переваг перед постнатальною, найбільшою з яких є допомога на ранній стадії розвитку хвороби, коли патологічний процес ще не встиг зайти далеко. Завдяки сучасним методам пренатальної діагностики виправляти дефектні гени можна на ранніх термінах вагітності вже в 14-16 тижнів. Корекція мутантних генів у плоду, що розвивається, дозволяє швидко збільшити популяцію стовбурових клітин зі «здоровим» варіантом гена, а значить, захворювання можна вилікувати повністю або, принаймні, значно полегшити його перебіг. Незважаючи на райдужні перспективи, на даний момент перед вченими стоїть низка невирішених завдань. Фетальна генна терапія збільшує ризик викидня та передчасних пологів через розвиток імунних реакцій у матері та дитини. Крім того, вона може призвести до несподіваних, а іноді й катастрофічних наслідків вже на постнатальній стадії розвитку. Ген, що вноситься, може неспецифічно вбудуватися в будь-яке місце геному і, таким чином, порушити роботу інших генів, спровокувавши генетичне або онкологічне захворювання. Інший побічний ефект фетальної генотерапії мозаїцизм(явище, у якому частина клітин має «виправлений» ген, інші ж несуть його «зламану» версію), що може призвести до вельми непередбачуваних наслідків у майбутньому.
З погляду потенційних ризиків, очевидно, що фетальна генна терапія повинна використовуватися тільки для лікування важких генетичних захворювань, інших варіантів корекції яких не існує. До таких патологій відносяться деякі рідкісні генетичні захворювання, наприклад міодистрофія Дюшенна, спинальна м'язова атрофія, фатальне сімейне безсоння, фенілкетонурія та фібродисплазія. Для їхнього лікування сьогодні активно розробляють варіанти генних терапій, деякі з яких знаходяться на фінальних стадіях клінічних випробувань. Серед рідкісних генетичних патологій, безумовно, є і хвороба Гоше - нейродегенеративне захворювання, важка форма якого на даний момент не піддається лікуванню і завжди є летальною. Хвороба Гоше - найчастіша форма серед рідкісних спадкових ферментопатій, тобто хвороб, пов'язаних із дефектами ферментів. На її прикладі було вперше продемонстровано високу ефективність фетальної генотерапії в експериментах на мишах, а тепер вчені готуються до випробувань і на людях. Це означає, що майбутнє, де діти з вищезгаданими невиліковними генетичними захворюваннями зможуть одужувати, настане незабаром.
Генотерапіяможе бути надзвичайно ефективна і в постнатальний період, у тому числі для лікування дорослих пацієнтів. Спінальна атрофія м'язів (СМА) стала ще одним орфанним(тобто рідкісним генетичним) захворюванням, довгоочікувану надію на лікування якого подарувала генна терапія. 23 грудня 2016 р. FDA зареєструвало перші ліки для СМАйликів (так ласкаво називають пацієнтів із цією хворобою) - нусінерсен(комерційна назва Spinraza). За результатами клінічних випробувань у 51% пацієнтів покращилися моторні навички, а також знизився ризик смерті та постійної вентиляції легень порівняно з контрольною групою.
Вкрай ефективна постнатальна генна терапія і при боротьбі з онкологічними захворюваннями, які є однією з провідних причин смертності в країнах з високим рівнем життя за даними ВООЗ (Всесвітня організація охорони здоров'я). На даний момент схвалено два препарати: Yescartaі Kymriah, спрямованих на лікування високоагресивних видів В-клітинної лімфоми з використанням технології CAR-T. Суть цієї технології полягає у штучному «настроюванні» імунітету пацієнта проти пухлинних клітин. У хворого беруть T-лімфоцити і в лабораторії за допомогою нешкідливого вірусного вектора вводять ген химерного антигенного рецептора (CAR), який дозволяє модифікованим Т-клітинам дізнаватися специфічний антиген на поверхні злоякісних B-клітин. Потім модифіковані Т-лімфоцити знову вводяться у кров пацієнта. Там вони починають атакувати власні B-лімфоцити, знищуючи злоякісних перебіжчиків. Однак при даній терапії високий ризик розвитку аутоімунних реакцій. Це з тим, що антигени, якими наші воїни (модифіковані Т-лімфоцити) впізнають «перебіжчиків», можуть іноді зустрічатися і поверхні здорових клітин. Дослідники активно працюють над вирішенням цієї проблеми.
Терапії на основі CAR-T - мабуть, найуспішніший на сьогоднішній день варіант лікування на стику клітинної та генної терапій! Ця технологія дозволяє досягти повної ремісії приблизно в половині випадків лікування або продовжити життя пацієнтів у більшості випадків.
Генна терапія на Future Biotech
Технології, в основі яких лежать редагування геномів власних клітин пацієнта (CAR-T) та РНК-інтерференція, крім біологічних та біоетичних обмежень мають ще одну серйозну проблему: екстремальна дорожнеча! Наприклад, повний курс лікування препаратом Yescartaкоштує $350 000, а річний курс терапії, що включає щотижневі ін'єкції Patisiran, коштуватиме пацієнтові $450 000. Всі ці проблеми вченим і фармацевтичним компаніям доведеться вирішити в найближчому майбутньому.
Технологія CRISPR-Cas9. Найточніший інструмент редагування геному
Останнім часом у пресі постійно пишуть про різноманітні успіхи цього підходу, і не дарма: адже технологія редагування геному за допомогою системи CRISPR-Cas9 – це справді епохальна технологія (рис. 5)!
На «Біомолекулі» так багато статей про велику і могутню технологію CRISPR-Cas9, що ми присвятили їй цілий розділ! - ред.
Проблема такого масового поширення резистентності серед бактерій має багато причин. Сам процес набуття стійкості є природним і неминучим, проте зловживання антибіотиками, їх неправильна утилізація та масове потрапляння в довкілля прискорили цей процес настільки, що деякі інфекції не піддаються лікуванню навіть комплексами з нових препаратів. Тому пошук нових антибіотиків є пріоритетним завданням для сучасної науки.
Найпоширеніша мета всіх відомих антибіотиків - апарат синтезу білка бактерій. Апарат трансляції прокаріотів відрізняється від нашого, що дозволяє використовувати специфічні інгібітори синтезу білка у бактерій без шкоди для власних клітин нашого організму. Через масове поширення генів стійкості у бактерій вчені активно вивчають їх білоксинтезуючий апарат та шукають нові мішені та інгібітори трансляції. на
18–19 вересня у Москві відбулася конференція «Постгеномні технології», присвячена 100-річчю від дня народження академіка Г.К. Скрябіна. Організаторами заходу виступили Російська Академія наук, наукова рада з біотехнологій РАН, ФІЦ «Фундаментальні засади біотехнологій» РАН, Інститут біохімії та фізіології мікроорганізмів ім. Г.К. Скрябіна РАН.
Академік В.А. Тутельян, головний науковий співробітник ФДБУН «ФІЦ Харчування та біотехнологій» зробив доповідь на тему «Сучасна біотехнологія у виробництві їжі: проблема біобезпеки». В.А. Тутельян нагадав присутнім, що наша країна свого часу стояла біля витоків промислової біотехнології та була світовим лідером у цій частині. У галузі медицини цей напрямок очолював академік А.А. Покровський, у галузі сільського господарства та тваринництва – академік Л.К. Ернст, у галузі виробництва та створення виробничих потужностей - академік В.А. Биків. А академіку Г.К. Скрябіну вдалося об'єднати всі зусилля та створити колосальний прорив у розвитку промислової біотехнології у Радянському Союзі.
«В Інституті харчування, де я практично все життя працюю, за вказівкою академіка Скрябіна було створено спеціальну лабораторію, яка об'єднувала близько 70 осіб, – розповів В.О. Тутельян. - Це був дуже масштабний проект, який можна порівняти, не побоюсь сказати, з атомним проектом, тому що понад 70 науково-дослідних інститутів усіх відомств об'єдналися для вирішення цього завдання, і керував усією цією роботою Георгій Костянтинович Скрябін».
У період із 1964 по 1990 роки відбувався інтенсивний розвиток промислової біотехнології. Працювали 11 заводів, що дають 1,5 млн. тонн кормового білка. Це забезпечувало 100% потреби, насамперед птахівництва та тваринництва. Виробництво амінокислот, вітамінів, інших інгредієнтів також забезпечувало 100% потребу Радянського Союзу. При цьому на чільному місці завжди стояли проблеми безпеки, тому всі науково-дослідні інститути медичного профілю працювали в цьому напрямі, зокрема, Інститут харчування.
«Зараз важко сказати, яка кількість досліджень була проведена, – розповів В.О. Тутельян, - скільки тварин і людей брало участь у роботі з доказу безпеки. Один із них - це я, коли, будучи аспірантом, із задоволенням переходив із будівлі інституту на інший бік, де тоді була їдальня (зараз її вже немає), і нас півроку годували продукцією мікробіологічного синтезу, трансформованою через тварин - курей, свиней і так далі далі. При цьому нас детально вивчали, вивчали біохімічні та інші параметри для того, щоб довести абсолютну безпеку. Поки що, як бачите, живий».
Вправи з граблями. Захід третій
Але на початку 90-х, за словами доповідача, ми настали на граблі вдруге. Перший раз – у 1948-му році, коли генетику оголосили лженаукою, вдруге – у 1994 році, коли було знищено власну біотехнологію. «До чого ми дійшли вже найближчим часом? – нагадав академік. - Кормовий білок - нуль, і відразу впало все птахівництво, і ми почали закуповувати «ніжки Буша». Цілком припинилося виробництво вітамінів, і нині жодного грама своїх субстанцій у нас не виробляється. Це злочин! Немає амінокислот – ми їх повністю закуповуємо у Китаї та Японії. А це що таке? Це насамперед парентеральне харчування, необхідне при катастрофах, військових конфліктах - без цього ми просто не виживемо. Варто лише санкціями чи іншими заходами перекрити ці поставки, і ми залишимося без усіх цих життєво необхідних продуктів».
Проте зараз, за словами академіка В.А. Тутельяна, ми переживаємо епоху Відродження. Засновано Комісія РАН з генно-інженерної діяльності. Сформовано законодавчу та нормативну базу, прийнято цілу низку законів, які дозволяють проводити дослідження та намагатися наздогнати закордонних лідерів. «Авторські колективи, які брали активну участь у розробці цих законів, – послідовники та учні Г.К. Скрябіна», - наголосив В.А. Тутелян.
Багато технологій сьогодні видаються фантастикою. Так, починаються інтенсивні дослідження зі створення ГМ-тварини, птиці, риби із заданими корисними властивостями. Інститут біології гена вирощує ГМ-коз, що виробляють людський лактоферин, а в Інституті тваринництва створюються гібриди тварин, здатні запобігати багатьом людським захворюванням. При цьому на першому місці за важливістю стоїть біологічна оцінка безпеки ГМО-тварини.
«Є ризик, що шляхом заборон такого роду розробок ми втретє настанемо на ті ж самі граблі, - підсумував В.А. Тутельян. - Чи потрібно це робити? Ми активно працюємо на рівні Державної думи, там є чимало здорових людей, які розуміють, що якщо ми зараз відстанемо, то ми відстанемо вже назавжди, і це буде злочин перед народом. Розвиток сучасного сільського господарства, тваринництва, медицини без використання біотехнологій є безперспективним. Це багато кроків тому, і ми їх не повинні робити».
Харчуватися, щоб вижити
Академік В.А. Биков зробив доповідь на тему «Метаболоміка та ліпідоміка у постгеномній біотехнології». Валерій Олексійович нагадав присутнім, що біотехнологія у всьому цивілізованому світі - це пріоритетний напрямок науково-технічного прогресу, який використовує біооб'єкти та біопроцеси для цілеспрямованого впливу на навколишнє середовище та отримання корисних для людини продуктів, а також забезпечення контролю якості та оцінки їхньої безпеки.
«У базові показники якості життя входить не лише харчування, а й повітря, і вода, і їжа, загалом наше здоров'я та місце існування, - пояснив академік. - Біотехнологія бере участь у формуванні всієї сукупності цих проблем, спрямованих на покращення якості та тривалості життя людини, підвищення репродуктивного та трудового потенціалу».
XXIстоліття ознаменовано чудовими подіями, пов'язаними з розвитком біотехнології. Остання хвиля революції тут почалася з 2000 року, коли президент Клінтон висунув ініціативу створення нанотехнологій, що передбачають маніпуляції на атомарному та молекулярному рівні.
А для нас все почалося в 60-ті роки минулого століття, коли постало питання, яким чином розвиватися, щоб забезпечити їжу людям? Адже в ХХ століття людство входить із населенням близько мільярда, а в ХХI століття - 7,5, хоча насправді десь 8. При цьому збереглися всі основні ресурси земної кулі. Про що це говорить? - Поставив питання В.А. Биків. – Про те, що ми стоїмо на порозі нового технологічного устрою, без якого вирішити проблему комфортного існування людини, мабуть, не вдасться».
Для наочності доповідач представив слайд: якщо взяти за основу 500 кілограмів ваги корови, яка дає приблизно 500 грамів білка на добу, то така кількість дріжджів на добу дає вже 50 тонн мікробного білка. Це зростання на порядок. Ось чому біотехнологія, що спирається на мікроорганізми як засоби виробництва, є можливість переходу до нового технологічного укладу для людства.
Ми живемо в морі мікроорганізмів
Член-кореспондент О.М. Боронін згадав про те, як народжувався пущинський Інститут біохімії та фізіологи мікроорганізмів, що сьогодні носить ім'я Г.К. Скрябіна. Процесом керував сам академік Скрябін, і спогади про нього як про вченого, керівника та людину у всіх співробітників залишилися найсвітліші та найпозитивніші. Доповідач нагадав про те, що як вчений академік Скрябін був насамперед мікробіологом, і в цьому плані головною його заслугою є розвиток мікробіології у нашій країні. «У зв'язку з цим я хочу нагадати, що ми буквально живемо в океані мікроорганізмів, - сказав О.М. Боронін. - Безліч мікроорганізмів оточує нас, перебуваючи у воді, у морях, на суші, в рослинах, тваринах. В одному гектарі ґрунту знаходиться до 5 тонн біомаси мікроорганізмів. Загальна біомаса мікроорганізмів на планеті перевищує біомасу рослин, комах, тварин разом узятих».
Біорізноманіття мікроорганізмів величезне та дивовижне. Тому одним із завдань мікробіологічної науки є систематизація цього світу. Для цього намагалися застосовувати різні системи, але всі вони виявлялися не надто зручними. У 1977 році з'явилася робота Карла Везе: він запропонував філогенетичну систему класифікації, засновану на порівнянні рибосом шляхом порівняння структури 16S рРНК, яку за багатьма показниками можна розглядати як хронометр еволюції, в тому числі живого мікроорганізму. Це відкрило можливості для вивчення і систематизації світу мікроорганізмів і, зокрема, відкриття суперцарства архей, які мешкають у різних екосистемах, починаючи від морських глибин і термальних джерел. Методами біоінформатики були відкриті локіархеї, у яких виявлено цитоскелет та інші ознаки фагоцитозу.
Подальший розвиток технологій дозволило розширити ці дослідження, в результаті чого останнім часом відбулися істотні зміни в нашому уявленні про еволюційне дерево.
«Напевно, на нас чекає ще багато сюрпризів, і деякі вчені кажуть, що не виключена поява нових доменів у дереві життя, пов'язаних із перебуванням інших організмів, - наголосив О.М. Боронін. – Ці дослідження дають їжу для спроб зрозуміти еволюційні процеси, які відбувалися і відбуваються досі, причому найчастіше прямо на наших очах».
Мікробіологія на передньому краї науки
Усе це має як величезну фундаментальну, а й прикладну користь. Одним із таких прикладів є дослідження причини виникнення полірезистентних мікроорганізмів, перед якими виявляються безсилими найсучасніші антибіотики. Це є величезною медичною проблемою, впоратися з якою поки що не вдається. Саме мікробіологи тут знаходяться на передньому краї роботи з розшифрування механізмів таких проблем і пошуку шляхів їх подолання.
Ще один приклад роботи мікробіологів - це добре відома історія з Helicobacter pylori, за відкриття якої у 2005 році було отримано Нобелівську премію. Внаслідок цієї роботи було показано, що цей мікроорганізм відповідальний за виникнення у людини виразки шлунка. Подальші дослідження підтвердили це і, більше, показали, що ця бактерія відповідальна як за виразку, а й у розвиток раку шлунка. Ось чому сьогодні лікарі рекомендують практично всім пацієнтам із проблемами шлунково-кишкового тракту здати відповідний аналіз: раннє виявлення «ворожої» бактерії дозволяє успішно запобігти найважчим наслідкам.
Але в той же час останні дослідження виявили, що наявність Helicobacter pyloriзнижує ризик виникнення астми. А відсутність його веде до збільшення ризику захворювання на гастроезофагеальний рефлюкс і аденокарциному. Тобто ми бачимо всю складність поведінки та різноманітність властивостей мікроорганізмів.
Тому сьогодні стоїть питання подальшому дослідженні мікробіома людини з метою з'ясування всіх його функцій та визначення ролі окремих мікроорганізмів, що впливають на життя людини.
«Ми всі знаємо, що мікроорганізми сприяють перетравленню їжі, виділяють певні вітаміни, беруть участь у становленні, розвитку та підтримці імунної системи, – нагадав О.М. Боронін. - Вони певною мірою намагаються захистити нас від хвороб шляхом боротьби з патогенами або шляхом простої конкуренції. Це складний світ, набагато давніший і, можливо, різноманітніший, ніж наш, і наше завдання – спробувати в ньому розібратися, щоб на основі наукових даних перейти до нового покоління пробіотиків, які сприяють стабілізації мікробіома або його поправкам у випадках, коли він виходить із рівноваги. під дією тих самих антибіотиків. Адже не секрет, що велика кількість антибіотиків, що використовуються, і непомірне їх вживання стають причиною низки серйозних порушень у роботі ШКТ. Можете уявити, який стрес відчуває наш мікробіом і які можуть бути наслідки. А наслідки можуть бути найважчими. Скажімо, у товстій кишці може з'явитися один із видів пластидів, який призводить до захворювання, здатного закінчитися летальним кінцем».
За словами доповідача, ми недооцінюємо вплив на нас світу мікроорганізмів. Останнім часом з'являються дані, що мікробіологія впливає як на наше фізичне здоров'я, а й у поведінка, і психіку, і навіть релігійність людини. Тому вивчення біології мікроорганізмів – це ключ до розуміння природи глобальної екосистеми, наголосив О.М. Боронін.
Присутні також згадали Г.К. Скрябіна, його неоціненний внесок у розвиток вітчизняної біологічної науки, багаторічну службу на посаді Головного Вченого секретаря Академії наук, дивовижну працездатність, дружелюбність та невичерпну життєву енергію, яку він мав. На думку всіх присутніх, такі люди, як Г.К. Скрябін, роблять історію країни, примножують її наукове та людське надбання. За словами голови конференції академіка М.П. Кирпичникова, Г.К. Скрябін був не просто видатним вченим, а й видатним громадянином своєї країни. Саме такі люди роблять свою країну по-справжньому великою.
Наталія Лєскова
Біотехнології, незважаючи на весь пафос та інноваційність назви – одна з найдавніших галузей, що з'явилася тоді, коли саме поняття науки ще не стало. При цьому, без жодних сумнівів, сьогодні біотехнології в широкому сенсі даного поняття є одним з найбільш перспективних і перспективних напрямів вивчення можливостей використання живих організмів.
Фактично ж людство вперше зіткнулося в біотехнологіях (у найпростішому і широкому розумінні) у той самий момент, коли вони зіткнулися з “біотою” – тобто біологічно активним населенням найрізноманітніших сутностей на нашій планеті: при випіканні хліба, пивоварінні (в обох випадках це дріжджові культури) і при перших, боязких, кроках у селекції тих рослин, які допомагали прогодуватися.
Звісно, усвідомлений і планомірний розвиток біотехнологій почався пізніше, практично – недавно за мірками науки, наприкінці XVII століття, коли було відкрито існування мікроорганізмів. Величезну роль у цьому відкритті відіграв петербурзький академік К. С. Кірхгов, який відкрив явище біологічного каталізу і намагався біокаталітичним шляхом одержати цукор із доступної вітчизняної сировини (насамперед – буряків). А терміну “біотехнології” ми завдячуємо угорському інженеру Карлу Ерекі, який уперше використав його у своїх роботах у 1917 році. Велика заслуга в початковому становленні біотехнологій, як напряму науки біології, також віддається і одному з найвідоміших мікробіологів - Луї Пастеру, завдяки відкриттям якого ніхто не сумнівався в тому, що біотехнології є самостійним науковим напрямом.
Перший патент у галузі біотехнологій було видано 1891 року у США – японський біохімік Дз. Такаміне відкрив методику використання ферментних препаратів у промислових цілях: застосовувати діастазу для оцукрювання рослинних відходів.
У XX столітті розвиток біотехнологій набув нового вигляду та безлічі напрямів – зокрема, вони почали впливати на інші галузі та галузі господарсько-економічної діяльності людини. Варто сказати лише, що активний розвиток бродильної та мікробіологічної промисловості дав нам сотні, якщо не тисячі, методик та препаратів, що істотно покращують життя кожної людини: стало можливим виробництво антибіотиків, харчових концентратів, а також здійснення контролю за ферментацією продуктів рослинного та тваринного походження, що шалено важливо для забезпечення продовольством.
Виділення та очищення до прийнятного рівня першого антибіотика – пеніциліну, стало можливим лише у 1940 році, одночасно вивівши всю галузь біотехнологій на абсолютно новий рівень та ставлячи нові завдання, такі як: пошук та відпрацювання технологій виробництва лікарських речовин, що продукуються мікроорганізмами, робота над здешевленням та підвищенням рівня безпеки при прийомі лікарських препаратів пацієнтом тощо.
У сьогоднішньому світі біотехнології вже фактично нерозривно пов'язані з інженерією (у тому числі і генною), енергетикою, медициною, сільським господарством, екологією та багатьма іншими галузями та науковими напрямами думки.
За останні 100 років завдяки нестримному прогресу в усіх напрямках спектр завдань і методики їх вирішення в біотехнологіях значно змінилися. В основі т.зв. "нової" біотехнології лежать вже дуже просунуті та високотехнологічні методи генної та клітинної інженерії, за допомогою яких проводиться безліч складних операцій, у тому числі – відтворення з окремих фрагментів клітин їх життєздатних копій.
На стику біотехнології та інших наукових галузей можуть народжуватися найцікавіші та найнесподіваніші рішення, що дозволяють глибше впізнавати та використовувати потенціал найрізноманітніших живих організмів. Як наслідок, ми більше дізнаємося про ті процеси, за допомогою яких ми отримуємо:
– Матеріали та композити
– Паливо та способи синтезу
– Лікарські препарати та вакцини
– Методи діагностики та профілактики захворювань, у тому числі генетично обумовлених
- Не кажучи про процеси старіння, які є в певному сенсі "філософським каменем" світу біотехнологій, є безліч абсолютно приземлених і, вибачте, "простих" перспектив застосування в реальному житті з її практикою.
Насамперед тут, звичайно, невиправдано нелюбимі неосвіченим читачем/глядачем/слухачем “генно-модифіковані організми”, горезвісний “ГМО”. Насправді людство, з тієї самої миті, як воно змінило кочівництво на осілий спосіб життя і почало обробляти землю та розводити худобу, займалося створенням “генно-модифікованих” культур у сільському господарстві. Без цього в нас не було б урожаю в принципі, оскільки умови біоценозу (тобто сталого розвитку організмів) просто не дозволили б виростити ні корову, ні пшеницю. І саме тому біотехнології в галузі рослинних культур можуть вирішити безліч проблем, від голоду та забезпечення продуктами, до покращення якості життя всіх людей внаслідок гармонізації рівнів поживності найрізноманітніших продуктів рослинного походження.
Не треба думати, що біотехнології сьогодні досягли піку власного розвитку – така думка була б докорінно невірною. Відбувається подальша фрагментація “біотехнологій” на ємні напрями, які займаються прикладними завданнями. Наприклад, у Росії було прийнято “Комплексна програма розвитку біотехнологій”, у межах якої планується створення глобально конкурентного секту біоекономіки та підприємств, які працюють у цій галузі. При цьому очікується, що до 2020 року обсяг цього сектора становив щонайменше 1% ВВП, а до 2030 – щонайменше 3% ВВП Російської Федерації. Це не просто амбітні плани, це сувора реальність, якій потрібно відповідати.
На які галузі можуть вплинути біотехнології у найближчому майбутньому? Майже на все, адже ми бачимо подальшу інтеграцію різних наукових та прикладних галузей одна з одною.
Візьмемо для прикладу космічну галузь, яка вже сьогодні активно працює із мікроорганізмами, застосовуючи справжні біотехнологічні методи. Наприклад, завдяки відправленню різних видів мікроорганізмів на МКС, ми знаємо, що велика кількість бактерій стійка до жорсткого космічного випромінювання найрізноманітніших спектрів і хвиль. Більше того, ми виявили на Землі мікроорганізми, що перебувають у стані анабіозу (грубо кажучи: “спячки”), які вийшли з нього тільки опромінені космічними променями. Вони мікроорганізми просто не могли утворитися на нашій планеті, вони були занесені до нас у процесі формування Сонячної системи з інших космічних об'єктів нашої галактики.
Які ще біотехнології можуть вплинути на освоєння людьми найближчого до нас космосу? Уявіть собі навіть просту дослідницьку експедицію до інших планет у межах нашої локальної групи – наприклад, до Марса. Крім психологічної стійкості екіпажу такої експедиції (а політ триватиме мінімально рік при поточному рівні розвитку ракетних та інших видів двигунів, придатних для міжпланетного сполучення), їй знадобиться пристойний запас продовольства та палива. Навіть зараз на МКС неможливо доставити річний запас продовольства для групи з 3-5 космонавтів - це надто важко і знадобиться кілька ракет-носіїв. Що вже казати про довгострокову космічну місію, в рамках якої можливості поповнення запасів “по-дорозі” просто не буде.
Тому і потрібно буде налагодити безперебійне вирощування їжі на місці - тільки така схема забезпечить безпеку і місії польоту, і колонізації. З цим згодні і вчені Національної лабораторії ім. Берклі” у США, які пропонують, якраз, вдатися до використання останніх досягнень у галузі синтетичної біології. Що це означає?
Дослідники підрахували, що для експедиції на Марс тривалістю приблизно близько двох з половиною років використання сучасних методів, що застосовуються в біотехнологіях, дозволить у два з половиною рази скоротити потребу в паливному паливі і на ⅓ – у продовольстві. У доповіді дослідники наголосили, що останні розробки на стику біології та нанотехнологій також допоможуть у будівництві житлових модулів. Безпосередньо на іншій планеті, чи то Марс, чи якась інша. Усі необхідні для цього матеріали можна синтезувати прямо на місці, а будівельні блоки отримають за технологією багатошарового 3D-друку.
Звичайно, є у біотехнологій і численні "противаги" і стримуючі фактори, першими з яких йдуть соціально-етичні та релігійні передумови. Людина може, фактично, використовувати можливості живих організмів на вирішення найрізноманітніших завдань у нескінченному циклі, але, практично, лише до певного моменту – деякої риси, переходити яку “не можна”. Насамперед це стосується повного клонування живих організмів (згадаймо овечку "Доллі" і все те, що про неї йшлося). Сьогодні це заборонено в більшості розвинених країн, а людям, які всупереч усьому готові цим займатися, доводиться шукати і фінансування, і умови для роботи там, де вони не порушують жодних законів – наприклад, у нейтральних водах світового океану (які не контролюються національними законами однієї країни).
При цьому, звичайно, ніхто сьогодні не відкидає того факту, що в майбутньому повне клонування людини стане можливим. Як це простимулює всю галузь біотехнологій і які нові наукомісткі напрямки роботи в ній з'являться за цією подією – покаже майбутнє.
Це стосується загального розвитку біотехнологій, як великої наукової та промислової галузі на стику технологій та біології. А на які професії та сфери зайнятості впливають широкі біотехнології, як поняття? Насправді їх безліч. Спробуємо перерахувати лише найцікавіші та найперспективніші.
Це фахівець із заміщення існуючих та формально застарілих рішень у різних галузях новими методиками в галузі біотехнологій (наприклад біопаливо замість дизельного палива, або органічні будівельні матеріали замість цементу, бетону та сталі).
Це фахівець із планування, проектування та створення технологій замкнутого циклу за участю генетично модифікованих організмів та мікроорганізмів (біоректори, системи виробництва їжі у міських умовах).
Це спеціаліст, який займається проектуванням міст нового типу, з використанням останніх досягнень у галузі біотехнологій, у тому числі чистих біологічних енергоресурсів та систем контролю забруднення довкілля.
Це фахівець зі створення нових лікарських біопрепаратів із заданими властивостями, які зможуть замінити штучно синтезовані ліки.
Це фахівець із облаштування та обслуговування агропромислових господарств на дахах та стінах хмарочосів та житлових будинків, тобто в умовах міської забудови. Тут можуть бути як продукти харчування, так і розведення худоби.
Це фахівець, який застосовує властивості та організацію живої природи та живих організмів (у тому числі й людини) для створення автоматизованих систем та удосконалення обчислювальної техніки. Наприклад, розподілені обчислювальні мережі з урахуванням мікроорганізмів вже сьогодні вирішують специфічні завдання, не підвладні комп'ютерного моделювання.