к.б.н. М.А. Эльдаров - Фундаментальные основы биотехнологии

Системная биология и биотехнология.
Михаил Анатольевич Эльдаров, канд.биол.наук, вед.н.сотр. Центра
«Биоинженерия» РАН.
Тезисы доклада.
Почти каждый день, с экранов телевизоров, через Интернет, газеты, от своих знакомых
мы узнаем о новых достижениях биологов и медиков в области изучения молекулярных
основ жизни, создания новых лекарств и препаратов для борьбы с раком, инфекционными
и сердечно-сосудистыми заболеваниями, получения новых сортов растений с заданными
признаками, новых штаммов микроорганизмов, биоматериалов.
Эти поразительные достижения наглядно показывают, насколько прочно
биотехнология и биоинженерия вошли в нашу жизнь, и почему они по праву считаются
«науками 21-века».
Так что же такое биотехнология и биоинженерия? Это весьма близкие, но не
совпадающие области, причем биоинженерия может рассматриваться как методическая
основа биотехнологии.
По одному из определений, к биотехнологии относится любой технологический
процесс, который использует живые организмы, или части организмов, для создания и
модификации продуктов, улучшения свойств животных и растений, или создания
микроорганизмов для специфических целей. Биотехнология нацелена на практическое
применение достижений науки и исторически связана с прогрессом в трех основных
областях: здравоохранение, сельское хозяйство/пищевая промышленность, защита
окружающей среды.
Следует различать "традиционную" биотехнологию, как, например, использование
микробиологических
процессов
и ферментаций в хлебопекарной, пивоваренной,
винодельческой промышленности, и "современную", «высокую»
биотехнологию,
основанную на открытиях и достижениях в области молекулярной биологии и генетики,
использовании методов рекомбинантных ДНК,
получении генетически измененных
организмов, клеточных технологиях.
История генной инженерии
насчитывает несколько десятилетий. Первый
генетически-модифицированный организм – бактерия Escherichia coli – был получен в 1973
году американскими учеными Гербертом Боером и Стэнли Коэном. Прогресс в технологиях
рекомбинантных ДНК привел в 70-ые и 80-ые годы ХХ века к разработке методов
получения других генно-инженерно-модифицированных
микроорганизмов, животных,
растений, обладающих принципиально новыми свойствами. Девяностые годы ХХ века
ознаменовались бурным ростом в коммерческом использовании таких организмов, которые
теперь принято называть «биотехнологическими».
Сегодня генная инженерия является неотъемлемым, повседневным инструментом
любых современных исследований организации и функционирования генома
микроорганизмов, растений и животных. В частности, методы инактивации отдельных генов
позволяют установить роль того или иного гена в сложной сети взаимодействий,
контролирующих физиологию клетки и всего организма.
Технологии рекомбинантных ДНК
произвели
настоящую революцию в
биотехнологии. Трансгенные микроорганизмы широко используются для получения
важных для человека медицинских белков и ферментов, низкомолекулярных соединений –
аминокислот, витаминов, антибиотиков.
Трансгенных животных получают с целью
улучшения их свойств – ускоренного роста, пониженного содержания жира, устойчивости к
болезням, а также для получения тех белков человека, которые не удается эффективно
синтезировать в бактериях.
Биотехнологические сельскохозяйственные культуры, устойчивые к биотическим и
абиотическим стрессам (таким как насекомые-вредители, болезни, химические гербициды,
засоленность почв, засуха, резкое повышение или понижение температуры окружающей
среды); а также обладающие другими преимуществами перед сортами, полученными
традиционными методами селекции, например, более ценными пищевыми качествами,
успешно создаются учеными и селекционерами во многих странах мира.
Современные биотехнология и биоинженерия достаточно успешно справляются с
задачей получения относительно несложных соединений, c диагностикой и лечением
моногенных заболеваний, получением трансгенных растений или животных, несущих всего
один или несколького признаков.
В то же время, создание нового поколения микроорганизмов-продуцентов первичных и
вторичных метаболитов, рекомбинантных белков для медицины, полисахаридов, ферментов,
разработка технологий получения биотоплива, биодеградируемых пластиков, тонких
химических соединений, новых методов лечения многофакторных болезней и новых сортов
растений, обладающих комплексом полезных признаков, потребует принципиально нового
понимания тонких молекулярных механизмов разнообразных биологических процессов.
К концу 20-века успехи молекулярной биологии, генетики, медицины, биохимии
привели к накоплению огромного количества экспериментальных данных, прежде всего в
области изучения структуры различных геномов – от бактерий и самых мелких «живых
объектов» - вирусов до растений, животных и человека. .
Колоссально возрос объем информации о строении отдельных генов и их регуляции,
о структуре и свойствах белков, кодируемых этими генами, о протекающих в клетке
биохимических реакциях и т.д.
Стало совершенно очевидно, что традиционные методы биологических исследований
неспособны хоть как-то приблизить нас к пониманию поразительной
сложности
биологических объектов, реализуемой на разных уровнях их организации – от молекул и
клеток до органов, организмов, популяций, экосистем.
Этот вызов привел к возникновению в начале нашего века новых, «постгеномных»
научных дисциплин, таких, например, как транскриптомика, протеомика, метаболомика,
биоинформатика.
Основная задача этих наук – подробная инвентаризация отдельных молекулярных
компонентов живого – генов, белков, «малых» молекул. Достаточно очевидно, что даже
исчерпывающий перечень этих элементов недостаточен для понимания того, как этот
огромный ансамбль биомолекул функционирует во времени и пространстве, обеспечивая
свойства живого.
И тут на помощь биологам пришли кибернетики, с их разработками в области теории
систем и системного анализа, которые раньше плодотворно использовались в технике,
экономике, социологии. Так, на рубеже 20-го и 21-го века возникала системная биология –
обширная область теоретического и прикладного знания, объединяющая достижения
биологических наук с физикой, химией, математикой, программированием.
В чем же состоит системный подход к анализу биологических объектов?
Основная методология теории систем, используемая при анализе как созданных
человеком искусственных систем, так и для природных, биологических систем достаточно
проста: все элементы системы и все операции в ней должны рассматриваться только как
одно целое, только в совокупности, только во взаимосвязи друг с другом.
Приведем цитату из статьи профессора Юрия Лазебника «Может ли биолог починить
радиоприемник?»
«……..призыв к формальным методам в биологии отнюдь не нов. Общая теория систем
была разработана Людвигом фон Берталанффи более 60 лет назад именно как попытка
объяснить сложность организации живых организмов. Он же предложил рассматривать
живые организмы как физические системы. Основополагающие труды фон Берталанффи
послужили основанием для нескольких попыток описать клетки как системы, последняя из
которых, системная биология, становится быстро развивающейся дисциплиной. Мощность
современных компьютеров и успехи в анализе сложных систем позволяют надеяться, что на
этот раз системный подход превратится….. в основной и незаменимый инструмент
биологии».
Можно выделить следующие принципы системного подхода:
1) рассмотрение совокупности элементов системы как единого целого, или, более жестко,
— запрет на рассмотрение системы как простого объединения элементов.
2) Функциональность как указание того, что свойства системы не просто сумма свойств ее
элементов. Тем самым постулируется возможность того, что система обладает особыми
свойствами, которых может и не быть у отдельных элементов.
3) Эффективность системы как функция ее ценности — в виде зависимости ее
эффективности от условий построения и функционирования. Максимум эффективности
системы может считаться третьим ее основным принципом.
4) Запрет на рассмотрение системы в отрыве от окружающей ее среды — как автономной,
обособленной. Это означает обязательность учета внешних связей или, в общем виде,
требование рассматривать анализируемую систему как часть (подсистему) некоторой более
общей системы.
5) Иерархичность – возможность разделения данной системы на отдельные подсистемы.
6) Надежность системы – ее устойчивость к случайным (или воспроизводимым) внутренним
и внешним возмущениям, реализуемая за счет наличия специальных регулирующих
механизмов, «обратных связей» и избыточности элементов и подсистем, позволяющих
системе продолжать свое функционирование при отказе ее отдельных элементов или
модулей.
Первым этапом системного анализа является описание структуры системы – набора ее
элементов и всех возможных связей между ними. Сейчас разработаны различные
генетические и биохимические приемы, позволяющие экспериментально установить
взаимодействия между белками, находящимися в клетке данного организма. На основании
литературных данных
выстраиваются
последовательности биохимических реакций,
цепочки положительных и отрицательных обратных связей, регулирующих генную
экспрессию.
Построенные блок-диаграммы метаболических путей, различных генетических связей
напоминают сложные электронные схемы, или дорожные карты небольшой страны, с
основными магистралями, окружными дорогами, поворотами, развилками, проселками.
К сожалению, сами по себе такие карты
не дают представления о характере и
интенсивности движения элементов системы по ее «маршрутам».
Для того чтобы понять динамику систем используются различные математические
модели и компьютерные алгоритмы.
Более-менее удачные динамические модели созданы для отдельных «ветвей»
метаболизма клетки, стадий процессов деления и размножения клеток, передачи нервного
импульса.
Эти модели постоянно уточняются на основе новых экспериментальных
данных, а предсказания моделей помогают ставить более точные эксперименты.
Со временем модели отдельных клеточных процессов удастся объединить в
целостную, интегрированную модель «электронной клетки», позволяющей методами
компьютерной имитации
представлять динамику всех химических реакций и
макромолекулярных взаимодействий, происходящих внутри и вне клетки.
Решение этой амбициозной задачи будет иметь далеко идущие последствия для
медицины, биотехнологии, биоинженерии.
Системная биология призвана помочь биотехнологии и биоинженерии выполнить свою
миссию движущих сил новой промышленной революции 21 века, экономики, основанной на
знаниях. Можно ожидать, что союз этих наук окажет революционизирующее влияние на
многие аспекты мирового прогресса, в первую очередь, в борьбе с болезнями, голодом,
снижении зависимости от невозобновляемых источников энергии, устойчивому развитию
промышленности
биоразнообразия.
без
загрязнения
окружающей
среды,
сохранению
экосистем
и