Владимир Вакула - Биотехнология: что это такое?

Рассматривая молекулы живых организмов в качестве элементов, передающих информацию, запоминающих, переключающих, распознающих, усиливающих те или иные воспринимаемые ими сигналы, можно создать биодатчики, способные различать молекулы, то есть наделенные даром, которым обладают лишь живые организмы. Причем при создании таких датчиков комбинируются электрохимические и белковые элементы, скажем, антитела, рецепторы.

Самыми первыми биодатчиками были устройства, работающие на ферментах. Так был создан, например, амперметрический микробиодатчик. Схема его создания не столь уж и загадочна: сначала с помощью полупроводниковой технологии изготовляют микроэлектрод, а затем формируют на нем тонкую ферментную пленку.

Последующим этапом на пути конструирования биодатчиков стала иммобилизация на электроде всего нескольких молекул белка. Биодатчики, созданные усилиями двух наук — биотехнологии и электроники, — с успехом применяются в медицинской и пищевой промышленности, выполняют функцию тончайших измерительных приборов и безошибочно регистрируют даже незначительные изменения в окружающей среде.

Идея создания биочипа (биокристалла) также принадлежит одному из уже названных здесь американских ученых. Мак-Элиа, впервые предложивший элементы такого типа, ввел их и в эксперимент и в практику. Сегодня исследователи всего мира, работающие в области биотехнологии и микроэлектроники, знают эти элементы под названием биолитографических молекулярных переключателей.

В основе создания подобных биокристаллов лежит самосборка и самоорганизация белка. А микросхемы на кремнии получают в таких случаях методом литографии. Однако в них для этого непременно используются белки или ферменты — такова современная технология на кремнии. Но самой большой трудностью в данном процессе оказалось создание шаблона. И здесь на помощь исследователям пришли электронные лучи, то есть чистая электроника, без намека на что-либо живое. Но ученые уверены в том, что возможности метода многократно возрастут, если создавать шаблон с помощью одних биохимических реакций. В этом, по сути дела, и заключается идея Мак-Элиа.

Разумеется, все это очень сложно — и сборка, и сам принцип, на основе которого эти устройства работают. Вот почему, трезво оценивая положение вещей, в одном из своих недавних интервью Мак-Элиа заявил, что хотя успехи в создании тонких органических пленок налицо, их апробация лишь началась, а реализацию следует ожидать не менее чем через 15 лет. Другими словами, уже в XXI веке.

Но, как говорится, лиха беда — начало. И исследования в этой области, в том числе молекулярных генераторов, АТФ-генераторов (устройств воспроизведения АТФ), элементов памяти, систем передачи информации, химических усилителей и т. п. — ведутся самым широким фронтом. И уже сконструировано немало электрохимических устройств (биосенсоров), основанных на контакте ферментов, целых бактериальных клеток и культуры животных тканей с различными электродами. А потребность в них растет и растет. Особенно в связи с тем, что в таких приборах и устройствах остро нуждается абсолютное большинство приоритетных направлений НТП.

Так, электронная фирма «Ниппон дэнки» и биотехнологическая фирма «Куреха кагаку» совместными усилиями создали биокристаллы (биочипы) и биодатчики с такой высокой плотностью интеграции, что она оказалась в 100 миллионов раз выше существующих больших интегральных схем (БИС).

Так что нет, пожалуй, в современном мире отрасли промышленности и научного направления, где бы в той или иной степени не связывались с биотехнологией какие-то надежды. Вообразите, что лет эдак через десять вам смогут предложить в фирменном магазине модной одежды элегантный костюм, сшитый из материи, исходным сырьем для которой послужили не шерстяные нити или синтетические волокна, а гифы (нити, образующие тело грибов). Между тем в одном из биотехнологических институтов Великобритании уже получены искусственная кожа, фильтровальная ткань и текстильные изделия для медицинских нужд на основе нитей грибницы. Фантастика? В какой-то мере да. Но уже и реальность, поскольку и ткани и кожа существуют.

Перечень заманчивых перспектив, открываемых биотехнологией, можно было бы продолжить до бесконечности. В Швейцарии, например, недавно запатентован способ микробиологического получения моющих средств на основе... молочной сыворотки. Что сулит широкое распространение таких средств — представить не так уж сложно. Исчезнут аллергические заболевания, перестанет страдать от загрязнения окружающая среда... Одним словом, мир станет чище, здоровее, поскольку использование такого рода моющих средств вполне безопасно для всего сущего на земле.

Разумеется, биотехнологические методы не есть нечто застывшее и стабильное. Они совершенствуются, постоянно обогащаются и открывают такие аспекты в уже установившихся направлениях научного поиска, что последние предстают в совершенно ином свете. Помните, мы довольно подробно говорили о биотехнологическом способе дегазации шахт? Этой же проблемой весьма и весьма серьезно занимаются ученые политехнического института штата Вирджиния (США). Их цель — разработать и внедрить в производство микробиологический способ газификации угля. Работа ведется уже несколько лет, и, наконец, исследователи получили штамм бактерий, успешно расщепляющих ароматические углеводороды углей с образованием метана.

Правда, для осуществления последующих этапов газификации угля тоже необходимо подобрать соответствующие штаммы. Однако согласитесь, исследования американских ученых представляют и сегодня чрезвычайно большой практический интерес, поскольку сулят весьма большие преимущества по сравнению с термохимической газификацией угля.

А вот и другой, так сказать, чисто бытовой аспект проникновения биотехнологии в нашу жизнь. Тому, кто хоть раз пробовал собственными силами отремонтировать квартиру, хорошо известно, сколь осторожно следует обращаться с керамической плиткой. Одно неосторожное движение — и она может в буквальном смысле рассыпаться в прах. Между тем ученые Московского химико-технологического института имени Д. И. Менделеева установили, что биологическая обработка шликерной (керамической) массы для производства плиток способна повысить почти на 15% плотность готовых плиток и уменьшить их пористость на 20%. Для такой обработки используются специальные силикатные бактерии. А в результате не только повышается качество плитки, но и оказывается возможным снизить температуру обжига на 60—75° С. Производство силикатных бактерий уже поставлено на поток. Подсчитано также, что годовой экономический эффект от внедрения этого новшества (при объеме производства 1300 тысяч м2 плиток) составляет 125 тысяч рублей.

Будущее, как известно, рождается сегодня, и потому становление и развитие биотехнологии сопровождается на всем протяжении ее истории неизменным интересом со стороны общества. Достаточно вспомнить ту острую дискуссию, которая возникла в мире по поводу неожиданных перспектив, связанных с реализацией некоторых достижений генетической инженерии. Казалось бы, проблема частная, чисто научная, а сколько шума вокруг нее. Почему?

Потому что, по сути дела, смысл всех дискуссий, бушевавших и не утихающих поныне вокруг идеи генетического «сближения» двух несовместимых организмов, стал лишь поводом для обсуждения более сложной и значимой для выживания человечества проблемы: о реальности контроля науки и ее достижений в самых разнообразных их проявлениях со стороны общества. Недаром ведущие английские исследователи Беннет и Турин охарактеризовали эту волнующую умы проблему следующим образом: «У многих не вызывает никакого сомнения тот факт, что страсти, которые разгорелись вокруг этой проблемы, едва ли имеют значение специфической реакции на развитие определенного направления исследования. Требуя от ученых отчета об их работе с генетически модифицированными бактериями, общественность и ее представители как будто хотят ухватиться за удобную возможность утвердить более общий принцип. Неизведанная область современной биологии позволяет прибегнуть к такой метафоре: в конечном счете вопрос не в том, можно ли удержать бактерии в специальных лабораториях, чтобы они не вырвались оттуда, а в том, можно ли удержать ученых в определенных границах в обычном обществе».

Человек в халете закован в кандалы

Разумеется, что некоторые ограничения, введенные в различных странах на работу с рекомбинантной ДНК, стали не просто временной уступкой встревоженной общественности, но и необходимым условием успешного развития самой биотехнологии. И хотя первоначальные прогнозы по поводу появления в лабораториях монстров, подобных тому, которого описала в своем романе «Франкенштейн» М. Шелли, не оправдались, и ни в одной стране мира не появилось существо, собственным существованием попирающее законы природы, и общественность, и самое науку продолжает волновать вопрос, сколь долго может оставаться незыблемым равновесие сил, предусмотренное эволюцией.