Специальности: биология, химия
Специализации в области биофизики, биохимии, органического синтеза, генной инженерии
Требуемое образование (уровень образования, тип учебного заведения):
Как и для учёных естественного цикла (биолог). Далее аспирантура и докторантура по избранной теме.
Специфические способности, необходимые для успешного освоения профессии
[как у химика, биолога и другого ученого естественнонаучного направления]
Профилирующие предметы школьной программы:
[как у химика, биолога и другого ученого естественнонаучного направления]
Характер и содержание работы:
[как у химика, биолога и другого ученого естественнонаучного направления] с приборами, оборудованием и др. техникой, позволяющей экспериментировать и работать с объектами до 10-9 м.
Очевидные плюсы
Владение современными научными методами исследования и компьютерными инженерными технологиями, постоянное решение специальных творческих задач, высокий социальный престиж профессии, большая востребованность специалистов.
«Подводные камни», очевидные минусы
[как у химика. биолога и другого ученого естественнонаучного направления]
Возможные профессиональные заболевания: [как у химика, биолога и другого ученого естественнонаучного направления]
Вилка зарплаты (в рублях в среднем в месяц):
[как у химика. биолога и другого ученого естественнонаучного направления]
Современные биотехнологии – в значительной степени нанотехнологии. Генная инженерия – центральный сектор современных биотехнологий, имеет дело с мельчайшими элементами – генами и их составными частями (нуклеотидами в цепи ДНК). Поэтому кроме этой статьи, нужно прочитать в этой книге статью, посвященную нанотехнологиям.
Биотехнология – это производственное использование биологических агентов (микроорганизмы, растительные клетки, животные клетки, части клеток: клеточные мембраны, рибосомы, митохондрии, хлоропласты) для получения полезных продуктов и нужных превращений. В биотехнологических процессах также используются биологические макромолекулы – рибонуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), белки – чаще всего ферменты. ДНК или РНК необходима для переноса чужеродных генов в клетки.
Биотехнологии сопровождают людей всю историю цивилизации: они пекли хлеб, варили пиво, делали сыр и молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы, хотя и не подозревали об их существовании. Термин «биотехнология» появился недавно, до него употреблялись «промышленная микробиология», «техническая биохимия» и др. Древнейшим биотехнологическим процессом., поставленным на службу людям, было брожение. Еще в шестом тысячелетии до нашей эры на территории Вавилона варили пиво, В третьем тысячелетии до н. э. шумеры умели варить до двух десятков видов пива. Такими же древними биотехнологиями являются виноделие, хлебопечение, получение молочнокислых продуктов.
Биотехнология сегодня – важнейший раздел современной биологии, ставшей, как и физика, в конце XX в. одним из ведущих приоритетов в мире.
Активизация исследований биотехнологических методов произошла в 80-х годах прошедшего века, когда новые подходы обеспечили их эффективное использование в науке и практике. По прогнозам, уже в ближайшие годы продукция, произведенная при помощи биотехнологических методов, составит четверть всего мирового производства.
В нашей стране первые серьёзные успехи биотехнологии также были достигнуты в 80-е годы. В этот период была разработана и активно внедрялась первая общенациональная программа по биотехнологии, были созданы биотехнологические центры, подготовлены квалифицированные кадры специалистов-биотехнологов, организованы биотехнологические лаборатории и кафедры в научно-исследовательских учреждениях и вузах.
Однако в 1990-х годах внимание к проблемам биотехнологии в стране ослабло, а финансирование сокращено. В результате развитие биотехнологических исследований и их практическое использование в России замедлилось, что привело к отставанию от мирового уровня, особенно в области генетической инженерии. Сейчас внимание к биотехнологии вновь усиливается, принят ряд федеральных целевых программ, предусмотрено целевое финансирование отдельных проектов.
В современной биотехнологии можно выделить три основных направления:
Во-первых, промышленная биотехнология как ряд крупномасштабных промышленных биотехнологических производств, использующих микроорганизмы.
Во-вторых, клеточная инженерия. Она включает культивирование растительных и животных клеток. Клеточная биотехнология обеспечивает ускоренное получение новых форм и линий растений и животных, позволяет повысить их устойчивость, продуктивность и качество; она занимается размножением ценных генотипов, получением ценных биологических препаратов пищевого, кормового и медицинского назначения
В-третьих, генная инженерия. По своим целям и возможностям генная инженерия является ведущим звеном биотехнологии. Она обеспечивает генетические изменения, перенос чужеродных генов и других носителей наследственности в клетки растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми качествами. Генная инженерия позволяет решать главные задачи селекции организмов на устойчивость, высокую продуктивность и качество продукции. Во многих лабораториях мира, в том числе и в России, с помощью генетической инженерии созданы принципиально новые трансгенные растения, животные и микроорганизмы, получившие коммерческое признание. В этом направлении еще нужно решить много серьёзных проблем, добиться уверенной идентификации генов, создания банков клонирования, расшифровать механизмы формирования признаков и свойств биологических объектов.
Современная биотехнология тесно связана с рядом других научных и практических направлений.
Биотехнологические методы в молекулярной биологии позволяют определить структуру генома, моделировать клеточные мембраны и т.д. Генная и клеточная инженерия направлена на управление наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создание новых организмов с полезными для человека свойствами.
Биотехнологические методы дают микробиологической промышленности тысячи штаммов различных микроорганизмов. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ. Так получают некоторые виды белков. Растительные клетки служат источником атропина, никотина, алкалоидов, сапонинов и др. Клетки животных и человека также дают ряд биологически активных соединений. Клетки гипофиза – липотропин, стимулятор расщепления жиров, и соматотропин – гормон, регулирующий рост. Клетки животных продуцируют антитела, широко применяемые для диагностики заболеваний. В биохимии, микробиологии, цитологии, ветеринарии также широко используются биотехнологические методы.
Последние достижения биотехнологии впечатляют.
Биологи уже много лет работают над использованием стволовых клеток для регенерации различных органов. В частности, они пытаются превращать их в сердечную ткань, способную заменить участки, претерпевшие омертвение в результате инфаркта. Недавно исследователи университета штата Вашингтон в Сиэттле вместе с сотрудниками калифорнийской биотехнологической фирмы Geron Corporation добились того, что свыше 80% процентов стволовых клеток дали начало кардиомиоцитам, специализированным клеткам сердечной мышцы. Последовавшая подсадка новой сердечной ткани крысам, у которых был искусственно вызван инфаркт миокарда, привела к тому, что сердечная деятельность больных животных существенно улучшилась. После экспериментов с овцами и свиньями ученые через пару лет намерены приступить к клиническим испытаниям своего метода.
В Гарварде идут эксперименты по лечению болезни Альцгеймера. Подопытным мышам ввели непосредственно в мозг созданные генноинженерным методом клетки, обладающие целебным действием. В качестве сырья для их получения использовались клетки соединительной ткани. Донорами были сами мыши, поэтому удалось избежать реакции отторжения. Эта терапия привела к резкому сокращению плотности амилоидных бляшек, разрушающих нейроны в мозгу и вызывающих болезнь Альцгеймера.
Американские ученые опробовали на животных еще один экспериментальный метод борьбы с ожирением. Кристофер Линч и его коллеги сконструировали генноинженерных мышей, которые постоянно переедают и при этом не только не толстеют, но даже отличаются несколько сниженным весом. Эти животные постоянно производит и разрушают белки, которые вовсе не нужны для их жизнедеятельности. Такие циклы бесполезных химических превращений поглощают энергию избыточных пищевых калорий, которая поэтому не идет на формирование жировых запасов. Этот процесс зависит от аминокислоты лейцина. Избыток лейцина позволяет избежать формирования жировых запасов. Ученым теперь нужно убедиться, что манипуляции с этой аминокислотой полностью безвредны и помогают не только мышам, но и человеку. Судя по всему, на это потребуется не один год. А пока что лучше сохранять нормальный вес с помощью разумного питания и физических упражнений.
Исследователи Гарвардского университета вырастили тонкие пленки из клеток сердечной мышцы, которые во многом ведут себя подобно настоящим мышечным волокнам и смогут стать материалом для сердечных заплаток.
Сотрудники Института по изучению малярии при университете им. Джонса Хопкинса выявили вещество, с помощью которого споры малярийного плазмодия прикрепляются к клеткам, выстилающим внутренность кишечника комара – переносчика малярии. Им оказался сульфат хондроитина, сложный углевод из группы мукополисахаридов. Экспериментаторы сконструировали генноинженерную версию такого комара, в организме которого подавлен синтез фермента, участвующего в производстве этого сахара. Такие комары практически не могут служить переносчиками плазмодия, поскольку его споры лишь изредка прикрепляются к стенкам их кишечника. Не исключено, что открытие профессора Марсело Джейкобс-Лорена и его коллег поможет в борьбе с малярией.
Похоже, что первое ГМ-насекомое, которое окажется в дикой природе, будет все-таки не анофелес, а комар другого вида: Aedes aegypti, который является разносчиком лихорадки денге. Ученые из Университета штата Колорадо под руководством профессора Кеннета Ольсона и Университета Калифорнии в Ирвайне под руководством профессора Энтони Джеймса вывели ГМ-комара, устойчивого к этому заболеванию, от которого каждый год умирают 20 тысяч человек из 50 млн заразившихся.
Группа британских ученых из университета Шеффилда разработала новый вид кровезаменителя – «пластиковую кровь». Этот заменитель крови, на самом деле, полимерный, он создан на основе полиэтиленгликоля (ПЭГ). Внешне искусственная кровь выглядит как красная тягучая масса наподобие жидкого меда. Окраска обусловлена наличием порфиринов. Новая синтетическая кровь лишена недостатков обычной крови. Синтетическая кровь хранится долгое время даже при комнатной температуре. Полимерная кровь стерильна. Она занимает значительно меньший объем и может быть растворена в воде перед введением в человеческий организм. Еще более важным фактором, способным решить судьбу разработки, является ее доступность. «Метод создания синтетической крови не требует больших денежных затрат, и в случае необходимости мы можем производить препарат тоннами», – говорит руководитель исследования и разработки Ланс Твимен.
В течение следующего года ученые планируют провести токсикологические тесты и выяснить, в течение какого времени «полимерный гемоглобин» будет выводиться из организма, и не будет ли он при этом претерпевать какие-либо превращения. Если ближайшие тесты дадут положительный результат, то можно будет провести клинические испытания препарата на животных и людях. Если все пройдет гладко, реальный медицинский продукт может быть создан лет через семь.
Первые клинические эксперименты по пересадке искусственных органов и тканей уже проведены. Для тканевой инженерии используют пусть не идеальный, зато надежный источник сырья – мезенхимные стволовые клетки, выделенные из костного мозга или, реже, из жировой и других тканей самого пациента. Выращены искусственные почки коровы, при помощи стволовых клеток из фолликул мышей удалось вырастить волосяной покров другим мышам. Идут клинические испытания зубов, выращиваемых из стволовых клеток костного мозга, искусственных мочевых пузырей.
Специалисты по биотехнологиям востребованы не только в научных учреждениях и вузах, но и в биопроизводствах, которые развиваются и в нашей стране. От советского периода сохранились крупные научные центры и производства. Химия, сельское хозяйство, фармацевтика и медицина, производство новых продуктов, животных, растений, микроорганизмов – спектр вариантов применения способностей в сфере биотехнологий весьма широк.
Повседневная жизнь в биотехнологии – это жизнь в лаборатории. Как и у врачей, это ежедневные операции, маниакальные требования к чистоте, ведение лабораторной документации, журналов опытов, обобщение наблюдений и опытов. Неизбежные ошибки в интерпретации полученных данных, разочарования, когда днем еще кажется , что речь идет о Нобелевской премии, а вечером выясняется, что дело просто в чьих-то немытых руках… Написание статей, которые часто негде опубликовать, кроме Интернета, отчеты перед спонсорами и финансирующими структурами, когда результаты научной работы расходятся с объявленными при заключении договора. Нехватка современной техники, растворов, реактивов, химикатов, недостаток финансирования. Необходимость сохранения в ходе работы требований сохранения коммерческой и интеллектуальной тайны, подготовка патента при получении перспективных результатов.
Путь в биотехнологии аналогичен любому другому пути в науку и высокое производство. Школьный интерес и повышенное внимание к предметам, связанным с будущей профессией. Выбор вуза, максимально отвечающего перспективе качественно овладеть специальностью и уже со студенческой скамьи начать формироваться как специалисту и исследователю. Современный учёный должен отличаться умением и способностью работать в инновационном режиме: в составе творческой (рабочей) группы уметь уверенно и качественно работать, а также довести впоследствии разработку до стадии практического внедрения.