Биотехнологии

Биотехнологии

Быстрая сборка вакцин от вирусов, эффективные лекарства от ранее неизлечимых болезней, технологии 3D-печати органов, клонирование домашних питомцев и даже сборка генома питомца под запрос будущего хозяина стали доступными и реальными услугами для жителей всего мира.

Мы часто слышим его,  когда смотрим фильмы про будущее. Как правило, они связаны с расширением возможностей человека и покорением далёких планет, либо с клонированием и созданием поколений идеальных людей с искусственно собранным геномом без возможных заболеваний.

В основе биотехнологий лежат принципы работы с живыми объектами и их частями, их органическими изменениями и адаптациями с помощью генетических, математических и инженерных решений. Благодаря уникальным возможностям живых организмов — рост, развитие, изменчивость и адаптация к изменяющимся условиям — биотех имеет практически неограниченный потенциал. По масштабу решаемых задач биотехнология по праву считается наукой будущего и движущей силой развития всего человечества.

Без биотеха сегодня не обходится практически ни одна сфера нашей жизни — от пищевых продуктов, которые мы употребляем, до растений, которые высаживаем, и лекарств, которые покупаем в аптеке.

Например, безопасная водопроводная вода в городе — это результат не только механической фильтрации и химического обеззараживания. На водоочистных сооружениях работают живые организмы — бактерии и микроводоросли, образующие так называемый активный ил, который эффективно удаляет значительное количество загрязнений из сточных вод. И всё это стало возможным благодаря развитию биотехнологий.

Модифицированные томаты с вакциной от опасной инфекции, клонированные люди с «идеальным» геномом, капсулы для восстановления здоровья и райские сады на огромных космических кораблях — так выглядит биотех в научной фантастике. Но уже сегодня часть этих фантазий стала реальностью.

В школьных предметах биотех — это общая картинка на стыке уроков по окружающему миру, технологии, биологии, химии, физике и географии. Биологический объект всегда является живым, и здесь мы точно должны опираться на биологию, но для обработки большого количества информации необходимы знания по математике и информатике.

тот, кто знает, как получить ценный антибиотик из плесени

тот, кто способен создать биофильтр для очистки воздуха от выхлопных газов

тот, кто не боится применять инженерные методы для работы с живыми организмами

тот, кто создаёт лекарства от неизлечимых ранее заболеваний

тот, кто готов создавать новое и открывать тайны природы

тот, кто может зажечь лампочку от картофелины

тот, кто выращивает красивые цветы в центре большого города

Всё это позволяет биотехнологу решать самые актуальные проблемы, объединять разные области и профессии вокруг создания новых технологий и продвигать науку вперёд

Современные пищевые и косметические производства, как и любые фермерские хозяйства, уже невозможно представить без высокоточных систем автоматизации

Современные методы диагностики в медицине включают в себя секвенирование генома и ПЦР-аналитику — методы, совсем недавно применимые только в молекулярной биологии для уникальных экспериментов

Генетические модификации организмов и клонирование позволяют влиять на экосистемы и поддерживать численность популяций вымирающих животных

Основные качества биотехнолога

Молекулярная биология и работа с ДНК сегодня использует ИТ-методы для ускорения процесса обработки данных и поиска информации, а биоинформатика уже стала привычной профессией

1

4

3

2

Понимание процессов, характерных для живых систем

Инженерное мышление — навык придумывать, где и как можно реализовать новое прикладное решение

Умение наблюдать, исследовать и делать беспристрастные выводы

Способность устанавливать последовательности и логические связи

Уровень развития науки в XX веке позволил биотехнологиям сделать значительный шаг вперёд: были созданы первые лекарственные формы антибиотиков, учёные смогли заглянуть внутрь клетки, научились целенаправленно изменять её свойства и совершать фундаментальные открытия. Например, определение структуры ДНК стало огромным прорывом в медицине и способствовало улучшению качества жизни людей.

4

3

2

1

Биоинженерия сочетает молекулярную биологию и инженерные подходы для разработки новых биологических систем и процессов. Основные сложности данного направления заключаются в непредсказуемости работы с синтетическими биологическими конструкциями, которые часто ведут себя неожиданно в живых клетках из-за сложного взаимодействия с естественными метаболическими путями.

Инженерные биологические системы

Регенеративная медицина и технологии 3D-биопечати

Новые форматы медицины — выращивание органов и биологических тканей — способны дать новый толчок в развитии лечения и восстановления. Однако создание функциональных тканей и органов осложняется проблемами формирования естественной среды для кровеносных сосудов и нервных связей в напечатанных структурах. Отсутствие универсальных решений для восстанавливаемых органов делает работу различных медицинских учреждений неэффективной и незаменяемой. Поэтому, несмотря на очевидную пользу медицинских решений с использованием биопечати, развитие этой области упирается в стоимость и ограничения законодательной базы при одобрении лечения.

Новые форматы использования биотехнологий — геномика, протеомика, метаболика — способны создать новые научные и прикладные решения при исследовании и лечении заболеваний. Но генерация огромных массивов данных на основе кода ДНК требует сверхмощных вычислительных ресурсов и сложных алгоритмов для их интерпретации. Интеграция данных различных омиксных уровней — например, сопоставление генетических мутаций с изменениями в белковом составе и метаболитах — остаётся нерешённой методологической проблемой и пока имеет ограниченное применение в клинической практике.

Омиксные технологии

Агробиотехнологии и современное сельское хозяйство

Текущий уровень биотехнологий высок, и для человека прошлого столетия казался бы недостижимым. Но работа биотехнологов, по сути, только начата, ведь в каждом из направлений деятельности биотехнологов множество внутренних развилок и задач для решения.

Новые виды удобрений, выведение новых культур, контроль и своевременное лечение заболеваний позволяют получать большие и устойчивые урожаи. Однако есть и риски:  создание засухоустойчивых и болезнестойких сортов растений требует многолетних полевых испытаний, климатические изменения усложняют прогнозирование их эффективности, а современные методы точного земледелия с использованием биосенсоров и дронов, несмотря на их эффективность, существенно увеличивают затраты на производство сельскохозяйственной продукции.

3

2

1

Человек, осваивая планету, научился не только добывать пищу в дикой природе, но и вести сельское хозяйство, отбирая наиболее ценные виды животных и растений, что позволило получать достаточное количество продуктов. Люди начали разрабатывать месторождения полезных ископаемых и создавать прочные и функциональные материалы. С развитием технологий население планеты выросло, и то, что раньше в изобилии находилось в лесах, морях и недрах, стало расходоваться быстрее. Устаревшие методы добычи загрязняли месторождения отходами, ещё сильнее затрудняя естественное восстановление ресурсов. Перед человеком стоит проблема сохранения краснокнижных видов и контроля над ареалами распространения диких животных.

Сохранение биоразнообразия на планете

Восстановление природной среды и снижение уровня загрязнения

Сложность реализации программ экомониторинга и повсеместной очистки природных сред заключается в поиске баланса между эффективностью, безопасностью и масштабируемостью. Биотехнологии предлагают перспективные решения, такие как биоремедиация — использование микроорганизмов для очистки почвы и воды, углерод-фиксирующие водоросли и биоразлагаемые материалы. Но пока большинство этих технологий экономически невыгодны, а искусственно созданные или модифицированные организмы могут непредсказуемо повлиять на экосистемы, вызывая дисбаланс. Ключевая задача текущего уровня развития экологических подходов — не только разработать эффективные биотехнологические инструменты, но и интегрировать их в экономику и законодательство так, чтобы они действительно снижали антропогенную нагрузку на планету.

Повышение качества жизни человека

В постоянно меняющемся технологичном мире главным остаётся одно: сохранить живое на планете Земля и безопасно использовать безграничный потенциал природы.

Несмотря на прорывы в персонализированной медицине, генной терапии и производстве экологически чистых продуктов, многие технологии остаются дорогостоящими и доступными лишь для ограниченного круга людей или развитых стран. Это создаёт риск углубления социального и экономического неравенства. Например, дорогостоящие методы лечения редких заболеваний или продление жизни с помощью биотехнологий могут стать привилегией богатых, тогда как основное население останется без доступа к ним. Проблема доступа к качественным продуктам питания, диагностике и лечению заболеваний остаётся актуальной, несмотря на большой шаг в удешевлении и распространении биотехнологических решений по всему миру.

Сегодня команды биотехнологов из Москвы, Новосибирска, Уфы, Санкт-Петербурга, Сириуса и других городов России разрабатывают современные пищевые продукты, технологии геномного редактирования и выращивания растений, занимаются сити-фермерством, а также создают безопасные материалы для упаковочной промышленности и строительства.

Масштабное и динамичное развитие биотехнологий позволяет сохранить суверенитет государства и обеспечить базовые потребности граждан: доступ к основным продуктам питания, качественное медицинское обслуживание, заботу о территориях и сельскохозяйственных угодьях, а также создание рабочих мест на предприятиях, оснащённых в соответствии с современными требованиями, учитывающими климатические и географические особенности регионов.

Крупные компании и малый бизнес вносят свой вклад в развитие агропромышленного сектора в части растениеводства и животноводства. При этом они имеют большой ресурс для сбора дикоросов, вылова рыбной продукции, а также развития науки и реализации уникальных проектов, что вносит вклад в устойчивость развития страны.

Северные регионы, как правило, требуют значительного внимания и поддержки в части организации высокоинтенсивного растениеводства и животноводства. Для этого разрабатываются уникальные технологические решения: ситифермы, гидропонные и аэропонные системы.

Грамотное распределение мощностей позволяет создавать эффективные агропромышленные комплексы, способные обмениваться производимыми ресурсами и получать комплексный продукт сельского хозяйства.

Перейти →

Выращивание микрозелени на Крайнем Севере и печать соединительных тканей человека на 3D-принтерах становятся реальными проектами научных, студенческих и школьных команд.

Знакомство с живыми системами окружающего мира происходит в начальной школе, что помогает детям научиться выделять ключевые биологические процессы и их взаимосвязи. Порядок развития каждой части растения при прорастании семян, необходимые для его роста и развития параметры, подбор клетки и корма для хомячка и наблюдение за муравьями тренируют логику и развивают аналитическое мышление.

Все живые организмы и их части взаимосвязаны, а их искусственное выращивание часто требует создания отдельных параметров окружающей среды с использованием инженерных конструкций и систем автоматизации. С этими вопросами школьники начинают знакомиться с 5 класса, а в старшей школе уже ставят эксперименты и тестируют использование современных биологических технологий на практике.

Человек и его здоровье

Фокус на наблюдении за живой природой, простых экспериментах и обучении описания экспериментов.

1—4 класс

Микромир и человек

Формирует представление о роли микроорганизмов в процессах, протекающих в природе, и влиянии микроорганизмов на человека

Даёт понимание того, что такое здоровье и почему необходимо заботиться о его сохранении.

Медицина

Водные биоресурсы

Формирует представление о запасах одного из важнейших веществ на земле — воды, которая является незаменимым ресурсом и компонентом всего живого, вместе с этим оставаясь домом и основной средой обитания для животных и растений.

Создаёт представление о влиянии человека на окружающую среду и позволяет привить себе эко-привычки человека будущего.

Формирует понимание того, как человек взаимодействует с живой и неживой природой, а также показывает, откуда берут сырьё для изготовления продуктов питания, лекарств и других необходимых вещей.

Получение полезных ресурсов из природной среды

Общая экология

Человек и окружающий мир

Формирует понимание основ эволюционной биологии, знакомит не только с разнообразием видов, но и раскрывает пути формирования новых видов и сортов.

Данное направление формирует представление о связанности различных компонентов окружающей среды между собой. Систематика живых организмов позволяет понять связь различных биологических видов и сортов растений.

Систематика живых организмов

Биогеография

Разнообразие мира животных и растений

Сборка и наполнение аквариума, характерного для определённой климатической зоны

Исследование происхождения редких пород декоративных растений или животных и поиск общих предков

Разработка технологии сбора урожая дикоросов, характерных для региона

Изучение свойств природных строительных материалов

Исследование свойств пресных и солёных водоёмов на планете

Разработка состава натуральной соли для ванн и аквариумов, имитирующей воды Красного моря

Исследование видов пластика, используемого человеком в быту

Разработка информационного листа по сортировке отходов в соответствии с нормами

Исследование степени загрязнённости воды в проточном водоёме на основе оценки показателей мутности и цветности

Исследование признаков жизнедеятельности полезных микроорганизмов, участвующих в процессе квашения капусты

Получение пищевых продуктов из многолетних растений

Сбор гербария из папоротников

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Подборка мультфильмов «Фиксики и окружающий мир», 0+

Мультфильм «Это совсем не про это», 1984

Сериал «Наша планета», 2019

Сборник серий про экологию мультсериала «Смешарики», 0+

Трансляция из Московского зоопарка

Канал «Документально» на RuTube, подборки фильмов о флоре и фауне

5—7 класс

Экология

Фокус на изучении устройства среды обитания и системы взаимосвязей, существующих в живой природе, технологий для исследования биосистем и создании проектов.

Источники загрязнения и методы очищения

Изучение основ инженерного проектирования для моделирования систем загрязнения и очистки природных объектов и систем — воды, земли и воздуха.

Освоение принципов раздельного сбора отходов и их переработки, понимание процесса использования различных предметов в быту, участие в экологических акциях.

Экологические привычки

Строение тела человека

Знакомство с принципами работы тела, строением скелета и систем органов, работой мышц и кровеносной системы.

Изучение основ строения биологических организмов, их видов, состав и принцип работы.

Основы цитологии и гистологии

Анатомия

Новые материалы

Углубляет понимание природы происхождения материалов, применяемых человеком в строительстве, упаковке, хранении и производстве продукции, основных критериев качества данных материалов и путей поиска новых рецептур.

Формирует представление о разработке технологий безопасного взаимодействия с окружающей средой и минимизации вреда природе при получении необходимых благ и реализации процессов.

Формирует понимание живых объектов как полноценных и взаимосвязанных элементов системы, находящихся в постоянном развитии и взаимодействии, непрерывно сохраняющих свою динамику.

Биосистемы

Зелёные технологии

Исследование прочности пластика для переноски и хранения пищевых продуктов

Разработка технологии получения биоразлагаемого пластика на основе кукурузного крахмала

Исследование микрофлоры, обитающей на поверхности облицовочного материала зданий на разной высоте относительно земли

Разработка технологии утилизации растительных остатков при получении подсолнечного масла

Разработка технологии получения урожая картофеля в аквапонной системе

1

2

3

4

5

Список серий мультсериала «Смешарики. Всё про ботанику»

Исследовать заповедники

0+

НТО Junior

Сортировать и правильно утилизировать мусор

8—11 класс

Заложить базу для профессионализма в естественно-научном направлении — это выработать умение ставить, формулировать и проверять гипотезы, через небольшие пробы делать вклад в решение глобальных проблем, улучшение качества жизни людей и сохранение природных экосистем и ресурсов

Биофармацевтика

Вакцинология

Удивительная наука, которая помогает нам оставаться здоровыми, борясь с опасными болезнями при помощи вакцин. Представьте себе невидимых супергероев, которые защищают нас от злобных микробов — вот это и есть их работа. Вакцины уже победили множество опасных заболеваний: грипп, гепатит B, менингит. А сейчас идут тестирования вакцин от меланомы и деменции.

Область фармацевтики, которая занимается разработкой, производством и использованием биологических лекарственных средств, часто имеющих белковую природу и близких по структуре к природным. Речь идёт о вакцинах и антителах, формирующих иммунный ответ при попадании в тело человека инфекционных объектов. Также это могут быть препараты на основе сигнальных белков человека, дающих команду к восстановлению тканей и позволяющие заживлять раны и порезы.

Инновационный метод лечения, направленный на активацию и усиление естественных защитных механизмов организма для борьбы с различными заболеваниями. В отличие от традиционных методов лечения, иммунотерапия фокусируется на модуляции иммунной системы пациента и помогает победить онкологические и аутоиммунные заболевания.

Иммунотерапия

Исследования и внедрение нейроинтерфейсов

Технологии на стыке биологии и инженерии позволяют связать мозг с компьютером или различными устройствами — например, управлять протезами силой мысли.

На примере работы человеческого мозга происходит обучение компьютера, и с помощью компьютерных технологий появляется возможность распознавать образы, речь и принимать решения.

Исследования когнитивных функций различных существ позволяет узнать, как устроен и работает мозг, какие процессы отвечают за мышление, память и эмоции.

Нейробиология

Искусственный интеллект и нейросети

Это область молекулярной биологии, которая изучает транскриптом, то есть совокупность всех транскриптов РНК, которые образуются в клетке или организме в определённый момент времени. Транскриптом включает мРНК, рРНК, тРНК и другие некодирующие РНК. Транскриптом отражает активность генов в клетке и может изменяться в зависимости от условий окружающей среды, стадии развития организма или наличия заболеваний.

Транскриптомика

Метаболомика

Генетическая инженерия

Область молекулярной биологии, которая позволяет осуществлять манипуляции с отдельными генами на молекулярном уровне.

Область науки, которая изучает метаболиты, то есть конечные продукты биохимических процессов в клетках, тканях и организмах. Она позволяет анализировать изменения в метаболических путях, связанных с физиологическими состояниями, заболеваниями или воздействием внешних факторов.

Это междисциплинарная наука, изучающая совокупность всех белков в живых организмах, их модификации и структурно-функциональные особенности. Является продолжением исследований геномов (геномики) и фокусируется на изучении белков как основного продукта реализации наследственной информации.

Протеомика

Биоинформатический анализ

Геномное секвенирование

Расшифровка последовательности ДНК большого количества организмов с последующим хранением этой генетической информации в специализированных базах данных, таких как UGEN.

Поиск взаимосвязи между особенностями генома и фенотипическими признаками, появившимися у организма.

Отбор пар для скрещивания на основе маркерных точек, установленных при расшифровке наиболее удачных и совпадающих признаков.

Ускоренная селекция

Молекулярная диагностика в агробиотехнологии

Использование молекулярных маркеров для выбора наиболее ценных признаков организмов и их дальнейшей селекции.

Клеточные технологии в агробиотехнологии

Работа с культурами тканей для получения лабораторных образцов и более полного изучения процессов, происходящих в животных и растительных организмах.

Разработка биологических средств защиты растений и безопасных удобрений для сокращения количества используемых химикатов, способных загрязнять окружающую среду.

Создание генетически модифицированных организмов с улучшенными сортовыми и продукционными характеристиками.

Современные научные инструменты и методы биотехнологии имеют колоссальное значение в современном сельском хозяйстве, где используются для модификации растений, животных и микроорганизмов.

Генная инженерия в агробиотехнологии

Биопрепараты и биопестициды

Больше чем путешествие

Всероссийский конкурс для школьников АгроНТРИ

YRC PDR

Антропогенез.ру

Национальная технологическая олимпиада

0+

Базы данных по белкам PeptideAtlas и UniProt

Открытое программное обеспечение для UGEN