Медико-биологическая аппаратура.

Содержание

 

§1. Биоинженерия. 2

§2. Биокибернетика. 4

§2.1. Введение. Биокибернетика: экология и экономика. 4

§2.2. Области исследований. 5

§3. Биоинформатика. 7

§4. Бионика. 10

§5. Медицинская кибенетика. 12

§6. Нейрокибенетика. 13

§7. Гомеостаз. 14

§8. Синтетическая биология. 17

§9. Системная биология. 19

§10. Биогеоценология. 22

§11. Источники. 25

 

 

 

Биоинженерия.

 

«Биоинженерию» также называют «биомедицинской инженерией».

 

Биоинженерией является дисциплина, которая объединяет инженерно-технический опыт с медицинскими потребностями для повышения уровня в сфере здравоохранения.

Это дисциплина, которая объединяет инженерные науки с науками о жизни, чтобы улучшить здоровье человека.

 

Биоинженерия интегрирует инженерные науки с биомедицинской и клинической практиками, для улучшения здоровья человека в 3 уровня.

· Предварительные знания о живых системах: с применением техники, биологии, визуализации и вычислительных наук в качестве диагностических инструментов.

· Улучшение функции живых систем: проектирование приборов, систем и конструкций, основанных на биологических и небиологических компонентах.

· Предотвращение повреждения живых систем: путем создания моделей, алгоритмов и устройств, которые могут предсказать поведение или руководить поведением.

 

Достигнут существенный прогресс в биоинженерии, включающий в себя разработку:

· искусственных суставов,

· магнитно-резонансной томографии (МРТ),

· кардиостимулятора,

· артроскопии,

· ангиопластика,

· биоинженерной кожи,

· почечного диализа,

· «сердца-легких» машины.

 

Специальности

 

Объединив биологию и медицину с инженерными специальностями, биомедицинские инженеры разрабатывают устройства и процедуры, которые решают медицинские и связанные со здоровьем проблемы. Лица, которые хотят работать в биоинженерии, могут выбрать специализацию во многих областях.

 

Например, выделяют такие специальности в области биоинженерии:

 

Медико-биологическая аппаратура.

Медико-биологическая аппаратура требует применения электроники, измерения принципов и методов для разработки устройств, используемых в диагностике и лечении заболеваний. Передовые технологии в вычислительной технике играют важную роль в медико-биологической аппаратуре.

Одним из примеров медико-биологической аппаратуры является устройство системы медицинского изображения. То есть устройства, которое позволяет врачу-специалисту осуществлять просмотр и анализ 3-мерных изображений, полученных от своих пациентов.

Это влечет за собой расширение видов вычислительной техники и увеличение технических характеристик, необходимых для обработки большого объема информации в системе медицинского изображения.

 

Биомеханика.

Биомеханика изучает механические параметры, которые необходимы в жизни, в «движущихся» системах.

Биомеханики – эксперты людей. Они «вкладывают» в человеческий орган «запасные части». Например, развитие запасных частей человеческих органов включает: искусственные сердце и клапаны для замены сердца, искусственную почку и искусственный тазобедренный сустав.

 

Клиническая инженерия.

Клиническая инженерия находит применение среди технологий для здравоохранения в больницах. Клинические инженеры работают вместе с другими медицинскими командами, чтобы адаптировать приборы для конкретных нужд больницы. Это часто включает в себя:

· Разработку интерфейса инструментов для работы с компьютерными системами.

· Разработку специализированного программного обеспечения для управления прибором, для анализа данных.

 

Реабилитационная техника

Реабилитационная техника является новой и развивающейся специальностью в области биомедицинской инженерии. Реабилитационная техника включает в себя разработку и применение устройств для восстановления функций человека с физическими недостатками.

 

Биомедицинские инженеры вносят вклад в каждую область реабилитационной техники:

· усиление связи для слуха и речи,

· инвалидные коляски и колесные мобильности,

· протезирование,

· технологии для ортопедии и травм спинного мозга.

 

Задачи биомедицинских инженеров.

 

Примеры из основных направлений деятельности биомедицинских инженеров включают в себя:

· Проектирование и строительство кардиостимуляторов, дефибрилляторов, искусственных почки, сердца, сосудов, суставов, рук и ног.

· Проектирование компьютера для мониторинга пациентов во время операции или в отделении интенсивной терапии.

· Проектирование приборов и устройств для терапевтических целей. Таких, например, как лазерная система для хирургии глаза или устройство для автоматической доставки инсулина.

· Проектирование клинических лабораторий (и других подразделений больницы) и медицинского обслуживания системы, которые используют передовые технологии.

· Проектирование, строительство и исследование медицинских систем визуализации на основе рентгеновских лучей, магнитных полей (магнитно-резонансная томография), ультразвука или новых условий.

 

 

 

Биокибернетика.

 

Области исследований.

 

Б иокибернетика – это научное направление, связанное с проникновением идей, методов и технических средств кибернетики в биологию. Зарождение и развитие биокибернетики связаны с эволюцией представления об обратной связи в живой системе и попытками моделирования особенностей её строения и функционирования (П.К.Анохин, Н.А.Бернштейн и др.). Эффективность математического и системного подходов к исследованию живого показали и многие работы в области общей биологии (Дж.Холдейн, Э.С.Бауэр, Р.Фишер, И.И.Шмальгаузен и др.). Процесс «кибернетизации» биологии осуществляется как в теоретической, так и в прикладной областях. Основная теоретическая задача биокибернетики – изучение общих закономерностей управления, а также хранения, переработки и передачи информации в живых системах.

 

Всякий организм – это система, способная к саморазвитию и управлению как внутренними взаимосвязями между органами и функциями, так и соотношениями с факторами среды. Стремясь понять природу живого, учёные часто старались отыскать в организме то, что можно было исследовать изолированно. Цель биокибернетики – изучение организма с учётом основных взаимосвязей, начиная с клеточного, тканевого, органного уровня и кончая организменным. Живая система характеризуется не только обменом вещества и энергии, но и обменом информации. Биокибернетика рассматривает сложные биологические системы во взаимодействии со средой именно с точки зрения теории информации. Одним из важнейших методов биокибернетики является моделирование структуры и закономерностей поведения живой системы; оно включает конструирование искусств, систем, воспроизводящих определённые стороны деятельности организмов, их внутренние связи и отношения.Биокибернетика рассматривает живой организм как многоцелевую «иерархическую» систему управления, осуществляющую свою интегративную деятельность на основе функционального объединения отдельных подсистем, каждая из которых решает «частную» локальную задачу. Особенность организма как сложной динамической системы – единство централизованного и автономного управления. Саморегуляция, характерная для всех уровней управления живой системы, обеспечивается автономными механизмами, пока не возникают такие возмущения, которые требуют вмешательства центральных механизмов управления.

 

В последнее время всё большее внимание биологов привлекают функциональные характеристики биологических систем управления, обусловленные периодическими (ритмическими, циклическими) процессами. Живые организмы с высокой точностью способны «измерять» время («биологические часы»). Это выражается в периодических изменениях дыхания, температуры тела и других процессов жизнедеятельности. Природа биологических ритмов ещё во многом неясна, но есть все основания полагать, что периодичность – фундаментальная характеристика функционирования биологической системы и процессов управления в ней. Процессы, происходящие на каждом из уровней живой системы, характеризуются своей специфической периодичностью, определяемой как внутренними, так и внешними факторами. А между периодической активностью отдельных уровней в нормально функционирующем организме существуют определённые фазовые сдвиги (сдвиги во времени), обусловленные специфической организацией управления на каждом из уровней. Нарушение этих нормальных фазовых сдвигов может вызвать нарушение работы всей живой системы или её части. Это ведёт к сбоям в работе системы управления и накоплению ошибок, что можно описывать как появление «шумов». Коррекция сбоев требует внутренней перенастройки системы (её алгоритма) либо внешних управляющих воздействий за счёт включения механизмов управления более высокого уровня.

 

Живые существа объединяются в системы разного порядка (популяции, биоценозы и т.д.), образуя своеобразную иерархию живых систем. Во всех этих надорганизменных системах, как и в жизни клетки, развитии организма, эволюции органического мира в целом, имеются внутренние механизмы регуляции, для изучения которых также применимы принципы и методы биокибернетики.

Механизмы управления определяют течение жизненных процессов не только в норме, но и в патологии ( Медицинская кибернетика ).

 

Клетка – сложная саморегулирующаяся система. Она обладает многими регуляторными механизмами, одним из которых являются колебания её структуры, связанные с деятельностью митохондрий и совпадающие с колебаниями окислительно-восстановительных процессов. Синтез белков в клетке управляется генетически детерминированными механизмами, связанными с процессами хранения, переработки и передачи генетической информации.

 

Изучение жизнедеятельности организма в целом и его разных функций, а также механизмов, управляющих работой отдельных органов и систем – это та область, где биокибернетика оказалась наиболее результативной. В связи с этим сформировались самостоятельные направления – « физиологическая кибернетика » и « нейрокибернетика », изучающие механизмы поддержания гомеостаза; принципы саморегуляции функций организма и протекания в нём переходных процессов; закономерности нервной и гуморальной регуляции в их единстве и взаимодействии; принципы организации и функционирования нейронов и нервных сетей; механизмы осуществления актов поведения и другие проблемы. Изучая закономерности работы человеческого мозга, в основе которой лежит комплекс алгоритмов, т.е. правил преобразования информации, биокибернетика позволяет моделировать (в т.ч. и на ЭВМ) различные формы работы мозга, выявляя при этом новые закономерности его деятельности. Созданы, например, программы для ЭВМ, обеспечивающие возможность обучения, игры в шахматы, доказательства теорем и др. Развивается т.н. эвристическое программирование, когда исследуют и моделируют правила переработки информации в мозге при тех или иных творческих процессах.

 

Анализ механизмов индивидуального развития и процессов управления в популяциях и сообществах, включающих хранение, переработку и передачу информации от особи к особи – также сфера исследований биокибернетики. На уровне биогеоценозов, включая и биосферу в целом, биокибернетика пытается использовать метод моделирования для целей оптимизации биосферы, в частности для определения путей наиболее рационального вмешательства человека в жизнь природы.

 

Вопросы эволюции с позиций биокибернетики были впервые рассмотрены И.И.Шмальгаузеном, который:

· отметил иерархичность управления,

· выделил основные каналы связи между особями, популяцией и биоценозом,

· определил возможность потери информации и её искажений

· описал эволюционный процесс в терминах теории информации.

С этих же позиций исследуются механизмы различных форм отбора.

 

Примером применения биокибернетики в прикладных целях может служить создание:

· устройств для автоматического управления биологическими функциями (т.н. биопротезирование),

· автоматических устройств для оценки состояния человека:

o трудовой деятельности

o во время спортивной деятельности,

o при творческой работе,

o при работе в субэкстремальных и экстремальных условиях.

 

Использование методов и средств кибернетики для сбора, хранения и переработки информации, получаемой в ходе биологических исследований, позволяет вскрывать новые количественные и качественные закономерности изучаемых процессов и явлений.

 

 

Биоинформатика.

 

Направления исследований биоинформатики:

1. математические методы компьютерного анализа в сравнительной геномике (геномная биоинформатика).

2. разработка алгоритмов и программ для предсказания пространственной структуры белков (структурная биоинформатика).

3. исследование стратегий, соответствующих вычислительных методологий, а также общее управление информационной сложности биологических систем.

 

В биоинформатике используются методы прикладной математики, статистики и информатики. Биоинформатика используется в биохимии, биофизике, экологии и в других областях.

 

 

Аннотация геномов

 

В контексте геномики «аннотация» – это процесс маркировки генов и других объектов в последовательности ДНК. Первая программная система аннотации геномов была создана в 1995 году Оуэном Уайтом (англ. Owen White), работавшим в команде, секвенировавшей и проанализировавшей первый декодированный геном свободноживущего организма, бактерии Haemophilus influenzae. Доктор Уайт построил систему для нахождения генов, тРНК и других объектов ДНК и сделал первые обозначения функций этих генов. Большинство современных систем работают сходным образом, но эти программы постоянно развиваются и улучшаются.

 

Структурная биоинформатика

 

К структурной биоинформатике относится разработка алгоритмов и программ для предсказания пространственной структуры белков. Темы исследований в структурной биоинформатике:

· Рентгеноструктурный анализ (РСА) макромолекул

· Индикаторы качества модели макромолекулы, построенной по данным РСА

· Алгоритмы вычисления поверхности макромолекулы

· Алгоритмы нахождения гидрофобного ядра молекулы белка

· Алгоритмы нахождения структурных доменов белков

· Пространственное выравнивание структур белков

· Структурные классификации доменов SCOP и CATH

· Молекулярная динамика

 

 

Бионика.

 

Бионика (от греч. β ί ο ν – элемент жизни, буквально – живущий) – прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги.

 

Различают:

· биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;

· теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;

· техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

 

Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.

 

Биомиметика

 

В англоязычной и переводной литературе чаще употребляется термин «биомиметика» (от лат. bios – жизнь, и mimesis – подражание) в значении – подход к созданию технологических устройств, при котором идея и основные элементы устройства заимствуются из живой природы. Одним из удачных примеров биомиметики является широко распространенная «липучка», прототипом которой стали плоды растения репейник, цеплявшиеся за шерсть собаки швейцарского инженера Жоржа де Местраля.

 

История развития

 

Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер.

Появление кибернетики, рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т. п.

 

Основные направления работ

 

Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:

· изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);

· исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;

· изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;

· исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.

 

Нейробионика

 

Основными направлениями нейробионики являются изучение физиологии нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток-нейронов и нейронных сетей. Это даёт возможность совершенствовать и развивать архитектуру электронной и вычислительной техники. Существуют теории, утверждающие, что развитие нейробионики будет основанием создания искусственного интеллекта.

 

 

 

Медицинская кибенетика.

 

«Медицинская кибернетика» является научным направлением, связанным с использованием идей, методов и технических средств кибернетики в медицине и здравоохранении.

 

Группы

 

Условно медицинскую кибернетику можно представить следующими группами:

1. Вычислительная диагностика заболеваний.

2. Автоматизированные системы управления и возможности применения их для организации здравоохранения.

 

Нейрокибенетика.

 

Нейрокибернетика – научное направление, изучающее основные закономерности организации и функционирования нейронов и нейронных образований. Основным методом нейрокибернетики является математическое моделирование, при этом данные физиологического эксперимента используются в качестве исходного материала для создания моделей.

Одним из наиболее перспективных направлений нейрокибернетики – на стыке между психологией, биологией и информатикой – является моделирование на основе нейронных сетей.

Нейрокибернетика имеет широкий спектр приложений – от медико-биологических разработок до создания специализированных нейрокомпьютеров.

Термин neurocybernetics, используемый за рубежом, имеет несколько иное значение, близкое к бионике. Русскому термину нейрокибернетика соответствует иной английский термин, neural engineering.

 

 

Гомеостаз.

 

Гомеостаз (др.-греч. ὁ μ ο ι ο σ τ ά σ ι ς от ὁ μ ο ι ο ς – одинаковый, подобный и σ τ ά σ ι ς – стояние, неподвижность) – саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия. Стремление системы воспроизводить себя, восстанавливать утраченное равновесие, преодолевать сопротивление внешней среды.

 

Гомеостаз популяции – способность популяции поддерживать определённую численность своих особей длительное время.

 

Американский физиолог Уолтер Кеннон (Walter B. Cannon) в 1932 году в своей книге «The Wisdom of the Body» («Мудрость тела») предложил этот термин как название для «координированных физиологических процессов, которые поддерживают большинство устойчивых состояний организма». В дальнейшем этот термин распространился на способность динамически сохранять постоянство своего внутреннего состояния любой открытой системы. Однако представление о постоянстве внутренней среды было сформулировано ещё в 1878 году французским учёным Клодом Бернаром.

 

Общие сведения

 

Термин «гомеостаз» чаще всего применяется в биологии. Многоклеточным организмам для существования необходимо сохранять постоянство внутренней среды. Многие экологи убеждены, что этот принцип применим также и к внешней среде. Если система неспособна восстановить свой баланс, она может в итоге перестать функционировать.

Комплексные системы – например, организм человека – должны обладать гомеостазом, чтобы сохранять стабильность и существовать. Эти системы не только должны стремиться выжить, им также приходится адаптироваться к изменениям среды и развиваться.

 

Свойства гомеостаза

 

Гомеостатические системы обладают следующими свойствами:

· Нестабильность системы: тестирует, каким образом ей лучше приспособиться.

· Стремление к равновесию: вся внутренняя, структурная и функциональная организация систем способствует сохранению баланса.

· Непредсказуемость: результирующий эффект от определённого действия зачастую может отличаться от того, который ожидался.

 

Примеры гомеостаза у млекопитающих:

· Регуляция количества минеральных веществ и воды в теле – осморегуляция. Осуществляется в почках.

· Удаление отходов процесса обмена веществ – выделение. Осуществляется экзокринными органами – почками, лёгкими, потовыми железами и желудочно-кишечным трактом.

· Регуляция температуры тела. Понижение температуры через потоотделение, разнообразные терморегулирующие реакции.

· Регуляция уровня глюкозы в крови. В основном осуществляется печенью, инсулином и глюкагоном, выделяемыми поджелудочной железой.

 

Важно отметить, что, хотя организм находится в равновесии, его физиологическое состояние может быть динамическим. Во многих организмах наблюдаются эндогенные изменения в форме циркадного, ультрадианного и инфрадианного ритмов. Так, даже находясь в гомеостазе, температура тела, кровяное давление, частота сердечных сокращений и большинство метаболических индикаторов не всегда находятся на постоянном уровне, но изменяются в течение времени.

 

Экологический гомеостаз

 

Экологический гомеостаз наблюдается в климаксовых сообществах с максимально возможным биоразнообразием при благоприятных условиях среды.

В нарушенных экосистемах, или субклимаксовых биологических сообществах – как, например, остров Кракатау, после сильного извержения вулкана в 1883 – состояние гомеостаза предыдущей лесной климаксовой экосистемы было уничтожено, как и вся жизнь на этом острове. Кракатау за годы после извержения прошёл цепь экологических изменений, в которых новые виды растений и животных сменяли друг друга, что привело к биологической вариативности и в результате климаксовому сообществу. Экологическая сукцессия на Кракатау осуществилась за несколько этапов. Полная цепь сукцессий, приведшая к климаксу, называется присерией. В примере с Кракатау на этом острове образовалось климаксовое сообщество с восемью тысячами различных видов, зарегистрированных в 1983, спустя сто лет с того времени, как извержение уничтожило на нём жизнь. Данные подтверждают, что положение сохраняется в гомеостазе в течение некоторого времени, при этом появление новых видов очень быстро приводит к быстрому исчезновению старых.

Случай с Кракатау и другими нарушенными или нетронутыми экосистемами показывает, что первоначальная колонизация пионерными видами осуществляется через стратегии воспроизведения, основанные на положительной обратной связи, при которых виды расселяются, производя на свет как можно больше потомства, но при этом практически не вкладываясь в успех каждого отдельного. В таких видах наблюдается стремительное развитие и столь же стремительный крах (например, через эпидемию). Когда экосистема приближается к климаксу, такие виды заменяются более сложными климаксовыми видами, которые через отрицательную обратную связь адаптируются к специфическим условиям окружающей их среды. Эти виды тщательно контролируются потенциальной ёмкостью экосистемы и следуют иной стратегии – произведению на свет меньшего потомства, в репродуктивный успех которого в условиях микросреды его специфической экологической ниши вкладывается больше энергии.

Развитие начинается с пионер-сообщества и заканчивается на климаксовом сообществе. Это климаксовое сообщество образуется, когда флора и фауна пришла в баланс с местной средой.

Подобные экосистемы формируют гетерархии, в которых гомеостаз на одном уровне способствует гомеостатическим процессам на другом комплексном уровне. К примеру, потеря листьев у зрелого тропического дерева даёт место для новой поросли и обогащает почву. В равной степени тропическое дерево уменьшает доступ света на низшие уровни и помогает предотвратить инвазию других видов. Но и деревья падают на землю и развитие леса зависит от постоянной смены деревьев, круговорота питательных веществ, осуществляемого бактериями, насекомыми, грибами. Схожим образом такие леса способствуют экологическим процессам – таким, как регуляция микроклиматов или гидрологических циклов экосистемы, а несколько разных экосистем могут взаимодействовать для поддержания гомеостаза речного дренажа в рамках биологического региона. Вариативность биорегионов так же играет роль в гомеостатической стабильности биологического региона, или биома.

 

Биологический гомеостаз

 

Гомеостаз выступает в роли фундаментальной характеристики живых организмов и понимается как поддержание внутренней среды в допустимых пределах.

Внутренняя среда организма включает в себя организменные жидкости – плазму крови, лимфу, межклеточное вещество и цереброспинальную жидкость. Сохранение стабильности этих жидкостей жизненно важно для организмов, тогда как её отсутствие приводит к повреждению генетического материала.

В отношении любого параметра организмы делятся на конформационные и регуляторные. Регуляторные организмы сохраняют параметр на постоянном уровне, независимо от того, что происходит в среде. Конформационные организмы позволяют окружающей среде определять параметр. Например, теплокровные животные сохраняют постоянную температуру тела, тогда как холоднокровные демонстрируют широкий диапазон температур.

Речь не идёт о том, что конформационные организмы не обладают поведенческими приспособлениями, позволяющими им в некоторой степени регулировать взятый параметр. Рептилии, к примеру, часто сидят на нагретых камнях утром, чтобы повысить температуру тела.

Преимущество гомеостатической регуляции состоит в том, что она позволяет организму функционировать более эффективно. Например, холоднокровные животные, как правило, становятся вялыми при низких температурах, тогда как теплокровные почти так же активны, как и всегда. С другой стороны, регуляция требует энергии. Причина, почему некоторые змеи могут есть только раз в неделю, состоит в том, что они тратят намного меньше энергии для поддержания гомеостаза, чем млекопитающие.

 

Клеточный гомеостаз

 

Регуляция химической деятельности клетки достигается с помощью ряда процессов, среди которых особое значение имеет изменение структуры самой цитоплазмы, а также структуры и активности ферментов. Авторегуляция зависит от температуры, степени кислотности, концентрации субстрата, присутствия некоторых макро- и микроэлементов.

 

Другие сферы

 

Понятие «гомеостаз» используется также и в других сферах.

 

Актуарий[5] может говорить о рисковом гомеостазе, при котором, к примеру, люди, у которых на машине установлены незаклинивающие тормоза, не находятся в более безопасном положении по сравнению с теми, у кого они не установлены, потому что эти люди бессознательно компенсируют более безопасный автомобиль рискованной ездой. Это происходит потому, что некоторые удерживающие механизмы – например, страх – перестают действовать.

 

Социологи и психологи могут говорить о стрессовом гомеостазе – стремлении популяции или индивида оставаться на определённом стрессовом уровне, зачастую искусственно вызывая стресс, если «естественного» уровня стресса недостаточно.

 

 

 

Синтетическая биология.

 

Синтетическая биология (Synthetic Biology) – термин, долго использовавшийся для описания подходов в биологии, стремящихся интегрировать различные области исследования для того, чтобы создать более целостный подход к пониманию концепции жизни.

 

В последнее время термин используется в другом значении, сигнализируя о новой области исследования, которая объединяет науку и инженерию с целью проектирования и построения новых (несуществующих в природе) биологических функций и систем.

 

Синтетическая биология – это новое направление генной инженерии. Развивается небольшой плеядой учёных.

 

Главные цели следующие:

1. Узнать о жизни больше, строя её из атомов и молекул, а не разбирая на части, как это делалось ранее.

2. Сделать генную инженерию достойной её названия – превратить её из искусства в строгую дисциплину, которая непрерывно развивается, стандартизируя предыдущие искусственные создания и повторно комбинируя их, чтобы делать новые, более сложные живые системы, которых раньше не существовало в природе.

3. Стереть границу между живым и машинами, чтобы прийти к действительно программируемым организмам.

 

Более 100 лабораторий по всему миру занимаются синтетической биологией. Работы в этой области разобщены; над их систематизацией работает биолог Дрю Энди из Массачусетского технологического института. Это позволит проектировать живые системы, которые ведут себя предсказуемым (и заказанным по желанию) образом и используют взаимозаменяемые детали из стандартного набора генов. Учёные стремятся создать обширный генетический банк, позволяющий создавать любой нужный организм (по аналогии с созданием электронной схемы из промышленных транзисторов и диодов). Банк составляют биокирпичи (BioBrick) – фрагменты ДНК, чья функция строго определена и которые можно внедрить в геном клетки для синтеза заранее известного белка. Все отобранные биокирпичи спроектированы так, чтобы хорошо взаимодействовать со всеми другими на двух уровнях:

· механическом – чтобы их легко было изготовить, хранить и включать в генетическую цепочку;

· программном – чтобы каждый кирпич посылал определённые химические сигналы и взаимодействовал с другими фрагментами кода.

 

Сейчас в Массачусетском технологическом институте создали и систематизировали уже более 140 биокирпичей. Сложность заключается в том, что очень многие сконструированные фрагменты ДНК при внедрении в генетический код клетки-реципиента уничтожают её.

Синтетическая биология способна создать генинженерные бактерии, которые могут производить сложнейшие и дефицитные лекарства дёшево и в промышленных объёмах. Спроектированные геномы могут привести к появлению альтернативных источников энергии (синтез биотоплива) или к бактериям, которые помогут удалять излишний углекислый газ из атмосферы.

 

Исследования и учёные

 

Корни синтетической биологии уходят в 1989 год, когда команда биологов из Цюриха под руководством Стивена Беннера (Steven Benner) синтезировала ДНК, содержащую две искусственных генетических буквы помимо четырёх известных (аденин, цитозин, гуанин и тимин), используемых всеми живыми организмами Земли.

Большинство учёных придерживается природных моделей; они пробуют создать клетки, которые окружены двухслойными мембранами и наполнены генетическим материалом в виде ДНК или РНК.

 

· Биолог Дрю Энди (Drew Endy, Массачусетский технологический институт) работает над созданием биодетектора скрытых мин: в бактерии внедряется нужный генетический код, затем бактерии распыляются на местности. Там, где есть тротил в почве (а он неизбежно просачивается из мины наружу) – бактерии синтезируют флуоресцентный белок, после чего в тёмное время суток мины можно обнаружить.

· Группа учёных из университета Принстона (Princeton University) создала светящиеся бактерии кишечной палочки.

· Биологи из университета Бостона (Boston University) наделили бактерию кишечной палочки элементарной цифровой бинарной памятью (соединили в бактерии два новых гена, активирующихся в противофазе – в зависимости от химических компонентов на входе эти бактерии «переключаются» между двумя устойчивыми состояниями, словно триггер на транзисторах).

· Осенью 2003 года группа учёных из американского института биологических энергетических альтернатив (Institute for Biological Energy Alternatives) всего за две недели собрала живой вирус-бактериофаг phiX174, синтезировав его ДНК – 5 тысяч 386 нуклеотидных пар. Синтезированный вирус в поведении аналогичен природным вирусам.

· Крейг Вентер – глава института имени себя (J. Craig Venter Institute – JCVI), является одним из самых ярких сторонников синтетической биологии. Он намерен получить простой базовый организм, на котором в дальнейшем можно проверять работу самых разнообразных искусственных или заимствованных генов. Причём в этом универсальном коде присутствуют кусочки от разных организмов, подобранные таким образом, чтобы обеспечивать базовые функции клетки, включая рост и размножение. Такой «минимальный» организм предоставлял бы идеальные условия для опытов с генами, поскольку в нём не будет содержаться ничего лишнего. Группа учёных из JCVI оформила американский патент на «минимальный бактериальный геном», которого достаточно для поддержания жизни одноклеточного организма, и подала заявку на аналогичный международный патент, где перечислены более 100 стран, в которых он должен защищать права института на данный код.

· Стин Расмуссен (Steen Rasmussen) совместно с коллегами из американской Национальной лаборатории в Лос-Аламосе (Los Alamos National Lab) намерен создать принципиально новую форму жизни. Химики и физики намерены создать протоклетку, которая пусть и будет примитивнее бактерии – должна будет обладать главными особенностями жизни: производить собственную энергию, давать потомство и даже развиваться. Эти поиски могут дать ответ на вопрос, является ли возникновение жизни случайностью или неизбежностью. Протоклетка, по задумке автора, должна представлять собой наиболее простую живую систему: жирные кислоты, некоторый сурфактант и искусственную нуклеиновую кислоту ПНК (PNA, пептидную нуклеиновую кислоту).

12345Следующая ⇒

Поделиться: