Открытие 21 века в биологии: 20 важных открытий 21 века

Починить сердце. Как три нобелевских открытия XXI века встретились в лаборатории украинского генетика

18 Октября 2021 18:00

Иллюстративное изображение

harvard.edu

Открытия, за которые дают Нобелевские премии, часто кажутся «вещью в себе»: несмотря на их важность, до сих пор непонятно, какая от них польза для большинства людей, которые наукой не занимаются и возможно даже не интересуются.

Сегодня hromadske рассказывает об исследовании украинского генетика Оксаны Пивень. Вместе с коллегами она работает над тем, чтобы создать совершенно новую методику лечения последствий инфаркта, которая однажды может улучшить жизнь тысяч людей только в нашей стране. Работа исследовательницы была бы просто невозможной без по крайней мере трех открытий других ученых, отмеченных Нобелевскими премиями в начале XXI века.  

Шрам на всю оставшуюся жизнь

Сердечно-сосудистые заболевания — главная причина смерти людей во всем мире. Среди них самые распространенные — инсульт и инфаркт. Только в Украине ежегодно случается 40 тысяч инфарктов. 

Сердце доставляет кровь к каждой клетке организма. Но оно само тоже нуждается в крови — ведь это мощная мышца, которая постоянно работает, что бы ни делал человек, даже когда он отдыхает. 

По разным причинам коронарные сосуды, по которым сердце получает кровь для себя, могут сужаться — и однажды какой-то из них «перекрывается» таким образом, что определенный участок сердца перестает получать кислород. Так возникает инфаркт.

Хорошая новость в том, что современная медицина может помочь человеку с инфарктом, но только если доставить его в больницу в течение нескольких часов. И то не во всякую, а в ту, где есть специальное оборудование и специалисты. В таком случае последствия инфаркта будут минимальными для здоровья.

А плохие новости известны давно: если не возобновить поставку крови к сердцу в первые часы, то часть сердечной мышцы отмирает. На ее месте образуется своего рода шрам из соединительной ткани, которая не может сокращаться так же, как это делает сердечная мышца. 

И тогда уже ничего не поделаешь: сердце не восстановится до прежнего состояния, а человек имеет высокие шансы получить инвалидность. 

Доктор биологических наук Оксана Пивень решила найти способ «отмотать время назад» и научиться восстанавливать сердце после инфаркта. В Институте молекулярной биологии и генетики НАН Украины она вместе с коллегами работает над тем, чтобы превратить клетки соединительной ткани, образующиеся в сердце после инфаркта, в клетки сердечной мышцы. Фактически — отменить последствия инфаркта и обновить сердце.

Оксана Пивень

Andrii Piven / Facebook

Коктейль Яманаки

Сами по себе такие процессы в организме происходить не могут. У каждой взрослой клетки есть своя специализация, или «профессия». Она может умереть, может жить вечно в виде раковой клетки, но не может изменить свое назначение. То есть клетка кожи никогда не превратится в красное кровяное тельце, клетка кости никогда не научится сокращаться, как это делает мышечная, а клетка соединительной ткани не превратится в мышечную, которая нужна сердцу. 

Но любая клетка, независимо от ее специализации, несет в себе одинаковый набор генов. Просто часть из них «спит», а часть — «работает». Перечень генов, которые «работают», определяет «профессию» клетки: у клеток соединительной ткани он один, а у клеток сердечной мышцы — другой. 

В начале нынешнего века японский исследователь Синъя Яманака нашел способ превратить взрослые клетки мышей в стволовые, или молодые. Другими словами он сумел отменить их приобретенную «специализацию» и вернул к тому раннему состояния, когда все пути для них открыты — клетка может выбрать свое назначение и стать частью костной или сердечной ткани, занять свое место в коже или в других местах.   

Яманака сделал это с помощью четырех специальных белков. Когда они попадают в клетки, то запускают сложные процессы в работе генов, омолаживая клетки. Этот набор белков получил название «коктейля Яманаки». А сам ученый в 2012 году получил за свое открытие половину Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине Синъя Яманака

AP / Shizuo Kambayash

Благодаря его успеху другие исследователи выяснили, что есть и другие «коктейли» — наборы белков, которые «переключают» клетки с одной «профессии» на другую. Остается доставить их в клетку, или каким-то образом «разбудить» их гены в клетке. Так начинается шоу под названием «клетка меняет профессию». Именно то, что нужно Оксане Пивень и ее коллегам, чтобы научиться лечить последствия инфаркта. 

Рецепт нужного исследовательнице коктейля стал известным благодаря другим ученым. Названия его составляющих вряд ли что-то скажут неспециалисту. Но если в «коктейле Яманаки» их было четыре, то для преобразования соединительных клеток в клетки сердечной мышцы их нужно пять. 

Опять «генетические ножницы»…

Существуют разные способы доставить такой коктейль внутрь клетки. Украинские исследователи решили пойти другим путем и заставить клетку производить его самостоятельно. Ведь все необходимые для этого гены (их называют мастер-генами) в клетках соединительной ткани есть, но они «спят». 

Генетики умеют «разбудить» тот или иной ген, но для этого сначала его нужно найти. По сложности эта задача сравнима с поиском иголки в стоге сена. 

На помощь исследователям пришла система CRISPR/Cas9. Большинство знают ее как «генетические ножницы» — сложную молекулярную систему, способную не просто разрезать молекулу ДНК, но делать это в строго указанном месте. Благодаря этому с ее помощью можно вырезать «сломанные» гены, чтобы заменить их на «исправные».  

Такие вещи пока не применяются широко в медицине, но проводится много исследований, потенциал технологии — огромный. За работы по созданию «генетических ножниц» две исследовательницы — Эммануэль Шарпентье и Дженнифер Дудна — в прошлом году получили Нобелевскую премию по химии.

Саженцы цитрусовых, которые используются для исследований в области редактирования генома в Университете Флориды в Лейк-Альфред

AP / Federica Narancio

…но на этот раз они не режут 

Однако нашим ученым ничего резать не надо. Поэтому они используют «генетические ножницы», лишенные возможности резать, но способные находить те точные места в огромном геноме, где расположены «переключатели» мастер-генов, необходимых для приготовления «коктейля».

Остается ввести специально настроенные «затупленные ножницы» внутрь клетки соединительной ткани и ждать, пока она превратится в мышечную клетку сердца.

Но, как и в любом сложном эксперименте, с первого раза не все так хорошо удается — «волшебного превращения» одних клеток в другие не происходит. Причин может быть множество. Например, может оказаться, что вся эта «молекулярная машина», запускающая выработку нужного «коктейля», даже не попала в клетку.

Как происходит такая доставка? Все необходимые для нее молекулы упаковывают в отдельные плазмиды — маленькие кольцевые ДНК. В этом исследовании доставить надо целый набор инструментов: «сломанные молекулярные ножницы»  — белок Cas9, к которому пришиты другие специальные белки, способные включать гены, а также «GPS навигаторы» — пять молекул, которые и «посадят» «ножницы» в нужном месте нужного гена, чтобы включить его. 

В начале своих исследований каждый из компонентов наши ученые «упаковали» в отдельную плазмиду. Из-за этого некоторые из многочисленных «посылок» не попадали в клетки, а некоторых наоборот попало больше, чем нужно. А в таком случае выработка «коктейля» не запускается.

И теперь ученые работают над тем, чтобы уменьшить количество плазмид-носителей до двух. Одна должна содержать «сломанные молекулярные ножницы» с белками-включателями, а другая — все пять «GPS навигаторов». Кроме того, первая молекула содержит зеленый флуоресцентный белок, а другая — похожий белок, но красного цвета.

Флуоресцентное изображение культивируемых клеток HeLa с флуоресцентным белком, нацеленным на аппарат Гольджи (оранжевый), микротрубочки (зеленый) и ДНК (голубой)

National Center for Microscopy and Imaging Research

Зеленый свет медузы

Такие белки способны светиться, когда их облучают определенным цветом, поэтому активно используются как маркеры во многих исследованиях в клеточной и молекулярной биологии. Если исследователи видят такой белок в клетке, значит, «генетические ножницы» или другая молекулярная конструкция успешно попала внутрь. Это означает, что по крайней мере на этом этапе эксперимента все прошло хорошо.

Зеленый флуоресцентный белок не изобрели люди. Его нашли в организме одного из видов медуз во второй половине XX века. Он оказался таким полезным для клеточных и молекулярных биологов, что в 2008 году за его изучение трое американских ученых — Мартин Чалфи, Осаму Симомура и Роджер Тсиен — получили Нобелевскую премию по химии. Сейчас у исследователей есть уже целая палитра таких молекулярных меток: от нежно-голубого до ярко-красного и лимонно-желтого цвета. Разноцветные белки нужны, чтобы в одном эксперименте отличать метки друг от друга.

Оксана Пивень рассказывает об исследовании механизма восстановления сердечной ткани

Oksana Piven / Facebook

Клетки, крысы и наконец люди

Сейчас группа Оксаны Пивень проводит исследования на двух объектах: клетках соединительной ткани крыс, а также стволовых клетках из человеческой пуповины. В первом случае исследователи наблюдают определенные признаки того, что клетки приобретают черты клеток сердечной мышцы, но пока, к сожалению, не сокращаются. То есть полного преобразования еще не произошло. А во втором случае результатов надо еще подождать.

Конечно, успех в опытах с клетками крыс и человека не может гарантировать того, что технология уже готова для лечения последствий инфаркта. Поэтому дальше исследователи хотят испытать ее на крысах, которым искусственно смоделируют инфаркт, а затем — на изолированных тканях человеческого сердца.

И только если все эти этапы будут успешными, можно будет проводить клинические исследования на людях. Впрочем, Оксана Пивень говорит, что уже сейчас к ней обращаются частные компании с предложениями применить экспериментальное лечение на людях.

Исследовательница считает, что теоретически подобные вмешательства в организм человека даже если не помогут, то вряд ли навредят. Но взять такую ответственность на себя — означало бы нарушить логику испытаний медицинских технологий и пойти на серьезные компромиссы с совестью. Поэтому эти предложения она даже не рассматривает. Но в то же время продолжает идти длинным путем научного исследования.

Топ-10 открытий в генетике за 2017 год

В 2017 году cпециалисты по наследственности предоставили миру невероятные новые инструменты генетического редактирования и обнаружили уязвимые места бактерий и вирусов. Помимо этого, они сделали ряд фундаментальных открытий, которые приблизили нас к пониманию феномена жизни. Мы выбрали 10 главных открытий и достижений в области генетики за 2017 год.

Читайте «Хайтек» в

1. Впервые отредактирован геном живого человека

Операцию провели в Калифорнии сотрудники компании Sangamo Therapeutics. Все прочие опыты, за исключением одного в Китае, о котором мало что известно, осуществлялись исключительно на образцах эмбриональной ткани.

Для 44-летнего пациента редактирование генома стало последним шансом. Брайан Маде страдает от синдрома Хантера, связанного с неспособностью печени производить важный фермент для расщепления мукополисахаридов. Фермент приходится вводить искусственно, что очень дорого, к тому же для борьбы с последствиями болезни Маде пришлось пройти через 26 операций. Чтобы помочь Брайану, ему внутривенно ввели миллиарды копий корректирующих генов, а также генетические инструменты, которые должны разрезать ДНК в определенных местах. Геном клеток печени должен измениться на всю оставшуюся жизнь. В случае успеха лечения исследователи продолжат эксперименты с другими наследственными заболеваниями.

ИИ спровоцировал скачок популярности STEM-образования в Китае

Технологии

2. Создан стабильный полусинтетический организм

В основе любой жизни на Земле лежат четыре буквы-нуклеиновых основания: аденин, тимин, цитозин и гуанин (A, T, C, G). Используя этот алфавит, можно создать любой живой организм, от бактерии до кита. Ученые давно пытаются «взломать» этот код, и в этом году им это, наконец, удалось. Прорыв совершили генетики из Исследовательского института Скриппс. Они дополнили генетический алфавит двумя новыми буквами — X и Y, которые вставили в ДНК кишечной палочки.

Вводить искусственные буквы в ДНК научились уже несколько лет назад, настоящим прорывом 2017 года стала стабильность искусственного организма. Раньше основания X и Y терялись при делениях, и потомки модифицированной бактерии быстро возвращались к «дикому» состоянию. Благодаря усовершенствованию технологий и изменениям, внесенным в основание Y, удалось добиться сохранения искусственных «букв» в геноме бактерий на протяжении 60 поколений. Применение новой технологии на практике пока остается делом будущего — возможно, ее можно будет применить для придания микроорганизмам новых свойств. Пока же для исследователей важнее тот факт, что им удалось модифицировать один из фундаментальных механизмов жизни.

3. Обнаружен «космический ген»

Мир переживает «космический Ренессанс»: компании во главе со SpaceX одна за другой рвутся в космос, а правительства планируют строить колонии на Марсе и Луне. Однако не стоит забывать, что миллионы лет наш вид и его предки эволюционировали для жизни на поверхности Земли. Важно заранее узнать, как долгое пребывание в космосе и на других планетах отразится на человеческом организме, чтобы предпринять необходимые меры защиты. К счастью, у исследователей появилась такая возможность — астронавт Скотт Келли, который провел на МКС около года, и его брат-близнец Марк, остававшийся на Земле, согласились на полное обследование своих организмов.

Помимо ожидаемых физиологических изменений, вызванных невесомостью, ученые с удивлением обнаружили различия в геномах братьев. У Скотта было зафиксировано временное удлинение теломер — концевых участков хромосом, а также изменения в экспрессии более 200 000 молекул РНК. Процесс включения и выключения тысяч генов преобразовался из-за пребывания в космосе. Ученые назвали совокупность этих изменений «космическим геном». Пока неизвестно, как он повлиял на здоровье Скотта — эксперименты с близнецами Келли продолжаются.

4. Доказана эффективность генетической терапии

В 2017 году CRISPR и другие технологии генетического редактирования все активнее применяли для борьбы с различными заболеваниями. В отличие от случая Брайана Маде, большинство подобных методик не требуют масштабных модификаций генома, а клетки редактируются не в организме пациента, а в лаборатории. Подобные способы получили название генетической терапии. В уходящем году исследователи неоднократно доказывали ее эффективность против различных болезней.

Самым ярким примером является борьба с опасным заболеванием, которое и само имеет генетическую природу. Речь идет о раке — точнее, пока только о некоторых его разновидностях. Исследователи продемонстрировали, что, взяв иммунные клетки больных лимфомой, с помощью генного редактирования настроив их на борьбу с опухолью и введя обратно пациенту, можно добиться высокого процента ремиссии. Метод, запатентованный под названием Kymriah™, в августе 2017 года был одобрен FDA.

Google создал генератор речи, неотличимый от голоса человека

Кейсы

5.

Устойчивость к антибиотикам объяснена на молекулярном уровне

В 2017 году обеспокоенные ученые объявили, что настал конец эпохи антибиотиков. Средство, которое почти сто лет спасало миллионы человеческих жизней, быстро становится неэффективным из-за появления устойчивых к антибиотикам бактерий. Это происходит благодаря быстрому размножению микроорганизмов и их способности обмениваться генами. Одна бактерия, научившаяся сопротивляться воздействию лекарств, передаст это умение не только своим потомкам, но и любым находящимся поблизости представителям своего вида.

Однако пока одни пишут манифесты с призывами к правительствам и общественности, другие ищут у супербактерий уязвимые места. Поняв молекулярные основы устойчивости к лекарствам, мы сможем эффективно противостоять супербактериям. Датским ученым впервые удалось доказать, что гены устойчивости и гены антибиотиков родственны друг другу. Микроорганизмы рода Actinobacteria производят как антибиотики, так и вещества, способные их нейтрализовать. Болезнетворные бактерии способны «воровать» у актинобактерий гены, отвечающие за устойчивость, и распространять их по популяции. Хотя остановить горизонтальный перенос генов не под силу никому, обнаруженный механизм позволит найти новые средства борьбы с супербактериями.

6. Выявлены гены долгожительства

В отличие от различных болезней, которые можно научиться лечить, старение является по-настоящему экзистенциальной проблемой. Исследователи твердо намерены «отменить» его, но мы пока точно не знаем ни механизмов старения, ни последствий, которые его исчезновение произведет в обществе. Впрочем, специалисты настроены оптимистично. В 2017 году был проведен целый ряд исследований в области генетики старения, которые могут стать ключом к решению проблемы.

Одним из направлений стал поиск мутаций, связанных с долгожительством. Одна из них была обнаружена в общине амишей. Мутация отвечала за сниженный уровень ингибитора активатора плазминогена (PAI-1). Ее носители жили в среднем на 14 лет дольше, чем другие амиши (85 лет против 71 года). Также они реже болели возрастными заболеваниями, а их теломеры были длиннее. В других исследованиях было показано, что мутация рецептора гормона роста повышает продолжительность жизни у мужчин, а уровень интеллекта генетически связан с медленным старением. Также в прошедшем году китайские ученые обнаружили ген долгожительства у червей. На основе всех этих работ можно попытаться создать настоящее лекарство против старости. Возможно, одним из методов станет генетическая коррекция митохондрий — внутриклеточных батареек, которые с возрастом теряют гибкость.

7. Генетический скрининг стал еще точнее

Мы — это наши гены. По крайней мере, эта идея верна в отношении здоровья, ведь причиной многих болезней является генетическая предрасположенность к ним. Расшифровав свою ДНК, можно узнать о рисках тех или иных заболеваний и предпринять меры профилактики. В 2017 году технологии генетического скрининга совершенствовались и становились все более доступными благодаря ученым и представителям биотехнологических компаний. Например, теперь можно заранее предсказать риск развития сердечно-сосудистых заболеваний и даже склонность к прокрастинации.

Генетический скрининг важен не только для взрослых, но и для еще не родившихся детей и их родителей, и в этой сфере также есть движение вперед. Так, прошлогоднее исследование показало, что новая методика диагностики синдрома Дауна (и ряда других заболеваний) повысила точность предсказаний до 95%. Теперь потенциальные родители смогут решить судьбу плода, не опасаясь ошибки. Стартап Genomic Prediction идет еще дальше: он обещает с высокой точностью предсказывать рост, интеллект и здоровье будущего ребенка. Он использует новые технологии, благодаря которым стало возможным предугадывать не только заболевания и отклонения в развитии, вызванные единичной мутацией, но и состояния, формирующиеся путем взаимодействия множества генов. По сути, это уже евгеника, и к подобной практике возникает ряд этических вопросов.

Белоруссия легализует майнинг и криптовалюты

Технологии

8.

Уточнены генетические механизмы эволюции

У основ теории эволюции стояли Чарльз Дарвин, открывший естественный отбор, и Грегор Мендель, впервые описавший механизмы наследственности. Ученые XX века смогли узнать, как эволюция работает на молекулярном уровне. Однако мы до сих пор далеки от полного понимания этого процесса, и каждый год приносит новые открытия. 2017 не стал исключением. Одной из главных работ о связи генетики и эволюции стало изучение рыб семейства цихлид, которое продемонстрировало, что наследственностью объясняются далеко не все признаки живых организмов. Например, в формировании костей черепа рыб огромную роль играет поведение.

Помимо этого, ученые сделали еще целый ряд замечательных фундаментальных открытий генетических основ эволюции. Им удалось понять, как бесполый червь выживал без секса 18 млн лет, уточнить роль случайности в эволюции и понять, что вирусы служат важнейшим источником новых генов.

9. На ДНК впервые записали музыку

ДНК — система хранения информации, которая успешно работала миллиарды лет. Она надежна и занимает совсем немного места. Поэтому идея использовать ее для записи информации кажется очевидной, ведь люди производят и собирают все больше данных, которые нужно где-то хранить. В 2016 году ученые из Microsoft перевели 200 Мб информации в молекулу ДНК размером с крупинку соли. В 2017 исследования в этой области продолжились.

Компания Twist Bioscience сумела впервые в истории записать на ДНК музыкальный файл. Для этого были выбраны две композиции: «Tutu» Майлза Дэвиса (живая запись с джазового фестиваля в Монтре 1986 года) и хит Deep Purple «Smoke on the Water». По словам исследователей, записи получились идеальными, и любой сможет послушать их, например, через триста лет — достаточно будет воспользоваться машиной, читающей ДНК. В отличие от современных носителей, записи с помощью нуклеиновых кислот не подвержены быстрому разрушению. К тому же этот способ хранения данных настолько компактен, что, согласно расчетам, вся информация из Интернета, закодированная в ДНК, уместится в большую обувную коробку.

10. Созданы генетический принтер и биологический телепорт

С помощью 3D-печати сегодня создают дома, металлические детали и даже органы. Генетик Джон Крейг Вентер решил не останавливаться на этом и построил «генетический принтер», который вместо чернил заполняется основаниями и может печатать ДНК живых организмов. Пока речь идет о наиболее примитивных созданиях, таких как вирусы, например, вирус гриппа, и бактерии, а также об отдельных участках геномов и РНК.

Российский стартап планирует заменить супермаркеты блокчейном

Технологии

У технологии возможно и намного более фантастическое применение — «биологический телепорт». Отправив принтер с нужными материалами на Марс, можно будет с помощью радио отправить ему сигналы для печати бактерий. По мнению Вентера, это самый реалистичный сценарий колонизации Красной планеты: сначала микроорганизмы преобразуют среду, а потом на терраформированный Марс придет человек. Идея уже заинтересовала Илона Маска.

Биология цианобактерий в 21 веке

Крайний срок подачи рукописи 30 ноября 2022 г.

Крайний срок подачи рукописи для продления 31 декабря 2022 г.

Руководящие указания

Цианобактерии — повсеместно распространенные и, несомненно, незаменимые в сельском хозяйстве организмы. Несмотря на вышесказанное, цианобактерии также служат потенциальным источником для получения биологически активных соединений, наночастиц и возобновляемых источников энергии. Они также использовались из-за их стрессоустойчивости и биоремедиации …

Цианобактерии — повсеместно распространенные и, несомненно, незаменимые в сельском хозяйстве организмы. Несмотря на вышесказанное, цианобактерии также служат потенциальным источником для получения биологически активных соединений, наночастиц и возобновляемых источников энергии. Они также использовались из-за их стрессоустойчивости и потенциала биоремедиации, что способствовало изучению этих удивительных организмов. К сожалению, исследования этих организмов ограничены их разнообразием и распространением по земному шару, а также их применением в различных секторах биотехнологии. В последние и ближайшие десятилетия исследователи всего мира начали проявлять интерес к этим крошечным организмам. Однако следует отметить, что эти исследования разрознены. Следовательно, настоящая тема исследования была разработана для обобщения последних исследований, проведенных по всему миру по различным аспектам биологии цианобактерий, чтобы лучше понять физиологию и метаболизм цианобактерий для будущих исследований. Кроме того, темы были разработаны для решения различных исследований 21-го века в области биотехнологии цианобактерий, молекулярной биологии, экологической микробиологии и нанотехнологии.

Текущая тема исследования была разработана для обобщения последних исследований в области биологии цианобактерий, чтобы понять физиологию и метаболизм цианобактерий для будущих исследований и применения в биотехнологии.

Приветствуются рукописи, но не только:

• Цианобактерии как биостимуляторы для устойчивого сельского хозяйства
• Роль цианобактерий в управлении биотическими и абиотическими стрессами
• Прикладной аспект цианобактерий в производстве биотоплива
• Молекулярный аспект физиологии цианобактерий

Ключевые слова :
Разнообразие и эволюция цианобактерий, метаболиты, молекулярная биология реакции на стресс, устойчивое сельское хозяйство, управление абиотическим стрессом, физиология цианобактерий

Важное примечание :
Все вклады в эту тему исследования должны быть в рамках раздела и журнала, в который они представлены, как это определено в их заявлениях о миссии. Frontiers оставляет за собой право направить рукопись, выходящую за рамки рассмотрения, в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.

Новая биология для 21-го века | The National Academies Press

Ниже приведен неисправленный машиночитаемый текст этой главы, предназначенный для предоставления нашим собственным поисковым системам и внешним системам очень богатого, репрезентативного по главам текста каждой книги с возможностью поиска. . Поскольку это НЕИСПРАВЛЕННЫЙ материал, рассмотрите следующий текст как полезный, но недостаточный заменитель для авторитетных страниц книги.

Резюме
В июле 2008 г. Национальные институты здравоохранения (NIH), National Science
Фонд (NSF) и Министерство энергетики (DOE) обратились к Национальному
Совет Научно-исследовательского совета по наукам о жизни созывает комитет для изучения
о текущем состоянии биологических исследований в Соединенных Штатах и ​​рекомендовать
как лучше всего извлечь выгоду из последних технологических и научных достижений, которые
позволили биологам интегрировать результаты биологических исследований, собирать и интерпретировать
значительно увеличить объемы данных и предсказать поведение сложных биологических
системы. С сентября 2008 г. по июль 2009 г., комитет из 16 экспертов
из областей биологии, инженерии и вычислительной науки обязались
очертить эти научно-технические достижения и прийти к консенсусу
о том, как США могли бы извлечь из них максимальную выгоду. Этот отчет, подготовленный
Комитет по новой биологии для 21 века описывает деятельность комитета.
работы и выводы.
Комитет пришел к выводу, что биологические исследования действительно
выдающиеся научные и технические достижения последних лет. В главе-
под названием «Почему сейчас?» комитет описывает интеграцию, происходящую
в области биологии все более плодотворное сотрудничество биологов с
ученых и инженеров из других дисциплин, технологические достижения, которые
позволили биологам собирать и осмысливать все более подробные наблюдения.
ции во все меньшие промежутки времени, а также огромные и во многом непредвиденные
отдача от проекта «Геном человека». Несмотря на этот потенциал, задача
переход от идентификации частей к определению сложных систем, к проектированию систем,
манипулирование и предсказание все еще далеко за пределами текущих возможностей, и
б
 предпосылки к продвижению одинаковы на всех уровнях от клеток до экосистем.
Обозначив авансы, комиссия приступила к
соглашение о том, как США могли бы извлечь из них максимальную выгоду. Комитет был
предложено использовать следующую серию вопросов для руководства дискуссиями:

НОВАЯ БИОЛОГИЯ ДЛЯ 21 ВЕКА
• Какие фундаментальные биологические вопросы готовы к крупным достижениям в
понимание? Каков будет практический результат ответов на эти вопросы?
Как ответы на эти вопросы могут привести к появлению высокоэффективных приложений в ближайшем будущем?
будущее?
• Каким образом фундаментальное понимание живых систем может уменьшить неопределенность?
узнать о будущем жизни на Земле, улучшить здоровье и благополучие людей, а также
привести к мудрому управлению нашей планетой? Могут ли последствия окружающей среды
ментальные, стохастические или генетические изменения следует понимать с точки зрения связанных с ними
связи прочности и хрупкости, присущие всем биологическим системам?
• Как федеральные агентства могут более эффективно использовать свои инвестиции в
биологические исследования и образование для решения сложных проблем в масштабах
анализ от базового к прикладному? В каких областях краткосрочные инвестиции будут наиболее
может привести к существенной долгосрочной выгоде и сильному конкурентному преимуществу.
для Соединенных Штатов? Существуют ли области высокого риска и высокой отдачи, которые заслуживают серьезного
рассмотрение начального финансирования?
• Нужны ли новые механизмы финансирования для поощрения и поддержки
с
 уттинг, междисциплинарные или прикладные исследования в области биологии?
• Каковы основные препятствия на пути к новой интегрированной биологии?
• Каковы последствия новой интегрированной биологии для инфраструктурных
потребности?
• Как следует определять и планировать инфраструктурные приоритеты?
• Каковы последствия новой культуры исследований в области наук о жизни?
комплексный подход к биологии? Как могут физики, химики, математики и
инженеров поощрять помогать строить более широкое биологическое предприятие с масштабом
и опыт для решения широкого круга научных и социальных проблем?
¢ Нужны ли изменения в биологическом образовании, чтобы гарантировать, что специальности биологии
оснащены для работы за пределами традиционных субдисциплинарных границ, чтобы обеспечить
учебные программы по биологии, которые помогают ученым-физикам и инженерам воспользоваться преимуществами
достижений в биологической науке и предоставить неученым уровень био-
логическое понимание, которое дает им информированный голос относительно соответствующей политики
предложения? Нужны ли альтернативные программы на получение степени или можно ли использовать биологические факультеты?
организована для привлечения и обучения студентов, способных комфортно работать в разных дисциплинах.
арные границы?
Комитет обнаружил, что третий пункт: «Как федеральные агентства могут
более эффективно использовать свои инвестиции в биологические исследования и образование
для решения сложных проблем в масштабах анализа от базового до прикладного? В
в каких областях краткосрочные инвестиции с наибольшей вероятностью приведут к существенному
долгосрочная выгода и сильное конкурентное преимущество для Соединенных Штатов?»
предоставил убедительную платформу для рассмотрения каждого из вопросов,
и прочную основу для организации его выводов. Таким образом
Главной рекомендацией комитета является то, что наиболее эффективное использование
инвестиций будет поступать от скоординированных межведомственных усилий по поощрению

ОБЗОР
появление подхода Новой биологии, который будет формулировать и решать
широкие и сложные социальные проблемы. Комиссия сосредоточилась на примерах
возможностей, которые не могут быть реализованы какой-либо одной поддисциплиной или агентством —
возможности, которые требуют интеграции в биологии и с другими науками
и инженерии, и которые трудно использовать в рамках традиционных институтов.
учебные и финансовые структуры. Полная реализация этих возможностей потребует
обеспечение интегрированного подхода к биологическим исследованиям, подхода,
комитет называет Новой Биологией.
Сущность Новой Биологии, как определено комитетом, это «интеграция».
повторная интеграция многих субдисциплин биологии и интеграция в
биологии физиков, химиков, программистов, инженеров и математиков.
специалистов для создания исследовательского сообщества, способного решать широкий круг задач.
научных и общественных проблем. Интеграция знаний из многих дисциплин
позволит глубже понять биологические системы, что приведет к
основанные на биологии решения социальных проблем, а также обратная связь для обогащения
отдельные научные дисциплины, которые вносят новый вклад. Новая биология – это
не предназначено для замены проводимых сейчас исследований; это исследование, большая часть
это фундаментальное и движимое любопытством отдельных ученых, является основой для
на котором зиждется Новая Биология и на что она будет продолжать опираться.
Вместо этого Новая биология представляет собой дополнительный, дополняющий подход.
к биологическим исследованиям. Целенаправленно организованный вокруг решения проблем, этот
подходить к фундаментальным исследованиям для продвижения фундаментального понимания,
объединяет исследователей с разным опытом, разрабатывает технологии
необходимых для выполнения задачи, и координирует усилия для заполнения пробелов,
проблемы решены, а ресурсы задействованы в нужное время. Объединение
сильные стороны различных сообществ не обязательно означает приведение этих
специалистов в одном помещении для работы над одним крупным проектом — действительно, продвинутым
коммуникационная и информационная инфраструктура как никогда упрощает
собрать виртуальное сотрудничество в разных масштабах. Новый подход к биологии
будет стремиться привлечь лучшие умы со всего научного ландшафта к
конкретных проблем, обеспечить быстрое распространение инноваций и достижений.
общаться и предоставлять инструменты и технологии, необходимые для достижения успеха.
Комитет ожидает, что такие усилия будут включать проекты разного масштаба,
от отдельных лабораторий до коллабораций с участием многих участников,
консорциумы с участием нескольких учреждений и типов исследований.
Многие ученые в Соединенных Штатах уже практикуют интегрированную
и междисциплинарный подход к биологии, который комитет назвал Новым
Биология. Новая Биология действительно уже зарождается, но пока еще плохо известна.
сознан, неадекватно поддерживается и реализует лишь часть своего потенциала.
Комитет приходит к выводу, что наиболее эффективный способ ускорить появление
Новая биология должна бросить вызов научному сообществу, чтобы найти решения
к крупным общественным проблемам. В главе «Как новая биология может
Решайте социальные проблемы». Комитет описывает четыре основные проблемы, в

НОВАЯ БИОЛОГИЯ ДЛЯ 21 ВЕКА
продовольствие, окружающая среда, энергия и здоровье, которые могут быть решены Новой биологией.
Эти вызовы представляют собой как механизм ускорения появления
Новой биологии и ее первых плодов. Комитет решил сосредоточиться на этих четырех
области социальных потребностей, потому что выгоды от достижения этих целей будут
большой, прогресс можно было бы оценить, и как научное сообщество, так и
общественность нашла бы такие цели вдохновляющими. Каждая задача потребует техно-
логические и концептуальные достижения, которых сейчас нет под рукой, через дисциплинарные
спектр, который сейчас не охватывается полем. Достижение этих целей будет
требуют, в каждом случае, преобразующих достижений. Однако можно утверждать, что
другие проблемы могут служить той же цели. Масштабные попытки понять
как появилась первая клетка, как работает человеческий мозг или как живые органы
измы влияют на круговорот углерода в океане, а также могут способствовать развитию
Новой Биологии и технологий и наук, необходимых для продвижения
все поле. По мнению комитета, одним из самых захватывающих аспектов
Новая биологическая инициатива заключается в том, что успех в достижении четырех целей, выбранных здесь в качестве
примеры будут способствовать прогрессу в фундаментальном понимании на протяжении всей жизни
наук. Поскольку биологические системы имеют так много фундаментальных сходств,
одни и те же технологии и науки, разработанные для решения этих четырех задач,
расширить возможности всех биологов.
1. Создавайте пищевые растения, чтобы адаптироваться и устойчиво расти в меняющихся условиях.
Новая биология могла бы предложить значительно более эффективный подход к
разработка сортов растений, которые можно устойчиво выращивать в местных условиях.
Результатом этих целенаправленных и интегрированных усилий станет совокупность знаний,
новые инструменты, технологии и подходы, которые позволят адаптировать все
сортов сельскохозяйственных культур для эффективного производства в различных условиях,
вклад в обеспечение возможности кормить людей во всем мире
обильная, здоровая пища, адаптированная для эффективного роста во многих различных и
постоянно меняющиеся локальные условия.
2. Понимать и поддерживать функции экосистем и биоразнообразие в условиях быстрого
изменение
Фундаментальные достижения в знаниях и новое поколение инструментов и
технологии необходимы, чтобы понять, как функционируют экосистемы, измерить
экосистемные услуги, позволяют восстанавливать поврежденные экосистемы и минимизировать
пагубное воздействие деятельности человека и изменения климата. Что необходимо, так это
Новая биология, объединяющая базу знаний экологии с знаниями органоведения.
исламская биология, эволюционная и сравнительная биология, климатология, гидрология,
почвоведение, а также экологическое, гражданское и системное проектирование, через
объединяющие языки математики, моделирования и вычислительной науки. Этот
интеграция может привести к прорыву в нашей способности контролировать
функции экосистемы, выявлять экосистемы, подверженные риску, и разрабатывать эффективные меры вмешательства.
мероприятий по защите и восстановлению функций экосистем.

ОБЗОР
3. Расширить устойчивые альтернативы ископаемому топливу
Эффективное использование растительных материалов — биомассы — для производства биотоплива
системный вызов, и это еще один пример области, в которой Новый
Биология может внести решающий вклад. В простейшем случае система состоит
завода, который служит источником целлюлозы, и промышленного процесса, который
превращает целлюлозу в полезный продукт. В системе много точек
что можно оптимизировать. Новая Биология предлагает возможность продвижения
фундаментальные знания, инструменты и технологии, необходимые для оптимизации системы
решая задачу комплексно.
4. Понимать индивидуальное здоровье
Цель нового биологического подхода к здоровью состоит в том, чтобы сделать возможным
следить за здоровьем каждого человека и лечить любую неисправность таким образом, чтобы
с учетом этого человека. Другими словами, цель состоит в том, чтобы предоставить индивидуально
профилактическое наблюдение и уход. Между отправной точкой человека
последовательность генома и конечной точкой здоровья этого человека является паутина
взаимодействующие сети ошеломляющей сложности. Новая биология может ускорить
фундаментальное понимание систем, лежащих в основе здоровья и развития
выбор инструментов и технологий, которые, в свою очередь, приведут к более эффективному
подходы к разработке терапевтических средств и обеспечение индивидуального, предиктивного
медицина.
Наконец, в главе, озаглавленной «Как заставить новую биологию работать»,
комитет предлагает, чтобы национальная инициатива, посвященная решению проблем
как те, которые описаны для областей продуктов питания, окружающей среды, энергии и здоровья
обеспечит основу, с помощью которой США могли бы наилучшим образом извлечь выгоду из недавнего
научно-технический прогресс. Комитет рекомендует установить большие
цели, а затем позволить проблемам управлять наукой. Он утверждает, что меж-
сотрудничество между агентствами будет иметь важное значение, а информационные технологии
иметь центральное значение. Наконец, комитет обсуждает новые подходы к
образование, которое могло бы ускорить появление Новой биологии и обеспечить
примеры того, как национальная инициатива может ускорить реализацию этих
новые подходы.
Комитет не предоставляет подробного плана реализации
такая национальная инициатива, которая сильно зависела бы от того, где административная
возлагается ответственность за инициативу. Должна ли концепция инициативы быть
принято, следующим шагом будет тщательная разработка стратегического видения
программы и тактический план с целями. Надо бы выявить
лидеры с богатым воображением, тщательно наметьте путь от «великих видений» к конкретным
программы и разработать амбициозные, но измеримые вехи, гарантируя, что
каждый шаг включает действия, которые приводят к новым знаниям и облегчают
плавная интеграция совместных междисциплинарных исследований в традиционную
исследовательская культура.

НОВАЯ БИОЛОГИЯ ДЛЯ 21 ВЕКА
Новая биологическая инициатива станет смелым дополнением к национальной
исследовательский портфель, но потенциальные выгоды значительны и далеко идущие:
сообщество исследователей наук о жизни, занимающееся полным спектром знаний
открытие и его применение; новые биоиндустрии; и самое важное,
инновационные средства устойчивого производства продуктов питания и биотоплива, мониторинга и восстановления
экосистемы и улучшить здоровье человека. Для этого комитет предоставляет
следующие выводы и рекомендации:
Находка 1
• Соединенные Штаты и весь мир сталкиваются с серьезными социальными проблемами в
области продовольствия, окружающей среды, энергии и здоровья.
• Инновации в биологии могут привести к устойчивым решениям для всех этих
проблемы. Решения во всех четырех областях будут основываться на достижениях в фундаментальной
понимание основных биологических процессов.
• Для каждой из этих проблем есть доступные решения, основанные на
способность понимать, предсказывать и влиять на реакции и возможности
способности сложных биологических систем.
• В научном сообществе существует широкая поддержка стремления
междисциплинарные исследования, но возможности для этого ограничены институтами.
учебные барьеры и доступные ресурсы.
• Подходы, объединяющие широкий спектр научных дисциплин, и
опираться на сильные стороны и ресурсы университетов, федеральных агентств и
частный сектор ускорит прогресс в реализации этого потенциала.
• Наилучший способ для Соединенных Штатов извлечь выгоду из этого научного и
технологическая возможность состоит в том, чтобы добавить к своему текущему исследовательскому портфелю новый
Усилия в области биологии, которые ускорят понимание сложных биологических систем,
способствуя быстрому прогрессу в решении социальных проблем и продвижении фундаментальных
тальные знания.
Рекомендация 1
Комитет рекомендует национальную инициативу по ускорению появления
и рост Новой биологии для решения социальных проблем в
еда, энергия, окружающая среда и здоровье.
Находка 2
• Для успеха «Новой биологии» потребуются творческий напор и глубокая
базу знаний отдельных ученых со всей биологии и многих других
дисциплины, включая физические, вычислительные и геофизические науки, математику,
и машиностроение.
¢ Новая Биология предлагает потенциал для решения вопросов в масштабе
и с фокусом, который не может взять на себя ни одно научное сообщество,
агентство или отрасль.
• Предоставление рамок для совместной работы различных сообществ

ОБЗОР
привести к синергии и новым подходам, которых не могло бы быть ни в одном сообществе
достигается в одиночку.
¢ Широкий спектр программ для выявления, поддержки и облегчения биологического
исследования существуют в федеральном правительстве, но их ценность теряется из-за отсутствия интеграции.
эти усилия.
⢠Межведомственное понимание и надзор имеют решающее значение для поддержки
и рост Новой Биологической Инициативы. Потребуется межведомственное лидерство
контролировать и координировать реализацию инициативы, оценивать ее продвижение
формировать необходимые рабочие подгруппы, поддерживать связь, охранять
от избыточности, а также определить пробелы и возможности для использования результатов
по проектам.
Рекомендация 2:
Комитет рекомендует, чтобы национальная инициатива «Новая биология» стала
межведомственного взаимодействия, чтобы оно имело временной график не менее 10 лет и чтобы его финансирование
в дополнение к текущим исследовательским бюджетам.
Находка 3
• Информация является основной валютой Новой Биологии.
• Решения проблем стандартизации, обмена, хранения, защиты
достоверность, анализ и визуализация биологической информации умножат ценность
исследования в настоящее время поддерживается через федеральное правительство.
• Биологические данные необычайно разнородны и взаимосвязаны.
накопления массивов данных в настоящее время препятствует отсутствие необходимой информации.
ную инфраструктуру.
¢ Крайне важно, чтобы все исследователи могли обмениваться данными и получать доступ друг к другу
информацию в обычном или полностью интерактивном формате.
• Продуктивность биологических исследований будет все больше зависеть от
В перспективе предсказуемая поддержка высокопроизводительной информационной инфраструктуры.
Рекомендация 3
Комитет рекомендует, чтобы в рамках национальной инициативы «Новая биология»
приоритет отдается развитию информационных технологий и науки.
ции, которые будут иметь решающее значение для успеха Новой Биологии.
Находка 4
• Инвестиции в образование необходимы для того, чтобы новая биология достигла своего полного развития.
потенциал в решении основных проблем 21-го века.
¢ Новая биологическая инициатива дает возможность привлечь студентов
науке, которые хотят решать проблемы реального мира.
• Новый биолог — это не ученый, который немного знает обо всех науках.
дисциплин, а ученый с глубокими познаниями в одной дисциплине и «рабочей
беглость» в нескольких.