Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4  5  6 | Следующая страница реферата

Потребность в станках и оборудовании во многих отраслях промышленности при широком внедрении биотехнологий будет уменьшаться, либо вообще отпадет, как это произошло в фармацевтике при переходе от промышленных методов синтеза лекарственных препаратов к синтезу в биологических реакторах, или живых организмах.

Конечно, построить гиперзвуковой летательный аппарат на основе одних биотехнологий вряд ли получиться. Но вот получить необходимые для этого конструкционные материалы вполне возможно. Технологии получения сверхчистых металлов, равно как и технологии направленной кристаллизации в многокомпонентных расплавах и растворах, вполне могут быть заменены селективными биотехнологиями извлечения сверхчистых металлов из природных и искусственных сред и биокаталитическими технологиями создания материалов с заданными свойствами. Однако природа не терпит односторонних подходов, и в своем творчестве использует самые разнообразные методы и способы воздействия на материю, и это правило взял на вооружение человек.

Если взглянуть на первооснову, благодаря которой стало возможным широчайшее применение биотехнологий, то такой первоосновой являлись уникальные и разнообразные свойства белковых молекул, астрономическое число их возможных структурных форм. Главным достоинством белковых молекул является то, что с их помощью можно контролировать и управлять ходом едва ли не всех возможных химических реакций. При этом в среде характеризуемой стабильными параметрами температуры, давления, и концентраций могут одновременно осуществляться различные химические реакции с участием белковых молекул. Прямым доказательством значимости белковых молекул является факт существования белковой жизни на нашей планете. Форма существования белковых тел, базирующаяся на фундаменте из двадцати аминокислот, представляет собой совокупность устойчивых логических связей, реализованных в виде повторяющихся биохимических реакций с участием белковых молекул. Всего двадцать различных аминокислот и миллионы различных белковых молекул, каждая из которых уникальна по своему строению и функциям.

Природа использовала для создания жизни на Земле всего двадцать аминокислот, не задействовав при этом несколько сотен других существующих аминокислот. Этого оказалось вполне достаточно для сотворения всего окружающего нас разнообразия белковой жизни. Можно представить себе масштабы и возможности творчества, открывающиеся перед учеными в случае использования других аминокислот для конструирования и создания новых организмов. Даже не стоит упоминать о тысячах других классов химических соединений, многие из которых представлены тысячами различных молекул, и на базе которых вполне могут быть построены специализированные химические соединения, способные объединяться в самовоспроизводящиеся системы.

Именно вера в неограниченные возможности белковых молекул, овладевшая умами ученых и философов, привела к возникновению очередного бума в изучении генов и белков биосферы нашей планеты. Не последнее место в этом процессе занимали финансисты и промышленники. И те, и другие, одни в ожидании прибылей от вложения капитала, другие в ожидании революционных, прорывных технологий, инвестировали огромные суммы в исследования, связанные с поиском и конструированием функциональных белков. В рамках этого процесса происходило массовое изучение генетических текстов экзотических и редких животных и растений, а также палеоорганизмов, с целью последующего сравнительного анализа и нахождения перспективных различий для практического применения.

В свою очередь биологи и биохимики обратили пристальное внимание на механизмы функционирования нестандартных, уникальных и выдающихся биологических объектов в биосфере Земли. Особенный интерес представляли метаболические процессы, свойственные живым организмам, существующим в экстремальных условиях. Жизнедеятельность таких организмов осуществлялась в условиях повышенного давления окружающей среды, высокого уровня радиоактивного излучения, при высоких концентрациях тяжелых металлов и высоких температурах. В борьбе за расширение своего ареала обитания, многие виды организмов в процессе эволюции заняли такие ниши, которые согласно нашим представлениям о возможностях белковой жизни должны быть необитаемыми. Например, существование белковых организмов при температуре около трехсот градусов по Цельсию и давлении более трехсот атмосфер, в среде, насыщенной водными растворами химически агрессивных и ядовитых соединений, вблизи вулканических разломов на дне океана являлось ярким примером неограниченных возможностей белковых организмов.

Отдельным направлением биологических исследований стали поиски оригинального генетического материала и специфических биохимических реакций. Самые интересные и перспективные находки совершались при изучении представителей экстремальных сред обитания, экзотических и реликтовых организмов. Они несли в своем наследственном материале память о механизмах функционирования в сложных неблагоприятных условиях древней Земли. Повышенный интерес ученые стали проявлять и по отношению к древнему человеку. Несмотря на серьезный уровень исследований генома человека, явно недостаточное внимание было уделено изучению эволюционных предков человека, людей с яркими аномалиями, представителей исчезающих народностей и племен, что являлось упущением и требовало немедленного исправления. Вновь проводимые исследования, касающиеся ранее неизученного наследственного материала, пополняли базу данных, используемую в технологиях генной инженерии и при разработке биотехнологий.

Исследование генома человека изначально регламентировалось строгими нормами международного права, полученные результаты являлись достоянием всего человечества, и были доступны для ознакомления учеными разных стран. А вот результаты научных исследований генетического и цитологического материала животных и растительных организмов, как правило, являлись собственностью учреждений, организаций и частных исследователей. Диспуты и обсуждения на тему, являются ли такие знания достоянием всего мирового сообщества или собственностью научных организаций и частных лиц, велись уже давно, но без особого результата. Развитые государства, в которых в основном реализовывались программы научных исследований, не были заинтересованы в потере контроля над перспективными разработками, который был напрямую связан с контролем над гражданами и юридическими лицами своей страны, занимающимися научными исследованиями. Подобный контроль прямой или опосредованный всегда существовал. Для государства предпочтительным являлось монопольное владение высокими технологиями. Что касается частных исследовательских организаций и исследователей, то их позиция была еще откровеннее и жестче, поскольку затрагивала такие категории как личное благосостояние, интеллектуальное право, право на самореализацию, коммерческий риск и прочее. Поэтому многочисленные попытки многих стран и организаций, направленные на подписание соглашения о добровольной передаче исследовательской информации в общедоступную базу данных, постоянно проваливались.

Качественный прорыв в знаниях и технологиях, произошедший в последние тридцать лет, позволил приступить к решению тех задач, которые еще вчера казались делом далекого будущего. Наиболее важной для человечества являлась задача улучшения человеческого организма. Все традиционные действия медицинского характера, которые осуществлялись в отношении человеческого организма ранее, были основаны на принципах помощи и ремонта, то есть носили вспомогательный характер, и не приводили к вечному, не ограниченному временем функционированию организма человека. Тем более всерьез никогда не рассматривался вопрос о наследовании таких искусственных улучшений, поскольку подобный вопрос считался преждевременным и технически невыполнимым.

Теперь же вопросы улучшения систем человеческого организма и оптимизации отдельных метаболических реакций стали предметом серьезных исследований. Имеющаяся в распоряжении ученых карта метаболических реакций человеческого организма, хотя и оставалась не полной, но включала в себя множество целостных функциональных звеньев и самодостаточных фрагментов, которые могли стать объектом теоретического, а затем и практического улучшения. Локальные задачи, которые ученые ставили перед собой, приступая к теоретическому улучшению человеческого организма, были довольно непривычными и в чем-то даже экзотическими. Например, одна группа ученых проводила компьютерное моделирование процесса желудочного пищеварения как совокупности химических реакций, и ставила перед собой цель включить в процесс пищеварения разработанные ими ферменты, позволяющие расщеплять на полезные компоненты растительную клетчатку. Анализ полученной информации, показал, что необходимый ген, отвечающий за синтез искусственного фермента, может быть без отрицательных побочных эффектов и угнетения существующих полезных функций пополнить набор генов специализированных клеток из эпителия желудка человека. Улучшенная пищеварительная система человека как ожидалось, приведет к изменению структуры питания, сместив акцент в сторону потребления растительных продуктов широкого ассортимента.

Другая группа ученых занималась улучшением переносящего кислород белка гемоглобина. Целью исследований являлось получение нескольких новых белков, сходных по своим функциональным возможностям с белком гемоглобина и вписывающихся в существующую систему кровоснабжения и кроветворения, которые могли бы транспортировать большее количество кислорода и имели бы функциональный оптимум в интервале температур тридцать-тридцать семь градусов по Цельсию. Подобный белок, синтезируемый в организме человека, позволил бы не только расширить диапазоны физических нагрузок, но и обеспечить продолжительное легочное дыхание под водой в условиях переохлаждения организма. Даже, вводимый просто в кровеносное русло в виде инъекций такой белок мог бы существенно увеличить выживаемость в аварийных ситуациях моряков, подводников, летчиков и облегчить жизнь людей со слабым сердцем, больными легкими и просто тучных.

Еще более экзотичными являлись работы по созданию биологических сенсоров, совместимых с человеческим организмом. Как ожидалось, такие дополнительные органы чувств смогут воспринимать электромагнитные волны в широком диапазоне, ультразвуковые и инфразвуковые акустические колебания, определять концентрации химических веществ, интенсивность радиоактивного излучения. Подобные биологические сенсоры уже миллионы лет использовались земными организмами, и сконструировать на их базе совместимые с человеком устройства (читай новые органы) было делом вполне реальным, хотя и непривычным для общественного мнения. Во всем мире подобными вопросами занимались тысячи исследовательских учреждений, что обещало принести в скором будущем много интересных открытий и разработок.

Набирал силу процесс использования микромашин и микророботов для выполнения оперативных и профилактических процедур внутри человеческого организма. В этой области, как может быть ни в какой другой, для создания совершенных устройств наряду с технологиями молекулярной сборки также широко использовались технологии синтеза биологических соединений с заданными свойствами. Базовая медицинская микромашина состояла из микрочипа, имеющего размеры сравнимые с размерами эритроцита, электрохимического двигателя, представляющего собой блок белковых молекул, реализующих двигательную функцию и грузовой капсулы. В качестве инструмента для выполнения заданной функции использовались расходуемые биологически активные вещества (лекарственные препараты, токсины, ферменты и т.п.), содержащиеся в грузовой капсуле. В случае необходимости могли использоваться также агрессивные химические соединения (кислоты, щелочи). В тех случаях, когда более эффективным являлось применение физических методов воздействия, медицинская микромашина могла нести на себе механические микроинструменты.

Основными задачами, которые выполнялись медицинскими микромашинами первого поколения, стали очистка кровеносных сосудов и протоков различных желез, лечение внутренних язв и воспалений. Кроме этого было возможным также сращение нервов и дробление камней различной дислокации. В таких микромашинах электронный микрочип отдавал команды (двигаться, остановиться, переместиться, открыть капсулу и др.) исполнительным механизмам, после чего в дело вступали имеющийся инструментарий, который выполнял необходимое оперативное или профилактическое воздействие на организм человека.

Расширилась сфера использования нормализующих работу генов лекарственных препаратов. Ранее такие препараты использовались для профилактики и лечения наследственных заболеваний, а также для управления программами роста выращиваемых вне человеческого организма тканей и органов. Теперь же появилась возможность при помощи препаратов нормализующих работу генов воздействовать на целостные органы и ткани функционирующего человеческого организма. Применение нормализующих работу генов препаратов для воздействия на большие массивы клеток стало возможным после того, как новые средства целевой доставки таких препаратов свели к минимуму риск нежелательных побочных эффектов.

Стало реальностью одновременное корректирующее воздействие на гены всех специализированных клеток, выполняющих одинаковые функции в организме, то есть на целостные ткани и органы. Для этого внутрь человеческого организма при помощи средств целевой доставки вводилось большое количество нормализующих работу генов препаратов, ориентированных на выполнения однотипной операции сразу во всех специализированных клетках. Применение подобных технологий на практике означало восстановление угнетенных функций целостных органов и тканей. Так первыми объектами подобного корректирующего воздействия стали клетки сердечной мышцы после инфаркта и старческих изменений, клетки печени при незапущенных стадиях цирроза, а также клетки почечных тканей и различных соединительных тканей. Данные технологии имели хорошие перспективы применения, поскольку позволяли в будущем заменять естественные гены в любой клетке организма человека улучшенными искусственными, что влекло за собой изменение биохимических реакций, синтез новых эффективных белков и в конечном итоге улучшение метаболизма всего организма. Замена изношенных органов и тканей человека новыми, выращенными внутри человеческого организма, выращивание новых, ранее не существующих органов - все это становилось реальным и осуществимым для современников, многие из которых были рождены во времена, когда подобные перспективы описывались только в фантастических романах.

К вопросам улучшения работы человеческого организма на клеточном уровне наука подошла и с другой стороны. В процессе жизнедеятельности, по прошествию определенных сроков, во всех клетках организма помимо поломок и сбоев генетических механизмов, и во многом как следствие этих процессов, происходит накопление различных химических соединений, в той или иной степени мешающих нормальному клеточному функционированию. Поэтому, задачи качественной очистки внутриклеточного пространства от излишних химических соединений ставились перед медициной и генетикой достаточно давно, здесь таились значительные резервы активного долголетия и крепкого здоровья. Средства избирательного извлечения из клеток излишних и вредных веществ разрабатывались во многих научных центрах мира. Проблема извлечения оказалась намного сложнее, чем решенная уже проблема целевой доставки лекарственных препаратов.

В общем случае разрабатываемые способы избирательного извлечения базировались на следующих принципах. Непосредственно в клетку организма доставлялось некое химическое соединение (либо функциональный белковый комплекс), которое должно было связаться с ненужными веществами, не взаимодействуя при этом с полезными соединениями, и совместно с этими веществами покинуть клетку и выйти в кровеносное русло. Кроме этого разрабатывались способы нейтрализации агрессивных и ненужных веществ. Один из них предусматривал доставку в клетку таких химических соединений, которые при взаимодействии с химически агрессивными продуктами жизнедеятельности образуют химически нейтральные соединения, то есть таким способом достигалась как минимум нейтрализация опасных веществ. Другой вариант предусматривал доставку в клетку специализированных органических соединений, способных расчленять молекулы агрессивных и ненужных веществ на мелкие части, которые могли быть использованы в качестве сырьевых ресурсов при внутриклеточном синтезе.

В отдельных случаях, когда оперативное пространство представляло собой участок органа (ткани) малых размеров, процедура очистки клеток от накопленного балласта проводилась белковыми комплексами с добавлением ферромагнитных частиц. Для этих целей средства целевой доставки белковых комплексов оснащались дополнительно ферромагнитными частицами. После выполнения поставленной задачи по очистке внутриклеточной среды ферромагнитные комплексы извлекались из клеток в кровеносное русло силами магнитного или электромагнитного поля, либо дробились мощным магнитным импульсом на частицы такого размера, которые могли быть удалены путем естественного метаболизма.

Все разрабатываемые варианты освобождения внутриклеточного пространства от балластных химических соединений для своего успешного воплощения нуждались в исчерпывающих знаниях о строении и свойствах веществ, являющихся отходами жизнедеятельности клеток или продуктами побочных химических реакций. Учитывая то, что в своих исследованиях ученые делали акцент на изучении веществ, принимающих непосредственное участие в реакциях внутриклеточного метаболизма, изучение отходов внутриклеточного метаболизма оставалось постоянно вне зоны внимания специалистов. Если добавить к этому огромное разнообразие веществ, являющихся продуктами побочных химических реакций и сотни различных видов клеток, чьи отходы жизнедеятельности не являлись идентичными, то становилась понятной сложность и масштабность проблемы очистки внутриклеточного пространства от излишних химических накоплений. Чтобы решить поставленную задачу на высоком уровне, требовались объединенные усилия биохимиков, генетиков, цитологов, конструкторов-химиков и представителей десятков других профессий.

В третьем десятилетии без особого шума тихо почила проблема раковых заболеваний. Последние тридцать лет борьба с этими заболеваниями велась на пределе сил и технологий, что привело к сокращению количества неизлечимых форм рака. Совместное применение достижений генной инженерии, фармацевтики и цитологии порождало положительный интегральный эффект при лечении различных форм рака. Число летальных исходов у излеченных больных в последние пятнадцать лет резко уменьшилось, что изменило отношение общества к раковым заболеваниям. Ощущения обреченности и безысходности, в прежние года сопровождающие раковые заболевания, в сознании больных сменилось чувством спокойной уверенности. Понимание механизмов этого заболевания с каждым годом становилось все более полным, что в конечном итоге привело к окончательной победе над болезнью после череды частичных побед над различными формами рака. Обещанный памятник из золота тому, кто одержит победу над раком, так и не был построен, поскольку это была коллективная победа всего человечества, над приближением которой трудились миллионы людей на протяжении многих лет.

В это же время фармацевтические предприятия выпустили на рынок ряд новых лекарственных препаратов, влияющих на скорость обмена веществ в организме человека. Эти лекарства были синтезированы после изучения механизмов замедленного обмена веществ у теплокровных животных, впадающих в зимнюю спячку и ускоренного обмена веществ у рыб семейства тунцовых. Новый вид лекарств использовался как для лечебных, так и для профилактических целей. Уменьшение скорости обмена веществ начало применяться для замедления вывода лекарственных препаратов из организма человека. При этом уменьшалось необходимое для лечения количество лекарственных препаратов. В случаях острых отравлений и заболеваний, с целью замедления процессов распространения ядовитых и токсических веществ также рекомендовано было применение новых лекарственных препаратов. Если же требовалось активизировать метаболизм с целью массированной атаки на возбудителя болезни, либо для ускоренной регенерации и заживления тканей, применялись препараты, ускоряющие обмен веществ. Данная группа лекарственных препаратов имела хорошие перспективы применения в качестве средства, позволяющего человеку перераспределить свои силы и возможности во времени, и тем самым эффективно использовать естественные резервы организма.

Регулирование скорости обмена веществ базировалось на несоответствии условий, существующих в организме человека, и условий, являющихся оптимальными для реализации отдельных биохимических процессов. С появлением технологий одновременного избирательного воздействия на большие количества функциональных клеток появилась реальная возможность создать оптимальные условия для реализации выделенных биохимических процессов, не нанося при этом ущерб процессу обмена веществ в целом. Другими словами, стало возможным изменение скорости отдельных биохимических реакций, что, учитывая сложные взаимосвязи в организме человека, могло быть использовано для управления на первый взгляд независимыми и самостоятельными процессами в организме человека. Поскольку скорость обмена веществ тесно связана с температурой организма, то в отдельных случаях для быстрого и кратковременного изменения скорости метаболизма применялись более простые препараты, изменяющие на непродолжительный срок температуру тела человека.

Опыт регулирования температуры человеческого организма и скорости обмена веществ позволил подойти к увеличению продолжительности активной жизни человека с неожиданной стороны. Многочисленные эксперименты и результаты компьютерного моделирования позволили сделать вывод, что уменьшение температуры тела и замедление обмена веществ во время ночного сна, не вызывают каких-либо необратимых или опасных для человеческого организма изменений. Такой подход был рекомендован для взрослых людей как способ увеличения продолжительности жизни. По расчетам ученых, постоянное использование новых медикаментов, начиная с тридцатилетнего возраста, прибавит к средней продолжительности жизни человека восемь- десять лет. В случаях, когда по медицинским показаниям либо по условиям профессиональной деятельности человеку приходится часто ускорять свой обмен веществ или повышать температуру тела, или делать то и другое вместе, то для компенсации негативных последствий ему просто необходимо замедлять во сне собственный обмен веществ. При оснащении представителей тяжелых профессий, таких как спасатели, моряки, летчики, геологи, охотники и многие другие лекарственными препаратами, новые медикаменты заняли достойное место. Схожие по своему бодрящему действию на действие легких наркотиков, препараты, ускоряющие метаболизм, не вызывали эффекта привыкания или психологической зависимости. По химической структуре это были сложные белковые молекулы, похожие по своему строению на естественные гормоны человеческого организма. Благодаря применению новейших технологий компьютерного конструирования и раскрытию механизмов функционирования человеческого организма удалось создать сложные белковые соединения, которые без ущерба для организма гармонично вписывались в отшлифованный миллионами лет эволюции метаболизм человека.

В это же время осуществлялось детальное изучение метаболических процессов некоторых замечательных морских животных и рыб. Отбор видов организмов для углубленного изучения происходил по критериям приспособляемости к экстремальным условиям окружающей среды и узкой специализации. Первыми объектами для изучения были выбраны кашалоты, которые могли стремительно погружаться на глубину до трех километров без ущерба для организма и длительное время, без дополнительного потребления кислорода находиться там, пингвины, уверенно переносящие продолжительные низкие температуры, дельфины, эти непревзойденные мастера в области акустической локации. Внимание ученых также привлекли некоторые виды глубоководных рыб, благодаря их способностям ориентироваться в кромешной тьме океанических глубин и регулировать процессы хемолюминесценции. Различные виды электрических скатов и угрей, приобретших в процессе эволюции способность вырабатывать и аккумулировать электричество, были интересны ученым как пример успешного создания биологических генераторов электроэнергии. Особое внимание исследователи уделили калифорнийской рыбке лукании, обитающей в горячих природных источниках, в которых температура воды достигала шестидесяти градусов по Цельсию. Любой животный белок в составе живого организма перестает функционировать при таких температурах. Само наличие подобного организма в земной биосфере являлось лучшим доказательством возможности расширения пределов существования, как для трансгенных организмов, так и для человека. Объектом изучения стала также и рыба даллия, обитающая в водоемах Северной Америки и вмерзающая в лед до весны. Изучение тонкостей метаболизма в условиях частого замораживания и размораживания являлось важным для разработки технологий погружения в анабиоз высших животных и человека.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: профессиональные рефераты, антикризисное управление предприятием.





Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4  5  6 | Следующая страница реферата