CC BY
15DOI: 10.24412/cl-37095-2023-1-128-131
Бердичевский Е., Петров В.М. Использование инструментов ТРИЗ в биомедицинских исследованиях
Аннотация. Цель. Показать, что инструменты ТРИЗ в имеющемся или адаптированном виде могут быть эффективно использованы в биологических и медицинских исследованиях. Новизна. Данная тема еще недостаточно описана и освещена в мировом сообществе ТРИЗ. В прошлом, использование ТРИЗ в биологии было в основном представлено использованием бионики, подходом, предложенным еще в свое время Г. Альтшуллером.
Метод. Мы применили метод сравнения инструментов, исследовали закономерности развития биологии и медицины с инструментами ТРИЗ и адаптировали некоторые инструменты ТРИЗ для нужд биомедицинских исследований.
Результаты. Будут приведены методические рекомендации по использованию конкретных инструментов ТРИЗ и примеры удачного их использования.
В докладе будут приведены аналитический обзор по данной теме, исследования путем сравнения инструментов, методов и закономерностей развития биологии и медицины с инструментами ТРИЗ. Адаптация инструментов ТРИЗ для биомедицинских исследований. Будут приведены примеры использования различных инструментов ТРИЗ в биомедицинских исследованиях, в том числе и примеры из личного опыта авторов. Ключевые слова: ТРИЗ, биология, медицина, биомедицинские исследования.
1. ВВЕДЕНИЕ
Впервые использование принципов и механизмов работы и форм животных в технике предложил Леонардо да Винчи.
В 1950-х годах американский биофизик и эрудит Отто Шмитт (Otto Schmitt) разработал концепцию «биомиметики»1. Термин «бионика» был придуман Джеком Э. Стилом (Jack E. Steele) в августе 1958 года, когда он работал в Отделе аэронавтики на базе ВВС Райт-Паттерсон в Дейтоне Огайо2, где также работал Отто Шмитт. Стил определил бионику как «науку о системах, которые имеют некоторые функции, скопированные с природы, или которые представляют собой характеристики природных систем или их аналогов». Бионика (от др.-греч. ßiov »живущее») - прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формах живого в природе и их промышленных аналогах.
Г. Альтшуллер в [1] предложил использовать принципы и механизмы работы животных, особенно древних, для развития технических систем.
Термин Биомимикрия появился еще в 1982 году. Биомимикрия была популяризирована ученым и писателем Джанин Бенюс (Janine Benyus) в ее книге 1997 года «Biomimicry: Innovation Inspired by Nature». Биомимикрия определяется в книге как «новая наука, которая изучает модели природы, а затем имитирует или черпает вдохновение из этих конструкций и процессов для решения человеческих проблем». Бенюс предлагает смотреть на природу как на «Модель, Критерий и Наставника» и подчеркивает устойчивость как цель биомимикрии . Биомиметика в принципе может применяться во многих областях. Из-за разнообразия и сложности биологических систем число характеристик, которые можно имитировать, велико. Биомиметические приложения находятся на разных стадиях развития - от технологий, которые могут стать коммерчески пригодными, и до прототипов.
Сегодня развитие бионики (биомиметики) идет достаточно бурно. В книге Буртона «Modeling and Differential Equations in Biology» [2] описано, как теория устойчивости дифференциальных уравнений используется при моделировании микробной конкуренции, систем хищник-жертва, гуморального иммунного ответа, а также эффектов дозы и клеточного цикла в лучевой терапии, среди других областей, которые включают попу-ляционную биологию и математическую экологию.
В середине 1976 года В. Петров провел исследования по возможности переноса законов биологии для создания системы законов развития техники. Результаты были доложены на конференции ТРИЗ в Ленинграде в 1977 году. Позже по этим материалам была издана книга [3].
В работах [4] - [19] описан применение ТРИЗ к биомиметике и использование матрицы Альтшуллера для решения задач из этой области.
Цель данной статьи показать более широкое применение инструментов ТРИЗ в биомедицинских исследованиях. Авторы покажут это на различных примерах.
2. ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРИЗ В БИОМЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
2.1. История развития ПЦР
Для проведения различных анализов ДНК и для диагностики заболеваний берут пробу. Однако бывают случаи, когда невозможно второй раз взять пробу и это единственная проба.
Как быть?
Ответ очевиден - нужно дублировать (амплифицировать) ДНК - это осуществляется с помощью репликации ДНК.
Впервые это сделал Норвежский биохимик Хьелль Клеппе в 1971 году. Для этого он воспользовался ферментом ДНК-полимеразой, который впервые в 1956 году выделил американский ученый Артур Корнберг из бактерий Escherichia coli.
Нужно внести некоторые пояснения.
ДНК существует в форме двойной спирали, состоящей из двух отдельных молекул
ДНК.
Синтез ДНК в живой клетке проводится ферментом - ДНК-полимеразой, используя небольшие молекулы РНК в качестве праймера (затравки).
В 1983 году американским биохимиком Кэри Муллисом была изобретена ПЦР и 28.07.1987 был получен патент США 4,683,195.
Для проведения ПЦР анализа, перед каждым новым синтетическим циклом в смесь надо было добавлять новую порцию фермента ДНК-полимеразы, потому что он быстро выходил из строя из-за высоких температур, используемых в ПЦР.
Возникла новая задача.
Как сделать, чтобы фермент ДНК-полимеразы дольше служил?
В таких случаях в ТРИЗ применяют функционально-ориентированный поиск (ФОП), который представляет собой трансфер технологий.
Значит нужно найти область, где эта функция выполняется в тяжелых условиях и массово. Это означает, что нужно найти фермент ДНК-полимеразы, где бы он работал при высоких температурах.
В 1985 году Кэри Мюллис в корпорации Cetus начали использовать для ПЦР термостабильную Taq-полимеразу (выделенную из экстремально-термофильной бактерии Thermus aquaticus), что значительно упростило работу. Taq-полимеразу выделили в 1976 году ученые из США, Эллис Чиен, Дэвид Эдгар и Джон Трела. Этот фермент сохранял активность даже при температурах выше 75 °С.
В 1991 году ученые во главе с Эриком Матуром из биотехнологической компании Stratagene, (Калифорния), обнаружили ДНК-полимеразу Pfu (Pyrococcus furiosus), которая демонстрирует значительно более высокую точность репликации, чем ДНК-полимераза Taq. В 1996 году они получили патенты на экзонуклеазо-дефицитные Pfu и на полную Pfu (U.S. Patent 5,489,523, U.S. Patent 5,545,552).
Достоинства Taq-полимеразы - это высокая скорость её работы (процессивность).
Недостаток этой полимеразы заключается в довольно высокой вероятности внесения ошибочного нуклеотида, так как у этого фермента отсутствуют механизмы исправления ошибок (3'^5'-экзонуклеазная активность).
Достоинства Pfu-полимеразы - это гораздо более точное копирование молекул ДНК, что значительно уменьшает число мутаций в реплицируемой ДНК.
Недостаток - низкая скорость её работы (процессивность).
Противоречие требований 1 (ПТ - 1) у Taq-полимеразы - высокая скорость их работы (процессивность), но высокая вероятность внесения ошибочного нуклеотида.
ПТ - 2 у Pfu-полимеразы низкая вероятность внесения ошибочного нуклеотида, но низкая скорость их работы (процессивность).
Противоречия свойства (ПС -1). Почему у Taq-полимеразы вероятность внесения ошибочного нуклеотида, так как у этого фермента отсутствуют механизмы исправления ошибок (3'^-5'-экзонуклеазная активность).
Идеальный конечный результат (ИКР). Высокая скорость работы и высокая точное копирование молекул ДНК.
Решение - гибридизация. Использование их вместе. Остаются только достоинства и компенсируются недостатки.
2.2. Аппарат ПЦР
Аппарат ПЦР должен циклично выдавать следующие температуры - 95, 55, 72 градусов Цельсия.
Первые аппараты для ПЦР работали на основе подогрева с помощью термонагревательного элемента, а охлаждение осуществляется с помощью вентилятора и потока воздуха. ПЦР, особенно для длинных фрагментов ДНК, длился 4-6 часов.
Как сократить время нагревания и охлаждения?
В качестве решения задачи предложено использовать эффект Пельтье или термоэлектрический эффект (Peltier effect). В аппарате ПЦР поставили элемент Пельтье, который быстро нагревал и охлаждал препарат. Это позволило значительно сократить процесс, и ПЦР стал длиться 0.5-1.5 часа, что тоже сделало революцию, особенно в молекулярной диагностике, в частности, при определении наличия вируса короны.
2.3. Качество и концентрация ДНК и РНК
Для проверки концентрации и качества ДНК и РНК использовали спектрофотометрию. Для этого нужно было использовать специальные кварцевые кюветы, которые пропускали и не преломляли ультрафиолет (230-320 nm). Каждая из которых стоила $100. Это было очень дорого. Кроме того, чтобы заполнить кювету требовалось много дефицитного биоматериала. Как быть?
Противоречие требований (ПТ). Проверка концентрации и качества ДНК и РНК требует наличия дорогой кюветы и наличия большого количества биоматериала, что не всегда возможно при его дефиците. Т. е. противоречие между необходимостью производить проверку и дороговизной кюветы, и количеством биоматериала.
Идеальный конечный результат (ИКР). Проверка производится, кювета дешевая и малые затраты биоматериала.
Противоречия свойства (ПС). Чтобы произвести проверку нужно использовать большую, дорогую кювету и много биоматериала, а чтобы снизить расходы на проверку и снизить расход биоматериала, нужно иметь малую кювету и малок количество биоматериала.
Разрешим ПС в структуре.
Решение. Стали использовать кварцевые капилляры, которые стоили $1.
Возникла новая задача.
Потребовалось много проверок и соответственно много кварцевых капилляров. Кроме того, на каждую проверку требовалось минимум 5 микролитров материала, что далеко не всегда было доступно.
Идеальный конечный результат (ИКР). Не использовать кювету и капилляр. Биоматериал не тратится.
Решение. Стали использовать технологию удерживания образца, который использует только поверхностное натяжение, чтобы удерживать образец на месте. Это устраняет необходимость в громоздких и дорогих кюветах. Образец объемом 1 мкл пипеткой наносят на
конец оптоволоконного кабеля (принимающее волокно). Второй оптоволоконный кабель (волокно - источник) затем приводится в контакт с жидким образцом, в результате чего жидкость перекрывает зазор между оптоволоконными концами. Импульсная ксеноновая импульсная лампа служит источником света и спектрометр, использующий линейную ПЗС-матрицу linear CCD array), используется для анализа света после прохождения через образец.
3. ВЫВОДЫ
В статье была показана возможность использования инструментов ТРИЗ для решения задач при биомедицинских исследованиях.
Такой подход позволяет не только значительно сократить время на решение задач при биомедицинских исследованиях, но и получить качественно новые результаты и прогнозировать новые пути биомедицинских исследований.
Авторы хотят привлечь внимание специалистов в биомедицинских исследованиях и специалистов ТРИЗ к дальнейшим исследованиям в данной области.
ЛИТЕРАТУРА
1. Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретения. М.: «Московский рабочий», 1969. 272 с
2. Burton T. A. Modeling and Differential Equations in Biology, 1980. CRC Press. 292 Pages. ISBN 9780824771331
3. Петров Владимир. Биология и законы развития техники: ТРИЗ / Владимир Петров. [б. м.]: Издательские решения, 2018. - 114 с. - ISBN 978-5-4493-3018-5
4. Bogatyreva O.A., Pahl A-K and. Vincent J.F.V Enriching TRIZ with Biology: The Biological Effects database and implications for Teleology and Epistemology. ETRIA WORLD CONFERENCE-2002, Strasbourg, 6-8 November, p. 3-1-307
5. Bogatyreva, O.A., Pahl, A.-K. and Vincent, J.F.V. (2002) Enriching TRIZ with Biology: The Biological Effects database and implications for Teleology and Epistemology. ETRIA World-Conference-2002, Strasbourg, 6-8 November.
6. Bogatyrev, N. and Bogatyreva, O. (2003) Triz and Biology: Rules and Restrictions. Proceedings of TRIZCON 2003, Altshuller Institute, Philadelphia, USA, 16-18 March.
7. Bogatyreva, O., Vincent, J. (2003) Is TRIZ Darwinian? Proceedings of TRIZCON 2003, Altshuller Institute, USA, 16-18 March 2003.
8. Bogatyrev N., Bogatyreva O. (2003) Technology (TRIZ) and Biology: Rules and Restrictions. - In: Proceedings of TRIZ Conference, Altshuller Institute, Philadelphia, USA, 16-18 March 2003, p. 19/1 -19/4.
9. Bogatyreva O.A., Shillerov A.E. & Bogatyrev N R. (2004) Patterns in TRIZ Contradiction Matrix. Integrated and Distributed Systems. In: 4 ETRIA Conference, November 3-5, Florence, p. 305-313.
10. Bogatyrev N. R., Bogatyreva O. A. (2009) TRIZ Evolution Trends in Biological and Technological Design Strategies. CIRP Design Conference, 30-31 March, Cranfield University, UK, p. 293-299.
11. Bogatyrev N.R., Bogatyreva O. (2011) Inventor's Manual, BioTRIZ Ltd. - Salisbury print, 75 pp.
12. Bogatyrev N.R., Bogatyreva O. (2011) "Self-expandable" TRIZ contradiction matrix. - TRIZ Future
2011, p. 371-372, Dublin, Ireland.
13. Bogatyrev N. R., Bogatyreva O. (2012) TRIZ-based algorithm for biomimetic design TRIZ Future
2012, p. 251-262, Lisbon, Portugal
14. Bogatyreva O., Zhang Chao (2013) TRIZ helps China E-shopping, TRIZ Future International Conference, 29-31 October, Paris, p. 501-508
15. Bogatyrev N.R., Bogatyreva O. (2013) Permaculture and TRIZ - methodologies for cross-pollination between biology and engineering. TRIZ Future International Conference, p. 83-90
16. Bogatyrev N. R., Bogatyreva O. (2014) BioTRIZ: a win-win methodology for eco-innovation. Chapter in the Springer Verlag book "Eco-innovation and the Development of Business Models: Lessons from Experience and New Frontiers in Theory and Practice", in press.
17. Bogatyrev N. R., Bogatyreva O. Inventor's Manual (English, French and Spanish editions), CreateSpace, USA, 2014, 116 pp.
18. Whiteley, I., Bogatyreva O. Toolkit for a space psychologist to support astronauts in exploration missions to the Moon and Mars. Printed in the UK, ISBN: 978-1-912490-03-5, 2018, 255 p.
19. Jin Drabek. Surmounting a PCR challenge using a Contradictory matrix from the Theory of Inventive Problem Solving (TRIZ). Drabek SpringerPlus (2016).
