CC BY
205
о
LQ
ОО
От биотехнологии к биоэкономике
Александр Кильчевский,
главный
ученый секретарь НАН Беларуси, член-корреспондент
Валентина Лемеш,
директор
Института генетики и цитологии НАН Беларуси, кандидат
биологических наук
Елена Сычева,
заместитель директора по научной работе Института генетики и цитологии НАН Беларуси, кандидат
биологических наук
. . f овременная» биотех-^^ I нология, в отличие V_.» от «традиционной», трактуется в широком смысле как использование биологических процессов и систем для интенсификации производства и получения полезных продуктов и энергии.
Глубокие перемены, произошедшие в биологии в последние десятилетия, изменили масштаб биотехнологии, превратив ее в междисциплинарное направление научного познания и мощную отрасль производства. Как отмечается в докладе компании Ernst & Young «Beyond borders: Reaching new heights», за период 2009-2014 гг. количество крупных биотехнологических компаний (с капитализацией свыше 500 млн долл.) выросло в 1,8 раза. Биотехнология приобретает качества и свойства особой социальной деятельности, направленной на практическое преобразование человеком самого себя
и окружающего мира посредством использования биологических процессов и агентов. Международная «цветовая» классификация хорошо отражает глобальность процессов проникновения биотехнологии в мировую экономику. Применение ее методов в промышленном производстве получило название «белая биотехнология», в фармации и медицине - «красная», в сельскохозяйственном производстве - «зеленая», в секторе охраны природы и биоремедиации - «серая», в сфере искусственного выращивания и дальнейшей переработки водных организмов (аквакультура, или марикультура) - «синяя». Более того, в развитых странах говорят о переходе к биоэкономике, при которой биотехнологические процессы системно охватывают большинство отраслей народного хозяйства.
По приложению к различным сферам человеческой деятельности помимо основных
направлении, таких как промышленная, сельскохозяйственная, медицинская и экологическая биотехнологии, выделяют и ее особые виды: бионику - использование принципов и свойств функционирования живых организмов в технических устройствах; космическую - направленную на обеспечение жизнедеятельности космонавтов во время длительных полетов; военную -создание биологического оружия. Расширение сферы применения биотехнологии обусловлено социально-экономическими потребностями общества. Очевидно, что в перспективе возникнут новые ее направления, которые позволят решать актуальные проблемы XXI века.
В мировой биоиндустрии с учетом научных достижений и тенденций, текущего состояния, потенциала рынков и социально-экономического эффекта приоритетное развитие получили три сектора: «красный» (биофармацевтические препараты и биомедицина) - 60%; «белый» (промышленные биотехнологии, в том числе биоэнергетика) - около 28%; «зеленый» и «серый» (агро- и природоохранные биотехнологии) -около 12%.
В географическом разрезе биотехнологии наиболее развиты в США (около 40% объема мирового рынка), Европе, Канаде и Австралии. Среди европейских стран следует выделить Францию, Германию, Данию, а также Швейцарию и Швецию. Однако ожидается, что наиболее быстро растущими биотехнологическими рынками в ближайшие 5 лет станут государства Азиатско-Тихоокеанского региона, в частности Китай и Индия, где существует огромный потенциал. Значительные ресурсы в совершенствование отрасли также вкладывают Бразилия, Российская Федерация, Южно-Африканская Республика, Аргентина.
Перспективы
использования
биотехнологий
Медицинская биотехнология - наиболее быстро растущий сегмент данного рынка, включающий разработку и производство новых биофармацевтических препаратов (моноклональные антитела, вакцины, рекомбинантные белки и т.д.) и биопродуктов для выявления заболеваний, их лечения и предупреждения вредного воздействия факторов внешней среды на здоровье человека. К числу наиболее важных направлений относятся молекулярная диагностика и создание современных диагностических средств (тест-систем, биочипов, биосенсоров) для персонифицированной медицины, клеточная и тканевая инженерия для терапевтических целей. Глобальное старение населения и растущее число хирургических вмешательств для замены тканей и органов способствуют устойчивому спросу на новые биосовместимые материалы для медицинских целей. Благодаря расшифровке генома человека фармакология получила множество ранее недоступных возможностей по созданию нового поколения лекарственных средств с высокой избирательностью действия и малой токсичностью. Активными темпами растет мировой рынок наномедицины по созданию систем адресной доставки лекарственных средств.
Сектор промышленной биотехнологии и биоэнергетики является двигателем отрасли и нацелен на развитие микробного синтеза и выход на новые виды продукции с заданными свойствами (в том числе с применением методов генной и белковой инженерии) как в традиционных областях (продукты питания для человека, корма животных, средства защиты растений и др.), так и в принципиально новых (биотопливо, биоразлагаемые
полимеры, сырье для химическом промышленности). Динамично развивается рынок биополимеров, в том числе биодеградиру-емых. Его объем с 540 млн долл. в 2009 г. увеличился до 3 млрд долл. в 2013 г. Ожидается, что до 2018 г. он будет прирастать на 30% ежегодно, и доля биопластиков может составить уже 5-6% по сравнению с нынешними 1-1,5% (Frost & Sullivan, https:// www.rusventure.ru).
Государственная политика по стимулированию использования альтернативных источников энергии, нацеленная на уменьшение зависимости от традиционных энергоресурсов и защиту окружающей среды, способствует расширению такого направления, как биотопливо. В соответствии с директивой Еврокомиссии 2003/30/ЕС, страны - члены ЕС к концу 2020 г. должны обеспечить потребление биотоплива на транспортные нужды не менее 20% от общего объема. Например, в Латвии, Польше, Украине приняты национальные программы производства моторного биотоплива. Наибольших успехов в освоении этих технологий достигли США, Германия и Франция, к лидерам приближается и Китай.
Биотехнологии в сельском хозяйстве ориентированы на стабильное развитие производства, получение высококачественных, экологически чистых продуктов питания, переработку отходов, восстановление плодородия почв. Приоритетные направления:
■ выведение новых сортов растений и пород животных с помощью современных постгеномных и биотехнологических методов;
■ разработка и внедрение методов геномной паспортизации, маркерной и геномной селекции для повышения эффективности селекционно-племенной работы, создание трансгенных и клонированных животных-производителей;
Сфера деятельности Направление использования
Лекарства, вакцины, средства (биочипы, биосенсоры) и методы диагностики болезней, выявления генетической предрасположенности к заболеваниям
Здравоохранение Использование в репродукции человека (искусственное оплодотворение, ранняя диагностика наследственных заболеваний и т.д.)
Генная и клеточная терапия
Персонифицированный подбор лекарственной терапии
Биосовместимые материалы, системы адресной доставки лекарственных средств
Создание и использование принципиально новых и улучшенных генотипов растений и животных, совершенствование селекционного процесса и методов ведения сельского хозяйства
Сельское хозяйство Средства защиты растений и животных, бактериальные удобрения
Производство и обогащение кормов, кормовые добавки
Искусственное оплодотворение и разделение эмбрионов животных
Ускоренное размножение элитных растений, получение безвирусного посадочного материала
Применение в пищевой промышленности (хлеб, сыр, вино, пиво, вкусовые добавки, ароматизаторы и т.д.)
Питание Сбалансированность пищевого рациона, производство диетических пищевых продуктов и добавок (заменители сахара, аминокислоты, витамины и пр.)
Функциональные пищевые продукты
Спорт Отбор и подготовка спортсменов с учетом их индивидуальных генетических особенностей
Утилизация бытовых, сельскохозяйственных и промышленных отходов
Деструкция трудноразлагаемых загрязняющих веществ (нефть, полимеры, пестициды и пр.)
Экология Создание биоразлагаемых заменителей традиционных продуктов, загрязняющих окружающую среду (биопестициды, пластмассы и пр.)
Поддержание биоразнообразия, сохранение редких видов растений и животных, восстановление популяций
Проблема Добыча ископаемых, в том числе из бросового сырья и отходов (биометаллургия, оживление нефтяных скважин и т.д.)
истощения природных ресурсов Биоэнергетика (биогаз, топливный спирт, водород и т.д.)
Получение химических веществ из возобновляемого сырья для использования в различных отраслях
Таблица.
Перспективы
использования
биотехнологий
в различных
сферах
деятельности
■ изготовление биопрепаратов для растениеводства
и ветеринарии;
■ производство кормовых добавок для сельскохозяйственных животных.
Современная пищевая биотехнология представляет собой индустрию ингредиентов, веществ и соединений, используемых при производстве продовольственных товаров (пищевой белок, ферментные препараты, пребиотики, пробиоти-ки, синбиотики, аминокислоты и другие пищевые и биологически активные добавки). Важная задача - развитие производства функциональных пищевых продуктов, которые, не являясь лекарственными средствами, при систематическом употреблении
препятствуют возникновению некоторых болезней, способствуют росту и развитию детей, тормозят старение организма.
Перспективы использования биотехнологий представлены в таблице.
О какой бы сфере приложения ни шла речь, очевидно, что одним из определяющих факторов развития биотехнологии в будущем будут молекулярные, геномные и постгеномные технологии. Объединение достижений в области геномики, транс-криптомики, протеомики, мета-боломики, системной биологии, дающих глубокое понимание структуры и функционирования биологических систем, обусловливает высокий потенциал возможностей и широкий спектр
применения новейших биотехнологий. Их внедрение в народное хозяйство позволит коренным образом изменить подходы к разработке и производству сельскохозяйственной, продовольственной, фармацевтической и иной продукции, откроет альтернативные пути решения проблем, связанных с охраной здоровья и использованием природных ресурсов, обеспечит выход отраслей на VI технологический уровень, соответствующий мировым тенденциям.
Биоресурсная база
Для дальнейшего развития этой отрасли приоритетное значение имеют биоинформационные технологии, создание банков биологических образцов тканей, клеток, ДНК, РНК и др. Вопросы сохранения и рационального применения биологических и генетических ресурсов всеми передовыми странами определены в качестве приоритетных государственных задач на законодательном и научно-организационном уровнях. Так, Конвенцией о биоразнообразии провозглашен принцип национального суверенитета в отношении генетических ресурсов. Соответственно разрабатываются и уточняются международные правовые механизмы доступа к генетическим ресурсам (Боннское руководство, Нагойский протокол и др.), оформления депонирования и др. Биологические коллекции активно реформируются в биологические ресурсные центры - современные хранилища и провайдеры высококачественного материала и информации. Крупные авторитетные национальные коллекции способствуют развитию биотехнологии, биомедицины, сельского хозяйства и охраны окружающей среды путем предоставления аутентичного биологического материала для фундаментальных
исследований и промышленного использования.
Развитие биотехнологий в Беларуси
В 2000-2010 гг. долевое участие нашей страны в мировом биотехнологическом рынке по уровню исследований и инноваций не превышало 0,015%.
В целях формирования конкурентного сектора экономики Указом Президента Республики Беларусь от 06.07.2005 №315 биотехнология отнесена к приоритетным направлениям научно-технической деятельности. В 2006-2015 гг. реализован ряд крупных профильных государственных и межгосударственных научных программ. По инициативе Правительства приняты Концепция развития фармацевтической и биотехнологической промышленности Республики Беларусь на 2011-2015 гг. и на период до 2020 г. и План развития биотехнологической отрасли Республики Беларусь на 20122015 гг. и на период до 2020 г.
Благодаря реализации государственных мероприятий
постепенно создавались условия для формирования биотехнологического сектора экономики. Основные направления биотехнологии получили развитие в организациях НАН Беларуси (Институт микробиологии, Институт генетики и цитологии, Институт биофизики и клеточной инженерии, Институт биоорганической химии, Центральный ботанический сад, НПЦ по животноводству, НПЦ по земледелию, НПЦ по картофелеводству и плодо-овощеводству и др.), Минздрава (НИИ эпидемиологии и микробиологии, РНПЦ «Мать и дитя», РНПЦ детской онкологии и гематологии, РНПЦ онкологии и медицинской радиологии им. Н.Н. Александрова, БГМУ, БелМАПО) и Минобразования (БГУ, БГТУ).
Укреплена производственная база промышленной биотехнологии, получившей наибольшее развитие. Организовано более 30 новых производств, в том числе по выпуску премиксов, пробиотиков и пробиоти-ческих кормовых и биологически активных добавок, ветеринарных препаратов, кормовых
добавок-адсорбентов и подкис-лителей, биоудобрений, кисломолочного детского питания и др. Объем выпуска инновационной продукции за период 2011-2014 гг. составил около 150 млрд руб., в том числе на экспорт - 250 тыс. долл.
В результате реализации Государственной программы по обеспечению производства дизельного биотоплива и подпрограммы «Биоэнергетика» ГП «Инновационные биотехнологии» разработаны отечественные технологии и на базе концерна «Бел-нефтехим» налажен выпуск сме-севого дизельного биотоплива путем перэтерификации рапсового масла: за 2010-2014 гг. реализовано более 3 млн тонн на сумму около 2,5 млрд долл.
За период 2010-2015 гг. созданы базовые условия для дальнейшего развития медицинских биотехнологий по всем основным мировым направлениям -разработан широкий спектр продукции нового поколения (лекарственные средства, диагностические наборы, биологически активные добавки, новые вещества, обладающие терапевтическими свойствами и др.),
Селекция
Медицина
Фармакология
Спорт
Охрана окружающей среды
Направления
1 Отбор не по признаку, а по наличию гена на ранних стадиях,
эффективность селекции возрастет в 1,5-2 раза
' ДНК-диагностика заболеваний, выявление
предрасположенности к развитию заболеваний 1 Индивидуальное предписание лекарств 1 Генная терапия
1 Созданиерекомбинантныхвакцин 1 Фармакогенетическое тестирование
1 Генетическая паспортизация с целью индивидуального подбора вида спорта, режима тренировок, питания и фармподдержки
• Изучение биоразнообразия редких
и ресурсных видов на уровне генома
• Генетическая экспертиза биологического материала
VI технологический уклад
Геномная селекция
Медицина «4П»
Повышение эффективности лечения
Повышение эффективности ► отбора и подготовки, снижение инвалидизации
Повышение эффективности ► природоохранных мероприятий, борьбы с браконьерством
Рисунок.
Влияние геномных
биотехнологий
на развитие
отраслей
народного
хозяйства
технологии молекулярной диагностики, получения биомедицинских клеточных продуктов и др.
Оформился кластер геномных биотехнологий, составляющих наравне с нанотехнология-ми основу VI технологического уклада (рисунок). Предложен ряд новых высокоэффективных геномных биотехнологий для сельского хозяйства, здравоохранения, спорта, охраны окружающей среды.
Новейшие геномные подходы использованы при разработке биотехнологий маркерной селекции для растениеводства (по 10 культурам) и животноводства (крупный рогатый скот, свиньи, лошади). Предложены методы ДНК-идентификации и паспортизации для оценки достоверности происхождения животных и подтверждения сортовой принадлежности растений.
Геномные технологии нашли применение как инструмент для изучения генетического разнообразия и структуры популяций диких животных (больших белоголовых чаек, благородного оленя, европейской косули и др.). Проведен ДНК-анализ популяции беловежского зубра, результаты которого легли в основу Плана мероприятий по сохранению и рациональному использованию зубров на 2015-2019 гг., реализующегося в рамках государственной программы «Охрана окружающей среды и устойчивое использование природных ресурсов» на 2016-2020 гг.
Начато формирование инновационной инфраструктуры в сфере биотехнологий: созданы Республиканский центр геномных биотехнологий и Республиканский научно-медицинский центр «Клеточные технологии», Центр аналитических и генно-инженерных исследований, введены в эксплуатацию специальное поле для испытания трансгенных растений при их
первом высвобождении в окружающую среду и ферма для содержания коз - продуцентов ре-комбинантного лактоферрина человека.
Совершенствуется биоресурсная база биотехнологий: созданы республиканский банк ДНК человека, растений, животных и микроорганизмов (более 9 тыс. образцов); банк промышленно ценных микроорганизмов; регистр доноров костного мозга человека (более 18 тыс. доноров) и др.
Задачей первостепенной важности на ближайшую перспективу является обеспечение конкурентоспособности биотехнологического сектора экономики, что требует дальнейшего развития биоресурсной базы, повышения эффективности внедряемых биотехнологий, снижения их энерго- и материалоемкости, увеличения импортозамещающего и экспортного потенциала. На это направлены такие проекты, как Национальный научно-технологический парк в области фармацевтики, нано- и биотехнологий «БелБиоград», а также формирование Биотехнологической евразийской платформы.
Масштабное и повсеместное использование биотехнологий -необходимое условие перехода экономики на следующий технологический уровень. При этом задача научного обеспечения -разработать биотехнологии, способные составить основу научно-технологического «прорыва» и гарантировать их трансфер в практику в виде продукции и услуг. Достижению этой цели призвана содействовать подпрограмма «Инновационные биотехнологии - 2020» новой Государственной программы «Наукоемкие технологии и техника» на 2016-2020 гг., предусматривающая развитие всех основных сегментов биотехнологической отрасли в соответствии с мировыми тенденциями перехода к экономике будущего. СИ
Резюме. Изложены результаты использования генетических и биотехнологических методов в процессе создания новых форм и сортов сельскохозяйственных культур: люпина желтого, озимого тритикале, голозерного овса, яровой пшеницы, эспарцета песчаного, озимой ржи, трансгенного рапса с геном куриного интерферона. Отмечены основные направления и перспективы дальнейшего развития биотехнологии в селекции растений. Ключевые слова: биотехнология, генетика, селекция, сорт, люпин, рапс, интерферон.
Фото Юрия Иванова
Федор Привалов,
генеральный директор НПЦ НАН Беларуси по земледелию,
Станислав Гордей,
завлабораторией генетики и биотехнологии НПЦ НАН Беларуси по земледелию,
член-корреспондент кандидат биологических наук
О
своение современных ге-нетико-биотехнологи-
ческих методов в селекционной работе - одна из основных составляющих повышения ее результативности. Инновационные проекты направлены в первую очередь на решение проблем, связанных с такими глобальными вызовами, как питание и насыщение аграрного рынка при стремительном росте численности населения планеты.
