Здоровые гены донской биологии

Сегодня бизнес ещё плохо представляет себе коммерческий потенциал науки в отдельных предметных сферах. Ассортимент инновационных идей в НИИ, лабораториях и малых инновационных предприятиях факультета биологии ЮФУ, а также ростовского НИИ нейрокибернетики имени А. Б. Когана демонстрирует, как может быть организована взаимосвязь научной мысли и предпринимательской активности в региональном вузе

Фото предоставлено ЮФУ
Профессор НИИ биологии ЮФУ Александр Усатов (слева) и директор биостанции «Недвиговка» Владимир Пономаренко на фоне силосного кормового подсолнечника; большая вегетативная масса — основной показатель продуктивности этой формы растений

Реалии сегодняшнего дня таковы, что ростовским учёным-биологам пришлось отрабатывать технологию активизации предпринимательской деятельности в инновационной сфере — иначе говоря, научиться торговать научными разработками. Умение зарабатывать деньги на интеллектуальной собственности — сложная, но необходимая задача. Бизнес-планирование, презентация проектов, поиск инвесторов и заказчиков, ведение переговоров стали неотъем­лемой частью научной работы. Сегодня учёные уже владеют практически всей цепочкой, которая позволяет вести «жизнь продукта» от идеи до стадии производства и продажи. В ближайшее время биологи планируют создание инновационной структуры, которая будет вести маркетинговые исследования и продвигать научные разработки как рыночные продукты.

Генетическая карта здоровья

«Исследование генетической предрасположенности к различным заболеваниям, которое мы проводим, — это очень мощное биомедицинское направление, — говорит доктор биологических наук, профессор Южного федерального университета Игорь Корниенко. — Наша инновация — это поиск ДНК-маркеров для различных патологических состояний человека. Сейчас разработки ведутся по двум основным направлениям. Одно из них — исследование маркеров наследственной предрасположенности к тромбозам. Многие патологические процессы в организме человека сопровождаются явлением гиперкоагуляции (повышенной свёртываемости крови) с развитием тромбозов. Этот патологический процесс может дать грозное осложнение в виде тромбоэмболии легочной артерии (ТЭЛА). Несмотря на успехи современной медицины, тромбоз и ТЭЛА по-прежнему представляют глобальную медико-социальную проблему, поэтому поиск генетических маркеров для диагностики тромбозов является важнейшей задачей. Сейчас уже можно с уверенностью говорить о том, что существуют наследуемые, а иногда и приобретённые в ходе жизни дефекты белков, которые и обуславливают предрасположенность того или иного человека к тромбообразованию. Причём такая “поломка” может дать о себе знать только в определённых обстоятельствах — во время беременности или операции, при травмах, приёме некоторых лекарств».

Причин возникновения «поломок» генов множество, в основном они связаны с негативным воздействием современной цивилизации на организм человека. Но, зная о генетическом сбое, можно идти не по пути устранения причины такой «поломки», а по пути прицельной профилактики. Благодаря разработкам учёных сегодня появилась возможность тщательной диагностики генетических нарушений. Имея информацию о наличии генетической предрасположенности, скажем, к сердечно-сосудистым заболеваниям, можно помочь человеку корректировать свой образ жизни, избавляться от вредных привычек, например, курения.

Других аспектов этой проблемы касаются исследования, проводимые совместно с кафедрой судебной медицины Ростовского государственного медицинского университета. Речь идёт о тромбозах сосудов, возникающих после причинения человеку механических повреждений. Тромбозы после травм в судебно-медицинской практике встречаются довольно часто, и решить вопрос о причинно-следственной связи между ними оказывается непросто. Есть множество примеров, демонстрирующих неоднозначность экспертных выводов. Так, одна из потерпевших обратилась в суд с иском о возмещении материального ущерба и компенсации морального вреда, указав, что её отец был сбит автомобилем и скончался от тромбоза через месяц после ДТП. Но уголовное дело в отношении ответчика возбуждено не было, так как комиссия экспертов не смогла установить конкретную причину тромбоза. Вполне вероятно, что у потерпевшего могла быть наследственная предрасположенность к тромбофилии, что в конечном итоге и привело к летальному исходу.

Чтобы определить, имеет ли человек генетическую или наследственную предрасположенность к тому или иному заболеванию, исследуют состояние генов-кандидатов предрасположенности к различным заболеваниям. Гены-кандидаты — это некие маркеры, которые могут показать, мог ли у человека, например, возникнуть тромбоз после травматического воздействия или нет. Образно говоря, эти гены могут стать главными «свидетелями» при расследовании уголовных и гражданских дел. Получив результаты генетического исследования, эксперт сможет установить истинную причинно-следственную связь между повреждением и возникшим тромбозом, что существенно повысит качество экспертной работы.

Совокупность молекулярно-генети­ческих анализов получила условное название «генетический паспорт». Это своего рода генетический «срез» человека, показывающий «хорошие» и изменённые, так называемые «плохие», гены. Генетический паспорт позволяет выявить риск возможных заболеваний или предрасположенность к их развитию в будущем, выбрать индивидуальные профилактические меры для каждого человека согласно его генетическим особенностям, диагностировать наследственные болезни у будущего малыша, составить индивидуальную программу питания с учётом генотипа, дать рекомендации по изменению образа жизни, рассчитать физические нагрузки и т. д.

«Второе направление наших исследований — ДНК-идентификация, — рассказывает Игорь Корниенко. — Нами уже получена лицензия на осуществление судебно-медицинской генетической экспертизы вещественных доказательств и исследования биологических объектов, в том числе генетического установления родства, определения отцовства и материнства. К нам обращаются правоохранительные органы за помощью в раскрытии уголовных дел по следам ДНК, найденным на месте преступления. Генетическая идентификация личности методами геномной дактилоскопии широко используется не только в криминалистике, но и в других социальных сферах. Эти услуги — высококачественный рыночный продукт, одна из статей дохода. ЗАО “Наука”, в котором применяются наши разработки, проводит ДНК-экспертизы по установлению родства различной сложности с использованием любого биологического материала, где есть ДНК человека: жидкой и сухой крови, клеток слизистой оболочки рта, костных фрагментов, ногтевых пластин, волос, мягких тканей».

Генетика сельхозкультур

«Основным вектором нашей научно-исследовательской работы является маркер-вспомогательная селекция (marker assistance selection), — говорит Александр Усатов, доктор биологических наук, профессор, заведующий отделом изменчивости генома НИИ биологии ЮФУ. — В отличие от классической селекции, то есть отбора по фенотипу, это новое направление опирается в первую очередь на ДНК-маркеры, сцепленные с различными хозяйственно ценными признаками сельскохозяйственных растений. В настоящее время у некоторых сельхозкультур разработаны маркеры на скорость роста, продуктивность, устойчивость к некоторым факторам среды и т .д. Маркер-вспомогательная селекция  значительно повышает эффективность традиционной селекции растений, позволяя проводить быстрый и недорогой предварительный анализ тысяч семян или проростков без выращивания их на полях до полного созревания. Экономия очевидна — резко сокращаются выборки первичного селекционного материала в полевых условиях, появляются более эффективные способы создания высокопродуктивных и устойчивых к факторам внешней среды сортов и гибридов, обеспечивающих получение безопасной продукции высокого качества».

Объект исследований — подсолнечник, самая рентабельная сельскохозяйственная культура Ростовской области. Сейчас все силы направлены на поиск его заразихоустойчивых форм (заразиха — злостный паразит подсолнечника, вызывающий катастрофическое падение урожая). Новые методы селекции растений, в особенности современные биотехнологии, имеют значительный потенциал для ускорения развития растений с нужными качествами, что позволяет существенно увеличивать их продуктивность. Маркер-вспомогательная селекция, опирающаяся на использование ДНК-маркеров, тесно сцепленных с генами устойчивости, значительно интенсифицирует поиск и отбор растений, устойчивых к патогенам.

«Наши работы проводятся в тесном сотрудничестве с селекционерами Донской опытной станции имени Жданова, Всероссийского НИИ масличных культур. С их полей в наши университетские лаборатории поступает исходный селекционный материал, а мы разрабатываем новые генетические маркеры селекционно ценных признаков, точнее, ДНК-маркеры, — поясняет Александр Усатов. — Наш продукт, безусловно, будет востребован сельхозпроизводителями. Например, чтобы выделить ту же заразихоустойчивую форму классическим способом, её надо выращивать в полевых или оранжерейных условиях как минимум год или два, а при использовании надёжных ДНК-маркеров на это уйдёт не более двух часов».

Особое направление исследований — получение трансгенных растений, то есть таких, в геномах которых успешно функционирует ген (или кластеры генов), перенесённый из других видов микроорганизмов, растений или животных. В результате растение-реципиент получает новые востребованные свойства: повышенную устойчивость к вирусам, гербицидам, вредителям и болезням растений. Пищевые продукты, полученные из таких генно-модифицированных культур, могут иметь улучшенные вкусовые, технологические, декоративные и другие свойства. Кроме того, такие растения часто дают более высокий и стабильный урожай, чем их природные аналоги.

В планах донских ученых значится совместный проект с коллегами из Вьетнама в области селекции сельскохозяйственных культур, которые растут в обеих странах — это, например, рис, лён, соя, сахарное сорго и т. д. «С вьетнамцев нам нужно брать пример: у нас огромный разрыв между фундаментальной наукой и народом, а во Вьетнаме различные НИИ десятками открывают новые лаборатории прямо в провинции, на полях, — рассказывает Александр Усатов. — Я уверен, что сегодня необходимо возрождать НПО — научно-производственные объединения. Сейчас получается так, что учёные не зависят от конечного результата, а надо идти в одной финансовой упряжке с аграриями: собрали они низкие урожаи — я получил маленькую зарплату, и наоборот. Надо объединяться с производством — в университете по понятным причинам нельзя наладить конкурентное производство, но можно готовить для него современных специалистов. Деньги, выделяемые на науку, должны быть завязаны на урожай, а так заинтересованность у нас получается абстрактная».

Полезные пробиотики

«Время, когда биологи были рады любому предпринимателю, проявившему интерес к их разработкам, прошло, — уверен Владимир Чистяков, заведующий лабораторией экспериментального мутагенеза НИИ биологии ЮФУ, кандидат биологических наук. — Сейчас реальная помощь идёт от государства, но проблемы с внедрением пока остаются нерешёнными. Во взаимодействии с бизнесом есть две стороны. Иногда наши бизнесмены ведут себя как купцы из пьес Островского, но есть и недобросовестные учёные, которые выдают разработки низкого качества. Поэтому с ними не хотят иметь дело».

Одна из разработок лаборатории — технология получения пробиотиков для животноводства — является основой инновационной стратегии кормления животных. Получаемые по этой технологии натуральные и эффективные продукты позволяют снизить в рационе скота долю кормовых антибиотиков или вовсе исключить их. Кроме того, как говорит г-н Чистяков, пробиотики значительно дешевле других коммерческих препаратов, присутствующих на рынке. Потребителями могут стать как сельскохозяйственные предприятия южных регионов, так и предприятия, производящие корма.

За счёт использования определённых биотехнологических приёмов учёные получают препарат на основе сенной палочки. По большому счёту, это развитие идеи кефира и простокваши. Именно из этого выросли современные технологии. Пробиотические бактерии можно использовать для заквашивания молока, изготовления салями (салями делается с помощью добавляемых в фарш молочнокислых бактерий, которые ферментируют мясо). Кстати, с этой точки зрения настоящая салями — очень полезный и ценный продукт: подобную технологию использовали ещё во времена Александра Македонского при заготовке продуктов для войска.

«У нас “народные пробиотики” традиционно делали на основе молочнокислых бактерий, а, например, в Японии, Китае, Индонезии — из бацилл, — поясняет Владимир Чистяков. — Все пробиотические препараты мы получаем, используя традиционные технологии, модернизированные с использованием достижений науки XXI века. Сейчас мы организовали центр биотехнологий, от этого предприятия подали заявку на конкурс, выиграли грант, получили первые деньги. А в целом программа рассчитана на два года».

Большой интерес эта разработка вызывает у производителей кормов для домашних животных и предприятий, занимающихся их разведением. Российский рынок кормов оценивается в 1 млрд долларов. Его ежегодный прирост составляет 20–25%, то есть каждые 4–5 лет рынок кормов удваивается. Более 70% занимает импорт. В пятёрку крупнейших стран-экспортёров входят Германия, Великобритания, Франция, Китай, США. В то же время российские производители на рынке кормов и кормовых добавок для домашних животных практически не представлены, что создаёт хорошие предпосылки для развития в данном направлении. Потребителями и заказчиками продуктов могут стать сетевые компании, и объёмы заказов окажутся весьма значительными.

Пробиотики существуют в нескольких видах. Прежде всего это лекарственные препараты — моно- и комплексные. Монопрепараты изготовлены на основе одной бактерии; комплексные могут включать несколько видов, например, бифидобактерии, лактобактерии. Ещё один вид пробиотиков — биологически активные добавки (БАДы) — препараты, содержащие полезные для пищеварения микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности. Кроме того, пробиотики — это и продукты функционального питания, обогащённые бифидобактериями. Пробиотические препараты прекрасно зарекомендовали себя в ветеринарии, работая как средства настройки организма на выживание. «Отечественному животноводству мы хотим дать не рыбу, а удочку: в производство кормов внедрить не готовый препарат, а мини-технологию, которую фермер может использовать, чтобы получать пробиотики в своем хозяйстве, — говорит Владимир Чистяков.— И русские, и японские бабушки умели делать превосходную закваску. Такое производство можно наладить в фермерских хозяйствах. Весь мир сегодня стремится к снижению химизации».

Живой интеллект

«В этом году мы отмечаем знаменательную дату: 40-летие со дня основания нашего института, — рассказывает Валерий Кирой, доктор биологических наук, профессор, директор НИИ нейрокибернетики имени А. Б. Когана Южного федерального университета. — Многие разработки нашего НИИ хорошо известны пользователям. Это прежде всего аппараты серии “ЭСО-2М” и “ЭСОТ-1” — электронные стимуляторы для улучшения и восстановления функций зрения и слуха».

Основные научные направления НИИ связаны с проведением исследований и выполнением разработок в области нейробиологии, нейроинформатики и нейроинженерии. Это изучение структурных и функциональных основ деятельности мозга, механизмов восприятия, когнитивной (в том числе мыслительной) деятельности, моделирование изучаемых систем и закономерностей с целью создания более эффективных бионических устройств, обладающих свойствами, присущими живым организмам. Работы института охватывают широкий комплекс вопросов — от молекулярного и клеточного уровня до понимания природы и механизмов адаптивного целенаправленного восприятия и поведения в целом, а также применение полученных знаний в технике и медицине.

«К некогда популярной идее создания мыслящих роботов современные нейробиология и нейрокибернетика добавили ещё целый ряд чрезвычайно перспективных идей, — поясняет Валерий Кирой. — Прежде всего это нейропротезирование в широком смысле — от разработки нейропротезов конечностей и искусственных органов зрения, слуха до нейрочипов, способных “сосуществовать” с живой нервной тканью и реализовывать утраченные функции мозга».

Среди наиболее актуальных и перспективных разработок особое место сегодня занимают так называемые BCI-системы (Brain-Computer Interface — интерфейс «мозг — компьютер»). В каче­стве команд, обеспечивающих коммуникацию и управление, эти системы используют сведения об изменении электрической активности человеческого мозга (электроэнцефалограммы). Проще говоря, устройство как бы читает мысли пользователя и превращает их в команды, которые компьютер способен истолковать и передать дальше, например, при управлении инвалидным креслом. BCI смогут прежде всего использовать люди, которые после травмы или болезни утратили контакт с внешним миром, те, кого инсульт или травма головы полностью обездвижили, лишив возможности управлять руками, ногами, глазами. А ещё интерфейс нужен тем, у кого этот контакт, наоборот, интенсивен и от чьей реакции зависит безопасность людей: операторам атомных станций, летчикам-испытателям, диспетчерам.

Ещё одно перспективное направление — разработка интеллектуальных устройств и систем контроля, прогнозирования и управления функциональным состоянием человека-оператора, восстановления функций после напряжённой работы.

Одна из последних разработок института — создание модели фовеального (обусловливающего восприятие объекта, фиксируемого взглядом) зрения, позволяющей конструировать биометрические системы санкционированного доступа по антропометрическим данным на основе распознавания изображений лиц — своеобразный фейс-контроль. Интерес к ним уже проявили режимные предприятия, банки, а также учреждения, где необходимо организовать учёт посетителей, у которых, например, по той или иной причине утрачены документы. Такая система может использоваться и для создания баз данных, содержащих сведения об антропометрических характеристиках клиентов банков, посетителей офисов, торговых предприятий, социальных служб и др. В рамках реализации программы антитеррористических мероприятий эти разработки позволяют организовать «поиск в толпе» — на вокзале, в метро, идентификацию по фото.

Не менее важное направление — разработка адаптивного интерфейса для физиотерапии, испытания которого проходят в клинических условиях. Интерфейс способен не только учесть индивидуальные особенности каждого пациента, подобрав ему наиболее эффективный режим, но и оценить лечебный эффект в реальном времени (непосредственно в ходе сеанса физиотерапии). Кроме того, специально организованной стимуляцией определённых структур мозга можно менять пороги чувствительности, в том числе болевой, что открывает перспективы создания немедикаментозных средств для обезболивания, позволит купировать хронические боли без побочных эффектов.

«Благодаря созданию учебно-научно-инновационного комплекса “Биология и биотехнологии” станет возможной реализация мультидисциплинарных проектов в молекулярно-генетической области, нейроинженерии и ряде других сфер, — говорит Валерий Кирой. — Экспериментальная база для этого есть: институт приобрёл уникальное научное оборудование, в том числе электронный и флюоресцентный микроскопы, многоканальные системы для энцефалографии и регистрации единичных нейронов мозга, тепловизор с матрицей, позволяющей дистанционно измерять температуру с точностью до сотых долей градуса, системы для отслеживания движений глаз и т. д. Основная задача сегодня — разработать федеральные и региональные программы развития высокотехнологичных отраслей экономики, в которых наши инновации будут востребованы. Мы открыты для сотрудничества со всеми, кто заинтересован в наших разработках или сформулирует свои задачи, в решении которых мы можем быть полезны».