Инновационные разработки в сфере биотехнологий

№3(2) (30 марта, 2020 г.) ДАЙДЖЕСТ по развитию биотехнологий в мире и в Республике Узбекистан Центр научно-технической информации при Министерстве инновационного развития Республики Узбекистан Ташкент-2020

СОДЕРЖАНИЕ Биомедицинская инженерия 4 Бионика 6 Генная инженерия 8 Искусственный отбор 10 Биоинформатика 12 Биоэнергетика 14 Биотехнологии в Узбекистане 16 Источники 19 2

БИОТЕХНОЛОГИИ Потенциал, который открывает биотехнологии для человека, велик не только в фундаментальной науке, но и в других сферах деятельности и областях знаний. При использовании биотехнологических методов стало возможно массовое производство всех необходимых белков. Значительно проще стали процессы получения продуктов ферментации. В будущем биотехнологии позволят улучшать животных и растений. Учеными рассматриваются варианты борьбы с наследственными болезнями при помощи генной инженерии. Генная инженерия, как одно из перспективных направлений в биотехнологии, значительно ускоряет решение проблемы продовольственного, аграрного, энергетического и экологического кризисов. Самое большее влияние биотехнология оказывает на медицину и фармацевтику, прогнозируя, что в будущем станет возможным диагностика и лечение тех заболеваний, которые в настоящее время имеют статус «неизлечимых». 3

БИОМЕДИЦИНСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ Биомедицинская инженерия только недавно появилась в качестве самостоятельной области исследования, по сравнению со многими другими инженерными областями. Такое продвижение обобщает новые переходы от междисциплинарных специализаций среди уже установленных областей. Данное направление науки и техники призвано сократить разрыв между инженерной наукой (техникой) и медициной с целью повышения качества оказания медицинской помощи, в том числе диагностики, мониторинга и лечения заболеваний Согласно исследованию, опубликованному в журнале Advanced Functional Materials, с помощью 4D-печати инженеры Ратгерского университета в Нью-Джерси создали крошечные иглы, которые имитируют паразитов. Почти незаметные пирг.лиык,рнеаппляоюмитсняакюкщоижеелиапвыыпноалснеякюомт ых, функции уколов для подкожных инъекций, не оставляя при этом рубцов на коже. Предполагается, что данная технология позволит безболезненно вводить медицинские препараты в организм человека и обеспечит быстрое заживление внутренних и внешних ран [1]. Биосенсоры на основе графена могут открыть эру жидкой биопсии, обнаруживая признаки рака ДНК, циркулирующие в крови пациента. Так, исследователи из Университета Иллинойса разработали сверхчувствительный детектор рака ДНК, созданный из смятого графена. 34

БИОМЕДИЦИНСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ Исследователи считают, что смятый графен может использоваться в широком спектре биосенсоров для быстрой диагностики. Этот датчик может обнаруживать ультранизкие концентрации молекул, которые являются маркерами заболевания, что важно для ранней диагностики. Как отметил руководитель исследования профессор Рашид Башир, данный детектор, являясь инновационной разработкой, не только способен точно определить рак ДНК, но и требует минимальных издержек и легок в использовании [2]. Биомедицинские инженеры в Университете Дьюка разработали метод создания мелких частиц на основе эластиноподобных полипептидов (ELP) с использованием только тепла и света. Инновационные биосовместимые микрочастицы безопасны для живых тканей и позволяют им создавать новые формы, предназначенные для адресной доставки лекарств, диагностики и тканевой инженерии [3]. Преимущество разработанного метода создания микрочастиц заключается в его простоте и экономичности. Также инновационная технология с использованием только тепла и света позволяет масштабировать производство до миллиардов микрочастиц за считанные минуты и в дальнейшем использовать их в сфере здравоохранения. 5

БИОНИКА Наши руки, пожалуй, самый полезный инструмент, который дала нам природа. Ловкость и синергия наших пальцев - это то, что десятилетиями ученые пытались внедрить в технологии. Так, многообещающий проект Итальянского технологического института (IIT) может дать надежду тем, для кого обычное движение рук – не что иное как несбыточная мечта. Исследователи разработали механическую систему - бионическую руку Soft Hand Pro , с таким же количеством суставов, что и в человеческой руке, способную приспосабливать силу и форму захвата к объекту. Основой бионической руки являются датчики, считывающие импульсы с мышц на поверхности кожи, где протез прикрепляется к части руки, и использующие их для информирования механизма управления [4]. Многие компании и лаборатории уже производят подобные бионические конечности, однако отличительными чертами Soft Hand Pro являются не только практичность, простота, легкость и приемлемая стоимость, но и способность эмулировать «мышечную память» в протезе. Каждый шестой мужчина и каждая седьмая женщина в Европе страдают от сердечного приступа и всё больше людей умирают от сердечных болезней во всем мире независимо от возраста и расы. С целью решения данной проблемы биоинженерами из Тринити-колледжа в Дублине разработан прототип патча, который выполняет ту же работу, что и важнейшие аспекты сердечной ткани, способное исправлять, дополнять и лечить больное сердце. 6

БИОНИКА Данный патч может имитировать электрические сигнальные свойства, которые позволяют сердцу ритмично качать кровь по всему организму. Патчи для сердца, напоминающие пластыри, покрыты «сердечными» клетками и могут применяться в хирургии для восстановления сердечной ткани у пациентов, у которых после сердечного приступа была удалена поврежденная ткань, и для восстановления врожденных пороков сердца у младенцев и детей. В конечном счете, данная разработка может восстановить синхронное биение клеток сердца, не нарушая при этом движения сердечной мышцы [5]. Инженеры Массачусетского технологического института спроектировали прототип бионического сердца для тестирования протезов, клапанов и других сердечных устройств. Данное устройство изготовлено из живых сердечных тканей и включает роботизированную насосную систему, позволяющую «сердцу» биться как настоящее. В устройстве жесткая мышечная ткань заменена на мягкую роботизированную матрицу из искусственных мышц, имитирующих структуру естественных мышечных волокон сердца. Искусственное сердце способно биться как настоящее и качать кровь. Преимущество данного устройства заключается в том, что оно предлагает более реалистичную модель для испытания искусственных клапанов и других сердечных устройств, при этом требует минимальных издержек [6]. 7

ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ Сегодня в мире от бактериальных инфекций умирает 700 000 человек ежегодно. Если ничего не предпринимать, к 2050 это число возрастет до 10 миллионов, считают эксперты ООН. Проблема в том, что современная медицина прописывает слишком много антибиотиков [7]. Кроме того, их постоянно используют в животноводстве. При этом антибиотики убивают большинство вредных бактерий, но не всех. И те, кто выживают, становятся сильнее. В связи с этим, стартап проект Felix бизнес-инкубатора Y Combinator предложил альтернативный способ борьбы с устойчивыми к антибиотикам микроорганизмами, разработав метод предотвращения распространения резистентных бактериальных инфекций с помощью вирусов. Ключевая технология, разработанная его основателями, позволяет направлять вирусы в определенные места бактерий. Это не только убивает патогены, но и останавливает их способность развиваться и становиться еще более устойчивыми [7]. Felix уже успешно провел небольшое предварительное испытание на группе из 10 человек. Основатели утверждают, что их подход быстрее и дешевле, чем разработка традиционных антибиотиков, и уже работает на людях. Следующим шагом должен стать эксперимент с участием 30 человек, а затем – масштабные испытания и массовое производство. 8

ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ Американские ученые из Университета Северной Каролины разработали CRISPR/Cas3 - управляемая при помощи РНК-гидов эндонуклеаза, связанная с адаптивной иммунной системой CRISPR, которая может уничтожить клостридии (Clostridioides difficile) – патогена, который вызывает развитие псевдомембранозного колита. Колит является воспалительным заболеванием толстой кишки. Частое использование антибиотиков считается основным фактором риска развития C.difficile. Результаты экспериментов показали, что с помощью генетически модифицированных бактериофагов ϕCD24-2 метод CRISPR/Cas3 эффективно удаляет и заменяет определенные последовательности генетического кода у бактерий [8]. Также, Бит Кристен, профессор экспериментальной системной биологии Швейцарской высшей технической школы Цюриха вместе со своими коллегами использует алгоритм создания цифрового генома Caulobacter ethensis-2.0 в сочетании с крупномасштабным химическим синтезом ДНК для физического воспроизводства искусственных геномов на молекулярном уровне. В лаборатории создан системный подход к определению основных генов, которые служат генетическими частями искусственных микробных геномов, разрабатываемых для устойчивой химии, медицины и сельского хозяйства [9]. 9

ИСКУССТВЕННЫЙ ОТБОР Согласно общенациональному опросу в США, пчеловоды потеряли почти 40% своих пчелиных семей прошлой зимой, что является самым высоким показателем за последние 13 лет. Заражение пчел варроатозом и вирусом деформированного крыла – вот две основные тесно связанные между собой причины. Поскольку клещи паразитируют пчел, они могут распространять вирус, одновременно ослабляя этих насекомых и делая их более уязвимыми [10]. В связи с этим, ученые из Университета Техаса в Остине сообщают, что разработали новую стратегию защиты медоносных пчел от двух болезней, вызывающих, так называемый, коллапс колонии. Было предложено одно универсальное решение – введение генетически модифицированные штаммов бактерий. Искусственные бактерии легко выращивать и ими просто инокулировать пчел, а кроме того, искусственные бактерии не распространятся на другие виды насекомых. Благодаря введенному штамму бактерий пчелы показали большую выживаемость, а 70% клещей варроа погибали на 10 день [10]. Международная группа ученых выяснила, почему одноклеточные организмы, такие как вирус СПИДа и раковые клетки, так невероятно успешны и живучи. Исследователи из ESPCI в Париже, Института эволюционной биологии Макса Планка в Германии, Университета Аделаиды провели эксперимент с участием «свободно живущих» бактерий - одноклеточных организмов, которые живут одни в природе [11]. 10

ИСКУССТВЕННЫЙ ОТБОР Как утверждает ведущий исследователь Пол Рейни, мало того, что группы стали более активными, они даже развили черты, которые лежали в основе программы развития, подпитывающей многоклеточный жизненный цикл. По сути, биологи разработали экологический рецепт, который приведет к тому, что существа будут участвовать в процессе эволюции путем естественного отбора, в результате чего получится некая дарвиновская машина [11]. Дарвиновская машина представляет собой конструкцию, с помощью которой небольшое количество живых клеток, собранных вместе в сообщество, может во много раз увеличить жизнеспособность. Бактерии в сообществах «эволюционировали», чтобы лучше справляться с окружающей средой, чем те, которые продолжали жить самостоятельно. Более того, это исследование может иметь огромное значение в области искусственного интеллекта. Успешная парадигма искусственной эволюции может привести к созданию нейронной сети на основе машины Дарвина, способной лучше имитировать процесс естественного отбора и, возможно, собственную органическую нейронную сеть человеческого мозга. 11

БИОИНФОРМАТИКА Вид Juglandaceae (Ореховые) - растения, представляющие большую экономическую ценность; их долго выращивали, одомашнивали и использовали в человеческом обществе. Съедобные, богатые питательными веществами орехи и прочная, долговечная древесина привлекают внимание не только предпринимателей, но и ученых-биологов. С наступлением эры геномики секвенирование генома семейства Juglandaceae значительно ускорилось, и было получено большое количество данных. В этой связи, исследователи Государственной лаборатории субтропического лесоводства Китая представили портал Juglandaceae (PJU) - инструмент для объединения всех этих данных [12]. PJU содержит геномы, кодирующие гены последовательности, белковые последовательности, различные типы информации аннотаций, данные об экспрессии и miRNA, которые сконфигурированы с помощью программ BLAST, JBrowse и специального инструмента для синтаксического анализа. PJU имеет удобный и простой интерфейс, который выполняет различные задачи запроса с помощью нескольких простых операций [12]. По словам разработчиков, данный портал станет базовой платформой для изучения и культивирования растений семейства Juglandaceae. Активные жизненные действия поддерживаются различными отношениями биомолекул в клетках человека. Тем не менее, многие предыдущие вычислительные модели фокусируются только на изолированных объектах, не считая, что ячейка представляет собой целостный объект с достаточными функциями [13]. 12

БИОИНФОРМАТИКА Вдохновленные холизмом, ученые из Синьцзянского технического института физики и химии при АН Китая в сотрудничестве с Шанхайским Университетом Тунцзы и Школой Кибер Науки и Технологий создали сеть молекулярных ассоциаций (MAN), включающую 9 видов взаимосвязей между 5 типами биомолекул, и модель прогнозирования под названием MAN-GF, который может предсказать любые связи между произвольными узлами в структуре. Биомолекулы могут быть представлены в качестве векторов с помощью алгоритма, называемого biomarker2vec, который объединяет 2 вида информации, включающей атрибут, изученный k-mer и т.д., а также поведение, изученное с помощью факторизации графика (GF) [13]. Различные клетки реагируют на окружающую среду по разному, что затрудняет прогнозирование прямой связи между ними. Ключевой проблемой является отсутствие информативного представления параметров, которые непосредственно переводятся в биологическую функцию. В связи с этим исследователи Университета Глазго представили платформу для связывания эффектов морфологии клеток с экспрессией генов, вызванной нанотопографией. Эта платформа использует «морфом» - многомерный набор параметров морфологии клеток. Данная модель эффективно предсказывает вызванную нанотопографией экспрессию генов из сложной микроокружающей среды [14]. 13

БИОЭНЕРГЕТИКА В настоящее время разработки в сфере биоэнергетики, особенно в производстве биотоплива, обретают всё большую популярность. Так, исследователи из Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) вместе с учеными из Йельского университета, Аргоннской и Ок-Риджской национальных лабораторий обнаружили новую молекулу оксигената, которая может быть получена из биомассы для использования в качестве смеси для дизельного топлива. Инициатива направлена на улучшение экономии топлива и характеристик транспортных средств при одновременном снижении выбросов [15]. Молекулы бутоксигептан-4, содержат кислород, в то время как обычное дизельное топливо, полученное из нефти, состоит из углеводородов. При смешивании молекул с дизельным топливом из-за содержания кислорода значительно снижается склонность топлива к копчению при сжигании. Исследования показали, что кислородсодержащее топливо может быть экономически конкурентоспособным по сравнению с нефтяным дизельным топливом и привести к значительному сокращению выбросов парниковых газов [15]. Команда исследователей из Tokyo Tech и Taiwan Tech нашли способ эффективно использовать избыток глицерина, образующийся при производстве биодизеля. Биодизель, который производится с использованием растительных масел посредством процесса, известного как переэтерификация, производит чрезмерное количество глицерина. По оценкам, только в Европе биодизельная промышленность производит 1,4 млн. тонн излишков глицерина в год, которые не могут быть задействованы в других отраслях [16]. 14

БИОЭНЕРГЕТИКА Исследователи обнаружили, что оксид меди (CuO), который является дешевым и широко распространенным веществом, может использоваться в качестве катализатора для селективного превращения глицерина в более ценное органическое соединение - дигидроксиацетон (DHA). По словам исследователей, они не только обнаружили новый катализатор для высокоселективного превращения DHA, но и продемонстрировали возможность превращения отходов биодизельной промышленности в более полезный ресурс [16]. Исследователи из Канадского национального института научных исследований (INRS) разработали новый процесс производства биодизеля, в котором используются микробы от осадка сточных вод. Новый метод значительно снижает стоимость производства микробного биодизеля с 6,78 долл. США за литр до 0,72 долл. США [17]. В процессе используются осадок сточных вод и глицерин, побочный продукт биодизеля, при переработке которого происходит снижение выбросов парниковых газов. На первой стадии ферментации микроорганизмы поглощают глицерин и осадок сточных вод, накапливая в своих организмах масло в виде липидов. Этот процесс также позволяет повторно использовать глицерин без необходимости его очистки [17]. 15

БИОТЕХНОЛОГИИ В УЗБЕКИСТАНЕ В 2013 году Центром геномики и биоинформатики при АН, Министерством сельского и водного хозяйства, Ассоциацией «Узпахтасаноат» под руководством нынешнего Министра инновационного развития, доктора биологических наук, профессора Иброхима Абдурахмонова впервые в мире была создана технология «ген- нокаута» для хлопчатника, что позволило значительно повысить качество волокна, удлинить его, улучшить урожайность и устойчивость к засухе [18]. По сути, разработанная технология ген- нокаута хлопчатника проста. Как известно, в темноте стебель растения становиться в несколько раз длиннее, чем у тех, которые выращены на свету. Обычно эффект «теневого синдрома» приводит у растений к тому, что они получают ложный сигнал об окончании вегетационного периода. Вследствие этого растения быстрее цветут, чтобы оставить потомство. Иными словами, если добиться того, чтобы клетки хлопка-волокна растения, выращиваемого в полевых условиях, слабо реагировали на определенную длину световой волны, то есть «затенить» их, то можно ожидать удлинение волокна хлопчатника и его ранее цветение. В результате было клонировано и классифицировано семейство рецепторных генов хлопчатника, поглощающих определенные волны светового спектра. На следующих этапах была разработана технология управления активностью этих генов в хлопчатнике путем “отключения гена” [19]. 16

БИОТЕХНОЛОГИИ В УЗБЕКИСТАНЕ Что касается традиционно выращиваемых в Узбекистане сортов хлопка, то они давали волокно преимущественно 4-5 типа, и благодаря разработкам получили сорт, который позволяет получать волокно 1-2 типа. Из этого сорта хлопка можно получать ткань высокого качества, без добавления синтетических волокон. Технология нокаута генов хлопчатника, помимо Узбекистана, запатентована в США, России и Египте. С 2013 по 201. 9 годы сорт «Порлок-1» высевался на общей площади 133 491,3 гектара, а сорт «Порлок-2» – на общей площади 54 477,8 гектара. При этом их средняя урожайность достигала 40% с гектара [20]. Сегодня в Центре геномики и биоинформатики ученые- исследователи работают над новыми сортами сельскохозяйственных растений и не только хлопка. Также в лабораториях Центра развернуты исследования, направленные на получение новых сортов хлопчатника, устойчивых к основным заболеваниям и вредителям. 17

ИСТОЧНИКИ 1. Daehoon Han, Riddish S. Morde, Stefano Mariani et al. 4D Printing of a Bioinspired Microneedle Array with Backward‐Facing Barbs for Enhanced Tissue Adhesion. // Advanced Functional Materials, 4 February 2020. 2. Ultra-Sensitive Cancer DNA Detector Created With Crumpled Graphene. // Nature Communications, 24 March 2020. DOI: 10.1038/s41467-020- 15330-9. 3. Stefan Roberts, Vincent Miao, Simone Costa, et al. Complex Microparticle Architectures from Stimuli-Responsive Intrinsically Disordered Proteins. // Nature Communications, 12 March 2020, DOI: 10.1038/s41467-020- 15128-9. 4. Rosmin К. Light, lifelike and affordable: EU researchers develop innovative bionic hand. // https://www.euronews.com/2020/03/02/a-helping-hand- eu-researchers-develop-bionic-hand-that-imitates-life 5. Jennifer Chu. Engineers design bionic “heart” for testing prosthetic valves, other cardiac devices. MIT News // http://news.mit.edu/2020/bionic- heart-prosthetic-valve-cardiac-0129 6. Dinorath Olvera, Mina Sohrabi Molina, Gillian Hendy, et al. Electroconductive Melt Electrowritten Patches Matching the Mechanical Anisotropy of Human Myocardium. // Advanced Functional Materials, 2020, DOI: 10.1002/adfm.201909880. 7. Sarah Buhr. YC startup Felix wants to replace antibiotics with programmable viruses. 21.03.2020. // https://www.venture.name/venture-capital/yc-startup-felix-wants-to- replace-antibiotics-with-programmable-viruses/ 8. Kurt Selle, Joshua R. Fletcher, Hannah Tuson, et al. In Vivo Targeting of Clostridioides difficile Using Phage-Delivered CRISPR-Cas3 Antimicrobials. // MBio, Mar 2020, 11 (2) e00019- 20; DOI: 10.1128/mBio.00019-20. 9. Beat Christen, Jonathan E. Venetz, Luca Del Medico, et al. Chemical synthesis rewriting of a bacterial genome to achieve design flexibility and biological functionality. // Proceedings of the National Academy of Sciences, 116 (16) 8070-8079; DOI: 10.1073/pnas.1818259116. 18

ИСТОЧНИКИ 10. Lisa Winter. The genetically modified bacteria spark an RNAi response in the parasite that leads to self-destruction—and perhaps a path to combatting colony collapse disorder. // https://www.the-scientist.com/news- opinion/engineered-microbe-in-bees-guts-fends-off-deadly-varroa-mite- 67048 11. Paul Rainey, Andrew J. Black et al. Ecological scaffolding and the evolution of individuality. // Nature Ecology & Evolution (2020). DOI: 10.1038/s41559- 019-1086-9 12. Guo, W., Chen, J., Li, J. et al. Portal of Juglandaceae: A comprehensive platform for Juglandaceae study. // Hortic Res 7, 35, 2020. // https://doi.org/10.1038/s41438-020-0256-x // https://www.nature.com/ 13. Guo Z., You Z., Huang D., et al. A learning based framework for diverse biomolecule relationship prediction in molecular association network. // Commun Biol 3, 118, 2020. // https://doi.org/10.1038/s42003-020-0858-8 // https://www.nature.com/ 14. Cutiongco, M.F.A., Jensen, B.S., Reynolds, P.M. et al. Predicting gene expression using morphological cell responses to nanotopography. // Nat Commun, 11, 2020. // https://www.nature.com/ 15. Nabila A. Huq et al, Performance-advantaged ether diesel bioblendstock production by a priori design. // Proceedings of the National Academy of Sciences (2019). DOI: 10.1073/pnas.1911107116 16. Chin Liu et al, Selective electro-oxidation of glycerol to dihydroxyacetone by a non-precious electrocatalyst – CuO. // Applied Catalysis B: Environmental, 2019. DOI: 10.1016/j.apcatb.2019.118543 17. Lalit R. Kumar et al, Cost, energy and GHG emission assessment for microbial biodiesel production through valorization of municipal sludge and crude glycerol. // Bioresource Technology, 2019. DOI: 10.1016/j.biortech.2019.122404 18. Министерство сельского хозяйства Республики Узбекистан. // http://agro.uz/ru/news/ 19. Новости Узбекистана. // https://nuz.uz/nauka-i-tehnika/ 20. Центр геномики и биоинформатики. // http://genomics.uz/ 19

Центр научно-технической информации при Министерстве инновационного развития Республики Узбекистан Ташкент-2020