Информационно-аналитический бюллетень «Наука и инновации»

Об издании: Наименование: Информационно-аналитический бюллетень «Наука и инновации» Номер: 1 Авторы: Цой А.И., Аминов Ф.Ф., Маматова Р.Н., Мусаева Р.А., Маматов Б.Ш. Тематическая область: Биология, химия, геология, математика Вид публикации: Информационно-аналитический бюллетень Электронная публикация: да Язык издания: русский Год издания: 2020 Страна издания: Узбекистан Наименование издательства: ГУП «Издательско-полиграфический дом инновационного развития» Количество страниц: 82 Количество печатных листов: 9,5 Аннотация (реферат): Издание содержит обзор и анализ последних достижений, тенденций развития современной науки и инноваций в мире и в Республике Узбекистан по направлениям биологии, химии, геологии и математики. 1

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................4 РАЗДЕЛ 1. БИОЛОГИЯ ............................................................................................................5 1.1. Синтетическая биология ...............................................................................................6 1.1.1. Синтетическая биология в производстве малых молекул .....................7 1.1.2. Синтетическая биология в здравоохранении................................................9 1.1.3. Синтетическая биология и передовые технологии ................................11 1.1.4. Борьба с рисками .........................................................................................................12 1.2. Биотехнологии .................................................................................................................13 1.2.1. Мировой рынок биотехнологий .........................................................................15 1.2.2. Биологические компьютеры: прорывная технология будущего ....19 1.2.3. Мировой рынок инструментов редактирования генома .....................21 1.2.4. Семейство технологий генного редактирования CRISPR.....................22 1.2.5. Инновационные биотехнологии в сельском хозяйстве ........................26 1.3. Современные тенденции развития биологических наук в Республике Узбекистан ..................................................................................................................................28 РАЗДЕЛ 2. ХИМИЯ..................................................................................................................35 2.1. Инновационные технологии по химии ..............................................................36 2.2. Химическая промышленность: цифровые возможности для традиционной отрасли.........................................................................................................41 2.3. Современные тенденции развития зеленой химии....................................43 2.4. Проектирование для будущего зеленой химии.............................................46 2.5. Современные тенденции развития химических наук в Республике Узбекистан ..................................................................................................................................47 РАЗДЕЛ 3. ГЕОЛОГИЯ ..........................................................................................................51 3.1. Мониторинг земледелия ............................................................................................52 3.2. Геохимическая разведка.............................................................................................54 3.3. Современные тенденции развития геологии в Республике Узбекистан ..................................................................................................................................57 3.3.1. Анализ текущего состояния отрасли...............................................................58 3.3.2. Анализ действующих мер государственной политики в отрасли, оценка их влияния на финансово-экономическое состояние отрасли.....63 3.3.3. Межрегиональные и внешнеэкономические связи.................................65 РАЗДЕЛ 4. МАТЕМАТИКА..................................................................................................68 4.1. Доказательство теоремы Пуанкаре-Перельмана .........................................69 4.2. Лауреаты Абелевской премии-2020.....................................................................72 4.2.1. Модель «случайное блуждание» в математическом ландшафте.....73 2

4.2.2. Асимптотические свойства групп......................................................................74 4.2.3. Повторение случайных блужданий в Z и Z2 .................................................76 4.3. Современные тенденции развития математики в Республике Узбекистан ..................................................................................................................................78 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................................82 3

ВВЕДЕНИЕ Процессы обеспечения устойчивого развития науки и инноваций требуют качественного информационно-аналитического сопровождения. Стратегией инновационного развития Республики Узбекистан на 2019-2021 годы, утвержденной Указом Президента Республики Узбекистан №УП-5544 от 21 сентября 2018 года предусмотрено создание государственной системы научно- технической информации, включающей республиканские, отраслевые, региональные научно-технические информационные ресурсы и организации, специализирующиеся на сборе, хранении и обработке отечественных и зарубежных источников научно-технической информации, формировании, ведении и использовании информационных фондов, баз и банков данных. В целях реализации системного подхода к решению указанных задач поданному направлению, Центром научно-технической информации при Министерстве инновационного развития Республики Узбекистан инициируется выпуск специального бюллетеня по актуальным тематикам научных исследований мировых и отечественных ученых. Имея доступ к информационным платформам ведущих международных научных изданий, таких как Web of Science, Scopus, Springer Nature, Wiley и др., сотрудниками Центра проводится обзор и выборка наиболее значимых научных публикаций со всего мира. Таким образом, бюллетень дает возможность изучения последних достижений и тенденций развития современной науки и инноваций в мире и в Республике Узбекистан, в первую очередь по направлениям математики, химии, биологии и геологии, обозначенных Главой государства приоритетными на 2020 год, в ходе выступления перед Олий Мажлисом с ежегодным посланием 24.01.2020 года. «Нам предстоит определить конкретные приоритеты в сфере науки. Ни одно государство не способно развивать все отрасли науки одновременно. Поэтому каждый год мы будем уделять внимание развитию нескольких важных направлений. В нынешнем году будут приняты меры по широкому развитию фундаментальных и прикладных исследований в таких областях, как математика, химия и биология, геология, созданы все условия для ученых. Следует сформировать электронную платформу научных достижений, базу отечественных и зарубежных научных разработок». Президент Республики Узбекистан Ш.М. Мирзиёев Данный бюллетень рассчитан для ученых – исследователей, преподавателей, студентов бакалавриата и магистратуры, аспирантов и их руководителей. 4

Раздел 1 БИОЛОГИЯ Современная биология – это обширная область науки, состоящая из множества специализированных разделов, изучающих структуру, функции, рост, распределение, эволюцию и другие особенности живых организмов. С целью повышения уровня научных изысканий в биологии и внедрение их в мировую науку, в нашей стране уделяется большое внимание развитию биологических дисциплин. Совместно с научными исследованиями в области основных направлений биологии, таких как экология, генетика, ботаника, зоология, клеточная биология, в Узбекистане ведутся многочисленные изыскания в области микробиологии растений и животных, биотехнологии и синтетической биологии, молекулярной биологии и генетики. Результаты этих исследований широко внедряются в отечественное сельское хозяйство, производство пищевых продуктов, ветеринарию, фармацевтику, медицину, и др. В данном разделе освящены современные тенденции развития синтетической биологии и биотехнологий, а именно рассмотрены вопросы, связанные с производством малых молекул, использование синтетической биологии и методов биотехнологии в генетике, медицине, сельском хозяйстве, приведен обзор последних тенденций развития биологических наук в Республике Узбекистан. 5

1.1. СИНТЕТИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ Синтетическая биология предлагает инновационные подходы для разработки новых биологических систем или реорганизации существующих для полезных целей (Рисунок 1.). Она была названа прорывной технологией в основе так называемой биоэкономики, способной предлагать новые решения глобальных проблем здравоохранения, сельского хозяйства, производства и окружающей среды. Однако, несмотря на успехи в производстве некоторых ценных химикатов и лекарств, существует мнение, что синтетическая биология еще не выполняет своих обещаний. Рисунок 1. Синтетическая биология превращается в платформу биодизайна, где можно будет применять «дизайн-сборка-тест-итерация (или развертывание)» для предсказуемого создания клеток или организмов, способных производить широкий спектр новых молекул, материалов или даже клеток для несколько приложений. Более того, многие страны обеспокоены тем, что синтетическая биология расширяет круг проблемных аспектов, что увеличивает необходимость разработки систем обнаружения, идентификации и 6

мониторинга, а также упреждающих мер противодействия химическим и биологическим угрозам1. Стоимость секвенирования и синтеза ДНК значительно снизилась, и мы имеем доступ к большему количеству генетической информации и более мощным генно-инженерным возможностям, чем когда-либо прежде. Вложенные в инфраструктуру инвестиции приносят свои плоды, и, как описано ниже, синтетическая биология все чаще становится, по крайней мере, частью решения многих наших нынешних и будущих потребностей в медицине, производстве продуктов питания и энергии, восстановлении, производстве и национальной безопасности. Так, каков потенциал синтетической биологии и с какими проблемами она все еще сталкивается? 1.1.1. СИНТЕТИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ МАЛЫХ МОЛЕКУЛ Несмотря на отсутствие предсказуемости в биологии и существующие технические рамки, ограничивающие сбор и анализ данных, теперь возможно производить требуемые малые молекулы, используя подходы синтетической биологии. Вероятно, в последнее время самые впечатляющие исследования и разработки производятся в Литейном институте Массачусетского технологического института и Гарварде. Когда Агентство перспективных исследовательских проектов в области обороны (DARPA) проверило возможности конструкторского бюро литейного института MIT-Broad, его исследователи смогли доставить 6 из 10 молекул, представляющих интерес для Министерства обороны США, за 90 дней. Этот «тест давления» подтверждает потенциал синтетической биологии для быстрого решения проблемы нехватки ключевых соединений2. Многие лаборатории проектируют и строят относительно сложные генные сети, способные генерировать широкий спектр «дизайнерских» молекул в ряде клеток-хозяев. Однако, это часто 1 Zhang, R., Li, C., Wang, J., Yang, Y., and Yan, Y. (2018). Microbial production of small medicinal molecules and biologics: from nature to synthetic pathways. Biotechnol Adv. 36, 2219–2231. doi: 10.1016/j.biotechadv.2018.10.009 2 El Karoui M, Hoyos-Flight M and Fletcher L (2019) Future Trends in Synthetic Biology-A Report. Front. Bioeng. Biotechnol. 7:175. doi: 10.3389/fbioe.2019.00175 7

медленный итеративный процесс, также предполагающий множество проб и ошибок. Пока что в медицине недостаточно производится малых молекул с использованием процесса синтетической биологии; довольно сложно спроектировать микробы для выполнения процессов, которые не под силу природе. Микробы развивались для удовлетворения специфических потребностей и решения проблем их естественной среды, а не промышленных ферментеров и биореакторов. Перенос генов из одной системы в другую может показаться простым, но на практике это тяжелая работа, которая редко приносит положительные результат (то есть увеличение урожайности), чтобы оправдать сделанные инвестиции. Применение автоматизации и искусственного интеллекта (например, при проектировании и создании плазмид) может помочь сократить время и затраты, также повысить рентабельность инвестиций в будущем3. В последнее время все больше заводов создают альтернативные производственные площадки. Улучшения в геномах горнодобывающих растений и разработка эффективных систем временной экспрессии позволили наладить крупномасштабное производство, например, вакцин в растениях табака всего за несколько недель4,5. По мнению многих биологов, направление производства синтетических биологических материалов для хлоропластов растений также является перспективным6. Фотосинтетическая восстанавливающая способность, генерируемая в хлоропластах растений, может быть использована для светового синтеза биоактивных молекул, таких как дуррин, который защищает растения от насекомых 7. Однако в основе всех этих платформ лежит пробел в знаниях о том, как работает природа. Это делает очень трудным применение циклов 3 Zhang, R., Li, C., Wang, J., Yang, Y., and Yan, Y. (2018). Microbial production of small medicinal molecules and biologics: from nature to synthetic pathways. Biotechnol Adv. 36, 2219–2231. doi: 10.1016/j.biotechadv.2018.10.009 4 Dirisala, V. R., Nair, R. R., Srirama, K., Reddy, P. N., Rao, K. R. S. S., and Kumar, P. G. (2017). Recombinant pharmaceutical protein production in plants: unraveling the therapeutic potential of molecular pharming. Acta Physiol. Plant 39, 18–26. doi: 10.1007/s11738-016-2315-3 5 Emmanuel, M., Chapman, R., Williamson, A. L., Rybicki, E. P., and Meyers, E. (2018). Production of complex viral glycoproteins in plants as vaccine immunogens. Plant Biotechnol. J. 16, 1531–1545. doi: 10.1111/pbi.12963 6 Boehm, C. R., and Bock, R. (2019). Recent advances and current challenges in synthetic biology of the plastid genetic system and metabolism. Plant Physiol. 179, 794–802. doi: 10.1104/pp.18.00767 7 Gnanasekaran, T., Karcher, D., Nielsen, A. Z., Martens, H. J., Ruf, S., Olsen, C. E., et al. (2016). Transfer of the cytochrome P450-dependent dhurrin pathway from sorghum bicolor into Nicotiana tabacum chloroplasts for light-driven synthesis. J. Exp. Botany 67, 2495–2506. doi: 10.1093/jxb/erw067 8

проектирования, сборки, тестирования, обучения, используемых в традиционной технике, для производства синтетических биологических материалов независимо от производственной платформы (дрожжей, бактерий, растений или клеток человека), если сама платформа не понял. Сейчас нужны инструменты, способные измерять и характеризовать результаты, чему способствует прогресс в робототехнике и автоматизации, а также применение подходов машинного обучения для анализа полученных данных. Это поможет создать более надежные модели биологических систем, чтобы можно было улучшить экспериментальный биодизайн для будущих инженерных стратегий. 1.1.2. СИНТЕТИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ В ЗДРАВООХРАНЕНИИ Синтетическая биология ведет к значительным успехам в биомедицине, что приведет к трансформационным улучшениям в здравоохранении. Уже сейчас пациенты получают выгоду от так называемой технологии CAR (химерный антигенный рецептор), которая позволяет иммунным клеткам (T-клеткам) распознавать и атаковать раковые клетки8. Генно-инженерные вирусы используются для коррекции дефектных генов у пациентов с наследственными заболеваниями, такими как тяжелый комбинированный иммунодефицит (SCID) или эпидермолизная буллоза9. Способность перепрограммировать соматические клетки от пациентов в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки позволяют изучать и распознавать отклонения в них, сокращает использование животных в исследованиях и прокладывает путь для разработок персонализированных лекарств и клеточной терапии. По мнению ученых, нужно разработать технологию проектирования персональных клеток для пациента, чтобы они могли размножаться, дифференцироваться в клетки разных типов и даже самостоятельно 8 June, C. H., O'Connor, R. S., Kawalekar, O. U., Ghassemi, S., Milone, M. C., et al. (2018). CAR T cell immunotherapy for human cancer. Science 359, 1361–1365 doi: 10.1126/science.aar6711 9 Dunbar, C. E., High, K. A., Joung, J. K., Kohn, D. B., Ozawa, K., and Sadelain, M. (2018). Gene therapy comes of age. Science 359:6175 doi: 10.1126/science.aan4672 9

интегрироваться в поврежденные в результате болезней или травм ткани или органы с целью их восстановления10,11. Работа над новыми векторами, способными доставлять большие генетические нагрузки к тканям-мишеням, помогает производить более эффективные терапевтические средства и вакцины, которые будут иметь меньше побочных эффектов и меньший риск резистентности. Кроме того, оптимизация производства антител, вакцин на растительной основе могла бы значительно снизить стоимость и увеличить скорость их производства во время эпидемий. В течение следующих нескольких лет благодаря генетически модифицированным свиньям, устойчивым к вирусам и имеющим иммунную систему как у человека, будет возможно сделать ксенотрансплантацию клинической реальностью 12 . Ожидается, что разработка микробиома приведет к разработке синтетических пробиотиков. Инициатива в области синтетической биологии, известная как «Проектирование-запись генома человека» (HGP-write), поставила перед собой еще одну цель, объединяя ученых для создания целых хромосом человека 13 . Были высказаны опасения по поводу этики создания «синтетических людей» и действительно научной и коммерческой перспективы такого проекта. Совсем недавно сторонники HGP-записи предложили более сфокусированный проект по созданию устойчивой к вирусу хромосомы, в котором было внесено не менее 400 000 изменений в геном человека для удаления последовательностей ДНК, которые вирусы используют для захвата и репликации клеток14. Одна из многих перспективных возможностей синтетической биологии в медицине, заключается в производстве тераностических клеточных линий, которые могут ощущать болезненное состояние и вызывать соответствующий терапевтический ответ15. Для достижения 10 Davies, J. A., and Cachat, E. (2016). Synthetic biology meets tissue engineering. Biochem. Soc. Transac. 44, 696–701. doi: 10.1042/BST20150289 11 Satoshi, T., Blauch, L. R., Tang, S. K. Y., Morsut, L., and Lim, W. (2018). Programming self-organizing multicellular structures with synthetic cell-cell signaling. Science 361, 156–162. doi: 10.1126/science.aat0271 12 Burkard, C. G., Opriessnig, T., Mileham, A. J., Stadejek, T., Ait-Ali, T., Lillico, S. G., et al. (2018). Pigs lacking the scavenger receptor cysteine-rich domain 5 of CD163 are resistant to porcine reproductive and respiratory syndrome virus 1 infection. J. Virol. 92, 00415–00418. doi: 10.1128/JVI.00415-18 13 Boeke, J. D., Church, G., Hessel, A., Kelley, N. J., Arkin, A., Cai, Y., et al. (2016). Genome engineering: the genome project-write. Science 8, 126–127. doi: 10.1126/science.aaf6850 14 Dolgin, E. (2018). Scientists downsize bold plan to make human genome from Scratch. Nature 557, 16–17 doi: 10.1038/d41586-018-05043-x 15 Teixeira, P., and Fussenegger, M. (2019). Engineering mammalian cells for disease diagnosis and treatment. Curr. Opin. Biotechnol. 55, 87–94. doi: 10.1016/j.copbio.2018.08.008 10

этой цели необходимо преодолеть несколько препятствий: во-первых, расширить спектр молекул, которые могут распознаваться клеточными «сенсорами» в качестве входных данных; и, во-вторых, лучше изучить и понять факторы генетического контроля, которые регулируют экспрессию генов в пространстве и времени, чтобы можно было разработать лучшие системы активаторов. Кибергенетика является новой областью, которая разрабатывает экспериментальные инструменты для компьютерного контроля клеточных процессов на генном уровне в режиме реального времени. Кибергенетический контроль может быть достигнут путем взаимодействия живых клеток с цифровым компьютером, который включает или выключает встроенный «генетический переключатель» с помощью света (оптогенетика) или химических веществ 16,17. Такие системы могут помочь в поддержании клеточного гомеостаза путем мониторинга состояния организма и запуска соответствующих реакций при обнаружении нарушения регуляции, например, вызывая выброс инсулина, когда уровень глюкозы в крови повышается18. 1.1.3. СИНТЕТИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ И ПЕРЕДОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Синтетическая биология также используется в производстве передовых технологий, создавая многофункциональные продукты19. Интеграция биохимических компонентов из живых систем с неорганическими компонентами привело к появлению новых материалов, способных воспринимать окружающую среду (или внутренние сигналы) и изменять их свойства. Эти функции могут быть особенно полезны для улучшения защитной одежды или строительных материалов. Проблема при использовании микробов для производства композиционных материалов заключается в регулировании сборки этих материалов для достижения определенных желаемых свойств. Понимая, 16 Gabriele, L., Benenson, Y., and Khammash, M. (2018). Synthetic control systems for high performance gene expression in mammalian cells. Nucleic Acids Res. 46, 9855–9863. doi: 10.1093/nar/gky795 17 Maysam, M., Strittmatter, T., and Fussenegger, M. (2019). Light-controlled mammalian cells and their therapeutic applications in synthetic biology. Adv. Sci. 6:1800952 doi: 10.1002/advs.201800952 18 Ye, H., Daoud-El Baba, M., Peng, R.-W., and Fussenegger, M. (2011). A Synthetic optogenetic transcription device enhances blood-glucose homeostasis in mice. Science 332, 1565–1568. doi: 10.1126/science.1203535 19 Le Feuvre, R., and Scrutton, N. (2018). A living foundry for synthetic biological materials: a synthetic biology roadmap to new advanced materials. Synthet. Syst. Biotechnol. 3, 105–112. doi: 10.1016/j.synbio.2018.04.002 11

как микробы взаимодействуют друг с другом, можно заставить их работать лучше вместе и объединить их с другими производственными системами, чтобы свойства материалов можно было адаптировать к определенным функциям. Интересно, что вместо модификации или улучшения существующих материалов на основе белка, альтернативный подход включает использование вычислительных методов для создания совершенно новых белков, которые самостоятельно собираются в предсказанные формы20. Такие «программируемые» белки открывают еще больше возможностей в синтетической биологии не только для материаловедения, но и для медицины и химии. 1.1.4. БОРЬБА С РИСКАМИ Синтетическая биология является примером технологии двойного назначения: она обещает множество полезных применений, но она также может причинить вред. По мнению специалистов, существуют опасениям, что она может, преднамеренно или непреднамеренно, нанести вред людям и ущерб окружающей среде. Например, возможность создавать вирусы для более эффективных и специфических «шаттлов» для генной терапии разрушительных наследственных заболеваний чрезвычайно важна; однако вместе с этим инженерные вирусы могут также привести к созданию еще более смертоносных патогенов. Некоторые утверждают, что синтетическая биология представляет собой экзистенциальный риск и требует особой осторожности. Тем не менее, многие новые технологические достижения за последнее десятилетие столкнулись с аналогичными проблемами. Неопределенность и отдаленная возможность таких рисков может помешать развитию передовых технологий. Ученые, институты и финансирующие органы думают о том, может ли запланированное исследование быть использовано неправильно. Меры, которые уменьшают вероятность неправильного использования и его последствия, должны быть реализованы и четко обнародованы. 20 Le Feuvre, R., and Scrutton, N. (2018). A living foundry for synthetic biological materials: a synthetic biology roadmap to new advanced materials. Synthet. Syst. Biotechnol. 3, 105–112. doi: 10.1016/j.synbio.2018.04.002 12

Сообщество ученых в сфере синтетической биологии мгновенно реагируют на возникновение подобных проблем, участвуя в конференциях и программах, а также в открытом диалоге с регулирующими органами и средствами массовой информации. Более открытая информация о рисках и о том, как они контролируются, дает возможность сместить дискурс в сторону преимуществ синтетической биологии для удовлетворения насущных глобальных потребностей, таких как производство биотоплива, продовольственная безопасность и более эффективные лекарства, и потенциально улучшить общественное признание. В качестве примера негативного последствия применения синтетической биологии можно привести разработки технологии генного драйва, которая может использоваться для распространения определенного набора генов в популяции. Преимущества использования генной технологии включают в себя уничтожение популяций насекомых, несущих болезни, и уничтожение видов вредных организмов, но это влечет за собой непредсказуемые экологические последствия, а также может привести к сокращению или уничтожения популяции 21,22. Есть много препятствий, которые необходимо преодолеть, но потенциал синтетической биологии для решения многих глобальных проблем, таких как неизлечимые заболевания и экологические проблемы, очень велик. 1.2. БИОТЕХНОЛОГИИ Биотехнология сегодня развивается бурными темпами. Как наука, она изучает внедрение производственных процессов, в основе которых лежит практическое использование микроорганизмов, всевозможных биологических систем. Это не только растительные или животные ткани, но и протопласты, рекомбинантные ДНК, а также полностью генетически модифицированные организмы. Современная биотехнология привлекает внимание инвесторов не только в нашей стране, но и во всем мире. Эксперты и аналитики 21 Callaway, E. (2018). Ban on ‘Gene Drives' is back on the UN's agenda - worrying scientists. Nature 563, 454–455. doi: 10.1038/d41586-018-07436-4 22 Collins, J. (2018). Gene drives in our future: challenges of and opportunities for using a self-sustaining technology in pest and vector management. BMC Proc. 12, 37–41. doi: 10.1186/s12919-018-0110-4 13

прогнозируют, что биотехнологии станут самым динамично развивающимся и самым прибыльным бизнесом нынешнего, XXI века. Быстрыми темпами развиваются такие отрасли, как современные биологические методы защиты культурных растений, биоэнергетика и биодеградируемые полимеры, а также природоохранные биотехнологии. Ведутся научные работы по созданию новых биополимеров, в будущем они могут заменить ныне популярные ныне пластмассы. Биополимеры имеют большое преимущество в сравнении с пластмассами, так как они нетоксичны и могут разлагаться после их применения, не загрязняя при этом окружающее пространство. Конструирование необходимых генов даст возможность управлять жизнедеятельностью не только растений, но и животных, создавать новые организмы с иными свойствами. Современные биотехнологии сыграют большую роль в качественном улучшении жизни человека, развитию экономического роста стран. Посредством биотехнологий получают новые средства для диагностики, вакцины, продукты питания, лекарства. Биотехнология помогает в увеличении урожайности всех злаковых культур, что более чем актуально, принимая во внимание рост численности населения нашей планеты. В некоторых странах, где значительные объемы биомассы не используются полностью, биотехнология в обозримом будущем превратит их в ценные продукты или в биологические виды топлива. Биотехнология все больше перестает быть прикладной наукой, она активно входит в обычную жизнь людей, помогая решать насущные проблемы современного человечества. Биотехнологии и генная инженерия, более чем все остальные, связана с фундаментальными научными исследованиями. Создание организмов с «заданными параметрами», лечение генетически обусловленных болезней, производство белковой массы вне организма, внедрение в организм «биологических чипов», влияющих на жизнедеятельность - все эти направления нуждаются в дорогостоящих исследованиях, сложном оборудовании и высококвалифицированных специалистов. На стыке двадцатого и двадцать первого века был задуман и осуществлен грандиозный проект - прочитан геном человека. Это был большой труд, в котором участвовало много лабораторий в разных 14

странах мира. Одним из продуктов этих исследований стало появление технологии идентификации личности по ДНК, получение информации о родстве (установление отцовства). Но от прочтения генома ученые ожидали большего. Информация, зашифрованная в ДНК, огромна и ее изучение, расшифровка еще сложнее, чем процедура исследований. Сейчас возникают споры о генной медицине, о клонировании организмов, об этических вопросах исследования стволовых клеток. На повестке дня - «биопринтер», при помощи которого признается возможным выращивание органов для трансплантации. На исследования в этом направлении направляются огромные средства, прежде всего в США, Германии и Китае. 1.2.1. МИРОВОЙ РЫНОК БИОТЕХНОЛОГИЙ Значительный прогресс в изучении генома, разработка эффективных методик создания генномодифицированных организмов создала широкие возможности для развития биотехнологий. Объем рынка биотехнологий превысил 417 млн. долларов США в 2018 году и, согласно прогнозам ожидается, что к 2025 году суммарный мировой объем рынка биотехнологий составит $ 742 млрд (рост, в сравнении с 2018 годом, почти в 1,8 раза)23. 800 700 600 500 400 300 200 100 0 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 Рисунок 2. Прогноз динамики рынка биотехнологий Источник: Global Market Insight // https://www.gminsights.com/ 23 Global Market Insight // https://www.gminsights.com/ 15

В настоящее время ключевыми сегментами рынка биотехнологий являются: - Ферментация; - Клеточная терапия и регенерация; - Технология полимеразной цепной реакции; - Нанобиотехнологии; - Хроматография; - Секвенирование ДНК; - Клеточные анализы; Наиболее емкими сегментами рынка биотехнологий являются клеточная терапия и регенерация и ферментация24. 13% Ферментация Клеточная терапия и регенерация 27% ПЦР технология Нанобиотехнологии 6% 32% Хроматография 22%% Секвенирование ДНК 7% Клеточные анализы 11% Прочее Рисунок 3. Структура мирового рынка биотехнологий, 2017 год Источник: Global Market Insight // https://www.gminsights.com/ Также биотехнологии находят применение в биофармацевтике, биосервисах, биоагрокультуре, биоиндустрии и биоинформатике. Сегмент биофармацевтики является доминирующим на рынке биотехнологий - на ее долю приходилось более 50% рынка в 2018 году. Ожидается, что увеличение биорекомбинантных белков в нескольких вакцинах, используемых для лечения хронических и инфекционных заболеваний, будет способствовать росту рынка биофармацевтики. Кроме того, фокус биофармацевтических компаний на продвижении персонализированных лекарств будет способствовать прогрессу на рынке. Из-за быстро стареющей популяции населения, склонной к различным хроническим заболеваниям, структурным и 24 Global Market Insight // https://www.gminsights.com/ 16

функциональным изменениям в организме, еще больше увеличится спрос на продукцию в мире. Биоинформатика Биоагрокультура Биосервис Биоиндустрия Биофармацевтика 50 100 150 200 250 0 Рисунок 4. Биотехнологические прорывы в медицине, способствующие росту бизнеса биофармацевтики Источник: Global Market Insight // https://www.gminsights.com/ Сегмент тканевого машиностроения и регенерации оценивался примерно в 75 млн. долларов США в 2018 году25 и, по прогнозам, может продемонстрировать аналогичную тенденцию в ближайшие 5 лет. Рост спроса на технологии тканевой инженерии и регенерации объясняется ростом распространенности хронических заболеваний и ростом случаев повреждения органов. Внедрение этой технологии для создания новых тканей и органов и стимулирования регенерации больных или поврежденных тканей и органов послужит основным фактором, влияющим на рынок в плане роста сегмента. Ожидается, что широкое применение технологий тканевой инженерии и регенерации в области естественных наук, криминалистики и клинических исследований будет способствовать росту рынка. 25 Global Market Insight // https://www.gminsights.com/ 17

70 60 50 40 30 2018 20 2025 10 0 Китай Индия Южная Другие Япония Корея Рисунок 5. Биотехнология станет одним из важнейших секторов стратегического значения в Китае Источник: Global Market Insight // https://www.gminsights.com/ Ожидается, что рынок биотехнологий в Азиатско-Тихоокеанском регионе в следующие 5 лет составит около 9%. Большое число пациентов в густонаселенных странах, включая Индию и Китай, подверженных различным заболеваниям, будет выступать в качестве основного рыночного фактора роста бизнеса в регионе. Более того, широкое распространение биотехнологий в сельском хозяйстве и промышленности в конечном итоге будет способствовать развитию рынка. Прогнозируется, что доля биотехнологической промышленности Китая к 2025 году превысит 60 млн. долларов США из-за роста заболеваемости хроническими заболеваниями в стране. Сосредоточение внимания Китая на создании стимулирующей инновации нормативно- правовой среды для решения проблемы нехватки основных лекарственных средств окажется полезным для развития рынка. Различные реформы здравоохранения в Китае и инвестиции в биотехнологии будут способствовать дальнейшему развитию отрасли. 18

1.2.2. БИОЛОГИЧЕСКИЕ КОМПЬЮТЕРЫ: ПРОРЫВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ БУДУЩЕГО У живого организма и современных компьютеров - много общего. ДНК выступает, фактически, в роли «программного обеспечения», а сам организм это аппаратное обеспечение генетического кода. Но, до последнего времени, технологические ограничения не позволяли ни программировать клетки, ни перестраивать их под выполнение необходимых прикладных функций. Прорывом стало разработка методики редактирования генома CRISPR-Cas9, а также открытие эпигенетических триггеров и направляющих РНК26. На их основе стало возможным создание биокомпьютера, умеющего получать, интерпретировать, хранить и передавать информацию, с помощью специфических метаболических молекул. Скорость обработки информации клеткой сравнительно невысока: до 100 000 различных биомолекул в секунду, но, учитывая, что биокомпьютеры работают не в двоичной логике, а с широким разнообразием «кодовых молекул» скорость обработки, для соответствующих задач, будет находиться на вполне современном уровне. Последним достижением в этой области является создание, на базе бактериальных клеток, «двуядерных» клеточных процессоров, продемонстрировавших высокую эффективность обработки данных. Ключевым преимуществом таких клеточных биокомпьютеров является возможность их выращивания, используя естественные механизмы деления клеток. Это - прорывная возможность, которая, в перспективе, может стать основой для широкого семейства самых различных технических решений. Фактически, производство сложных биологических компьютеров (а массивы в млн. клеток - процессоров могут выдать результаты, сопоставимые с современными суперкомпьютерами) не потребует строительства суперсовременной и очень дорогой фабрики. Достаточно будет «рассады» процессорных клеток и сравнительно несложного инкубатора для их выращивания. Такие решения отлично подойдут для малого бизнеса, для освоения труднодоступных территорий, для программ освоения космоса. Ожидается, что магистральным направлением использования клеток - процессоров станет создание биоимплантов - органических и на 26 Международный независимый институт аграрной политики // http://xn--80aplem.xn-- p1ai/analytics/ 19

100% совместимых с организмом человека. Биокомпьютер может взять на себя самый широкий функционал - от мониторинга раковых маркеров до управления различными встроенными в организм устройствами - от кардиостимуляторов и вспомогательных насосов крови до искусственных «органов», например производящих инсулин для больных диабетом прямо внутри организма. Также, очень перспективное направление - это развитие интерфейса мозг - компьютер. Важно, что создание подобного интерфейса позволит значительно поднять качество жизни больных с параличами, ампутированными конечностями за счет создания нового поколения бионических протезов. Кроме ДНК - технологии для создания биокомпьютеров предлагаются решения, в которых компьютерная логика реализуется за счет взаимодействия различных белков на специальной матрице - субстрате. Такой процессор не будет обладать возможностью самовоспроизводства, но многие преимущества биопроцессоров, в том числе многопотоковая обработка информации, у него сохранятся. Многие сложные задачи в области транспорта, аэродинамики и др. с трудом поддаются алгоритмизации, а их решение численными методами, с необходимой точностью, является сложной задачей даже для современных быстродействующих электронных компьютеров. Ранее, когда вычислительные мощности были значительно меньше, широкое применение находили так называемые аналоговые компьютеры, в которых изучаемые процессы не рассчитывались, а моделировались с использованием гидравлических схем, аналоговых электронных ячеек и др. Значительных успехов в применении аналоговых компьютеров удалось достичь СССР. Биологические процессоры могут использовать преимущества аналоговых компьютеров на более высоком уровне, используя для моделирования молекулярные процессы. Разработки биологических компьютерных систем, как ДНК- ориентированных, так и построенных на белковой логике - перспективное направление исследований, будущая площадка на которой могут быть созданы прорывные стартапы. 20

1.2.3. МИРОВОЙ РЫНОК ИНСТРУМЕНТОВ РЕДАКТИРОВАНИЯ ГЕНОМА Технология CRISPR-Cas9, сравнительно простая и недорогая, стала основой для современных методов генной инженерии открыв широкие возможности в медицине, сельском хозяйстве и биотехнологиях. Доступность технологии для малого бизнеса сформировала мощный импульс развития целой сети стартапов, использующих эти технологии для создания новых продуктов в новых рыночных нишах. Главный тренд прикладного использования CRISPR-Cas9 - это медицинские, клинические и терапевтические технологии. Это применение является ведущей областью для исследований и разработок (в настоящее время - около 500 патентных заявок). Новые возможности используются для лечения генетических заболеваний, создания персонализированных медикаментов, новых методов борьбы с болезнетворными микроорганизмами. Широкие возможности открывает использование CRISPR-Cas9 в технологиях производства биотоплива, а также для утилизации пластиковых загрязнений. Важной проблемой остается законодательное регулирование результатов использования CRISPR-Cas9. Так в Европе новые сорта растений и породы животных, выведенных с использованием этой технологии, рассматриваются как ГМО - организмы. Регуляторные органы США и Японии, напротив, приняли решение считать использование CRISPR-Cas9 аналогом традиционной селекции. 6 5 4 3 2 1 0 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 Рисунок 6. Динамика и прогноз динамики мирового рынка инструментов реедактирования генома на основании CRISPR-Cas9 технологии, млрд. долл. США Источник: Международный независимый институт аграрной политики // http://xn-- 80aplem.xn--p1ai/analytics/ 21

Приравнивание CRISPR-Cas9 к традиционным методам селекции открывает широкие возможности для использования этой технологии в сельском хозяйстве. В условиях высоких погодных рисков, связанных с глобальными изменениями климата, возможность быстрого выведения новых сортов культурных растений, устойчивых к неблагоприятным условиям и вредителям, может стать важным фактором обеспечения продовольственной безопасности, снижения числа голодающих и недоедающих. Важно, что простота методик и доступность инструментария CRISPR-Cas9 открывает значительные возможности для создания инновационных стартапов в таких отраслях как медицина, агро- и биотехнологии. 1.2.4. СЕМЕЙСТВО ТЕХНОЛОГИЙ ГЕННОГО РЕДАКТИРОВАНИЯ CRISPR Еще год назад казалось, что технология генного редактирования CRISPR способна решить любую проблему человечества, от лечения наследственных болезней до нехватки продовольствия. Однако первые попытки использовать этот инструмент на практике показали, что он недостаточно точен и безопасен. Так что на смену громким обещаниям пришла кропотливая работа по усовершенствованию методик генного редактирования. 1. CRISPR впервые применили для лечения наследственных болезней. Идея использовать «генетические ножницы», чтобы исправлять мутации, ответственные за развитие генетических болезней, витала в воздухе на протяжении нескольких последних лет. Однако лишь в 2019 году она воплотилась в реальность. Первыми людьми, которые получили CRISPR-терапию наследственных болезней, стали две пациентки из Германии и США, страдающие от бета-талассемии и серповидноклеточной анемии соответственно. Компании CRISPR Therapeutics и Vertex, проводившие испытания, применили против обеих болезней один подход. Из костного мозга пациенток извлекли стволовые клетки и модифицировали их таким образом, чтобы они могли производить фетальный гемоглобин, 22

который в норме синтезируется только на стадии зародыша27. Это позволило компенсировать неправильную работу дефектного гемоглобина, ответственного за симптомы бета-талассемии и серповидноклеточной анемии. К сожалению, успехи в лечении наследственных заболеваний с помощью CRISPR вовсе не означают скорую победу над ними. Дело в том, что подобные услуги еще долго останутся очень дорогими, а значит, недоступными для тех, кто нуждается в них больше всего. Например, большинство случаев серповидноклеточной анемии отмечено в бедных странах тропической Африки. Исправить ситуацию должен масштабный проект Фонда Билла и Мелинды Гейтс и Национального института здравоохранения США, цель которого - «переизобрести» генное редактирование, сделав его доступным. 2. Генное редактирование против рака и вирусов. CRISPR - перспективное средство не только против наследственных, но и некоторых других болезней. Например, с помощью этого инструмента можно вносить изменения в ДНК иммунных клеток, стимулируя их атаковать злокачественные опухоли. Эксперименты на грызунах уже подтвердили, что этот подход работает. Однако результатов, полученных на животных, недостаточно, чтобы внедрить генное редактирование в клиническую практику. Поэтому в 2019 году стартовали испытания антираковой CRISPR- терапии на людях. Эффективность методики пока оценить не успели, но предварительные данные свидетельствуют о ее безопасности и отсутствии побочных эффектов. Для борьбы с вирусами исследователи планируют применять другую стратегию - вырезать их из генома с помощью CRISPR. Например, в минувшем году ученым удалось избавить от ВИЧ лабораторных мышей. А исследователи из Китая применили CRISPR, чтобы защитить от этого вируса иммунные клетки человека. К сожалению, эффективность технологии пока слишком низкая для полного излечения, однако эксперимент подтвердил ее работоспособность. Другие вирусы также можно вырезать из ДНК. Например, исследователям из США удалось с помощью CRISPR уничтожить вирус герпеса в культуре клеток. В другом эксперименте ученые повредили 27 Международный независимый институт аграрной политики // http://xn--80aplem.xn-- p1ai/analytics/ 23

онкогены вируса папилломы, что защитило подопытных мышей от рака шейки матки. 3. CRISPR-диагностика. Медицинские перспективы CRISPR не ограничиваются редактированием геномов. Способность этого фермента точно обнаруживать определенные участки ДНК делает его идеальным диагностическим инструментом. В первую очередь это касается вирусных заболеваний. Например, исследователи из Университета Кейс Вестерн резерв разработали методику E-CRISPR, которая позволит диагностировать различные вирусы по капле крови в течение пары часов. Она ляжет в основу карманного датчика, напоминающего глюкометр. Американские военные из DARPA уверены, что можно создать еще более совершенный прибор для CRISPR-диагностики, который будет выявлять не только вирусы, но и болезнетворные бактерии, в том числе неизвестные науке. На эти цели управление планирует выделить $60 млн. 4. CRISPR в сельском хозяйстве. Второй после медицины отраслью, где генное редактирование может произвести революцию, считается сельское хозяйство. С помощью CRISPR и других методик можно добиться необходимых результатов со скоростью, которая недостижима для традиционной селекции, например, всего за несколько лет создать овощ с новым вкусом. Одним из важных открытий предыдущего года в этом направлении стала разработка «CRISPR-пыльцы», которая позволит значительно упростить процесс редактирования геномов ценных сельскохозяйственных растений, от кукурузы до брокколи. Генное редактирование может помочь и животноводству - например, сделать сельскохозяйственных животных устойчивыми к инфекциям или придать им другие необходимые свойства. В настоящее время проводятся попытки использовать CRISPR, чтобы изменить соотношение полов при рождении. Это позволит отказаться от распространенной практики забоя молодых петушков и бычков при разведении кур и крупного рогатого скота. К сожалению, порой работа в этом направлении наталкивается на технические сложности. Например, попытка вырастить безрогих коров с помощью генного редактирования TALEN обернулась загрязнением их ДНК бактериальными генами. Хотя подобные ошибки вряд ли приведут 24

к серьезным последствиям, они демонстрируют, что технология генного редактирования все еще далека от совершенства. Тем не менее, в целом CRISPR-еда безопасна и начинает захватывать рестораны и даже прилавки магазинов. 5. Новые версии CRISPR. В 2019 году стало окончательно понятно, что CRISPR несовершенна. Среди главных изъянов этой технологии - низкая эффективность редактирования, невозможность регуляции, а также высокая вероятность нецелевых мутаций. Хотя эти недостатки не мешают ее использованию для решения многих задач, применять ее в медицине кажется слишком рискованным. К счастью, исследователи находят все новые способы повысить качество CRISPR. Например, характерный для этого инструмента белок Cas9 можно заменить на Cas12b, отличающийся большей избирательностью и меньшим размером, благодаря которому ему легче проникать в клетки. Еще один перспективный кандидат - CasX. А использование белка Cas12a позволило модифицировать CRISPR для одновременного редактирования нескольких генов. Независимо от того, какой фермент используется в работе CRISPR, его гидовая РНК может соединиться с неправильным участком ДНК. Чтобы избежать этого, исследователи из США предложили использовать «генетические шпильки». Первые эксперименты подтвердили, что такое подход повышает точность редактирования в 50 раз. Были обнаружены и «выключатели CRISPR», которые могут при необходимости остановить процесс редактирования. Другая команда исследователей нашла простой способ в несколько раз повысить эффективность вставки нужных генов. Оказалось, что для этого достаточно модифицировать концевые участки внедряемых в клетку фрагментов ДНК. 6. Альтернативы CRISPR. По мнению некоторых исследователей, даже после всех модификаций технология CRISPR останется слишком неточной и небезопасной. Это значит, что главному инструменту генного редактирования нужна замена. И в 2019 году ученым удалось выявить сразу несколько кандидатов на эту роль. Риск нецелевых мутаций при CRISPR связан с разрезанием и последующим сращиванием обеих нитей ДНК. Однако вставить в геном нужную последовательность можно и иначе, не нарушая ее целостности. 25

В этом ученым помогли «прыгающие гены» транспозоны. Например, специалисты из Колумбийского университета использовали транспозон холеры, чтобы создать инструмент INTEGRATE, который редактирует ДНК, не разрезая ее. Другой недостаток CRISPR заключается в том, что эта методика позволяет модифицировать лишь небольшие фрагменты ДНК. Вырезать из генома более крупные участки поможет рибопротеиновый комплекс Cascade, соединенный с ферментом Cas3. Этот «генетический шредер» способен за раз уничтожать десятки тысяч оснований. Ученые планируют использовать его для удаления обширных некодирующих последовательностей. Это поможет понять причину многих наследственных болезней и, возможно, даже лечить их с помощью генного редактирования. Еще один метод, который может прийти на смену CRISPR, - праймированное редактирование. Его создатели добавили к ферменту Cas9 два новых компонента - позаимствованный у вируса белок обратную транскриптазу и специальную гидовую РНК (pegRNA). Получившийся в результате инструмент разрезает только одну нить ДНК, что снижает риск ошибок. Успешность данной методики составляет 20-50% по сравнению с 10% у обычной CRISPR. 1.2.5. ИННОВАЦИОННЫЕ БИОТЕХНОЛОГИИ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ За последние несколько десятилетий наблюдается беспрецедентный уровень технического прогресса в области биологии, особенно в сельском хозяйстве. В современном сельском хозяйстве, в частности в промышленно развитых странах, используются сложные технологии и устройства с целью повышения продуктивности, эффективности, устойчивости и экологичности сельскохозяйственных продукций. Например, в более развитых странах большие инвестиции вкладываются в инфраструктуру, а именно в технологии и устройства (датчики, аэрокамеры, беспилотники и технологии GPS и т.д.), собирающие информацию о состоянии флоры и фауны. На молекулярном уровне, разработки в области биотехнологий помогли получить новые виды культур с желаемыми качествами. 26

Например выработка у растений устойчивости к определенным болезням и даже к соленой среде. Биотехнологии применяются в любом технологическом процессе, в котором используются биологические системы, живые организмы или их компоненты для производства или модификации продуктов до желаемого результата. Применительно к сельскому хозяйству биотехнологии могут относиться к различным методам работы с биологическими системами и пересекаться с другими науками. Сельскохозяйственная биотехнология опирается на открытия и исследовательские инструменты относительно новой области науки для повышения производительности и увеличения объемов производства, существующего с древних времен. Некоторые особенности сельскохозяйственной биотехнологии делают ее уникальным примером. Во-первых, сельскохозяйственная биотехнология имеет потенциал для решения проблем продовольственной безопасности во многих странах. Таким образом, они пользуется поддержкой различных национальных, международных и некоммерческих организаций для содействия их распространению по всему миру. Однако недостаточный уровень поглощающего и инновационного потенциала, включая недостаточные ресурсы для коммерциализации изобретений во многих странах с развивающейся экономикой, обусловил необходимость сотрудничества с частным сектором. Во-вторых, растущая потребность в сотрудничестве между частным и государственным секторами подразумевает некоторые изменения в использовании защиты интеллектуальной собственности (ИС). С одной стороны, фирмы частного сектора в значительной степени полагаются на систему ИС для обеспечения своей окупаемости инвестиций. С другой стороны, научно-исследовательские институты государственного сектора во многих странах с развивающейся экономикой, как правило, уклоняются от системы ИС, уделяя основное внимание обеспечению легкого обмена знаниями. Сотрудничество между двумя секторами - для помощи в коммерциализации (для исследовательских учреждений), либо в качестве источников прибыли (для частного сектора) - приводит к вероятному гибридному подходу к использованию ИС. 27

1.3. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК В РЕСПУБЛИКЕ УЗБЕКИСТАН Хлопководство - одно из главных направлений для отечественной сельскохозяйственной науки, развитию которого традиционно способствовала большая государственная поддержка. Сегодня одним из значимых достижений в области биологии является выведение новых сортов хлопчатника. Ученые Института генетики и экспериментальной биологии растений Академии наук Узбекистана получили патент на новые сорта хлопчатника «Занги-Ота- 2», «Ишонч» и «Зафар». Новый перспективный сорт хлопчатника «Занги-Ота-2» отличается от стандартного сорта по выходу и качеству волокна, приспособленный к различным климатическим условиям. В настоящее время размножается в элитном хозяйстве предварительного размножение Кашкадарьинской области. Перспективный сорт хлопчатника «Ишонч» - скороспелый и высокоурожайный. Отличительной особенности этого сорта является засухоустойчивость и солеустойчивость. В настоящее время сорт высевается в Кашкадарьинской области, в районах, где ощущается водный дефицит. Перспективный сорт хлопчатника «Зафар» отличается от стандартного сорта по скороспелостью и качеству волокна. Сорт размножается в Кувинском районе Ферганской области. Кроме того, был запатентован еще один сорт \"Ният\", который стал плодом стараний коллектива из семи селекционеров Хорезмской Академии Маъмуна. Технологические показатели волокна проанализировали в лаборатории ГУП \"Центр по оказанию услуг в агропромышленном комплексе\" при Инспекции по контролю за агропромышленным комплексом и обеспечением продовольственной безопасности при Генеральной прокуратуре. Качество оказалось высоким, потому было решено начать пробное выращивание в некоторых районах Хорезма. Стоит отметить, что долгие годы прогресс в данной сфере обеспечивали НИИ хлопководства и селекции и семеноводства хлопчатника, ныне объединенные в НИИ селекции, семеноводства и агротехнологии выращивания хлопка. В системе Академии наук еще в 1992-м учрежден Институт генетики (ныне Институт генетики и 28

экспериментальной биологии растений), занимающийся селекцией \"белого золота\" и других культур. В 2012-м от него отделился Центр геномики и биоинформатики, работающий в области генных и клеточных технологий. Благодаря передовым решениям в последнем добились впечатляющих результатов. В январе 2020 года Патентное ведомство Китайской Народной Республики одобрило патентную заявку на инновационную технологию хлопкового ген-накаута, разработанную узбекскими учеными. Недавно ученые Центра геномики и биоинформатики Академии наук Узбекистана получили официальный патентный сертификат на данную технологию. Ранее технология накаута этого хлопкового гена, разработанная узбекскими учеными, получила патенты в Узбекистане, США, Египте и России28. Технология хлопкового ген-накаута является инновационной технологией шестого поколения. Он был разработан узбекскими учеными в 2008 году и в результате дальнейших исследований, проведенных на основе этой технологии при поддержке правительства Узбекистана, привел к созданию высокоурожайных, длинноволокнистых, засухоустойчивых и солеустойчивых биотехнологических сортов хлопка. Эта технология позволила впервые в мире улучшить одновременно несколько свойств хлопка. Это было решением одной из главных проблем при отборе хлопка. На основе технологии ген-нокаута наши ученые создали четыре сорта хлопчатника серии \"Порлок\". В них совместили лучшие характеристики двух главных мировых видов - выращиваемого почти повсеместно обыкновенного (Gossypium hirsutum) и куда более качественного и дорогого, но сложного в культивации и малоурожайного египетского (Gossypium barbadense). У новых сортов отличное волокно - длиннее минимум на 20 процентов, а корневая система развита в два-три раза лучше. Их засухоустойчивость и солеустойчивость помогают сохранить до трети поливной воды. Созревают они на пять-десять дней раньше и гарантируют высокий урожай вне зависимости от региона. Если обычные местные сорта дают волокно четвертого-пятого типов, то \"Порлок\" - первого-второго, что открывает новые рынки сбыта, а также обеспечили больший выход масла и шрота. В 2013 году сорта высеяли на 600 гектарах, в 2014-м успешно тестировали на 17 тысячах гектаров, после чего их включили в Госреестр с рекомендацией к районированию. В этом году спрос 28 Хитойда патентланган ген-нокаут технологиясига патент сертификатлари тақдим қилинди // https://mininnovation.uz/uz/news/1931# 29

фермеров и поддержка государства обеспечили их размещение уже более чем на 60 тысячах гектаров, а в перспективе цифра продолжит расти. Следовательно, цена на эти сорта на 12% выше, чем на простые, а спрос на мировом рынке высокий. Отечественные специалисты смогли одновременно улучшить сразу несколько агрономически ценных признаков хлопчатника, что впечатлило и зарубежных коллег. Это стало настоящим прорывом наших ученых на международной арене. Технологию первоначально запатентовали в Узбекистане, затем - США, а недавно также в России и Египте. Подобное признание позволит лицензировать технологию на международном уровне и получать прибыль от отечественной интеллектуальной собственности, а не товаров. За последние годы селекционеры республики вывели также районированные сорта \"Мехнат\", \"Беш кахрамон\", \"АН-16\", перспективные сорта \"Купайсин\", \"Гульбахор-2\", \"УзФА-703\", \"Ишонч\", \"Насаф\", \"Хамкор\", \"Келажак\", \"Навбахор-2\", \"Генетик-1\" и другие29. Сегодня одним из бурно развивающихся отраслей являются биотехнологии, связывающие исследовательские достижения и производственный процесс. К сожалению, сфера биотехнологий при всей ее перспективности и огромных потенциальных размерах новых рынков пока не получила достаточного импульса для развития в Узбекистане. Более 90% биотехнологической продукции в республику импортируется, а объемы ее потребления остаются несопоставимо низкими по сравнению как с развитыми, так и развивающимися странами30. Следует признать, что, несмотря на имеющийся в Узбекистане значительный научный потенциал по проведению исследований биотехнологической продукции, отсутствие полноценной биоиндустрии не позволяет внедрять в реальное производство многие разработки, а ее выпуск осуществляется маленькими партиями на лабораторном оборудовании. Использование в сельском хозяйстве химических удобрений и пестицидов приводит к проблемам истощения почв, загрязнению воды и воздуха, отрицательно сказываясь на здоровье населения. Сегодня около 54% почв сельскохозяйственных земель 29 Алексей Романов. Опубликовано в газете \"Правда Востока\" № 30 (28993) от 13 февраля 2019 года. // https://pv.uz/ru/newspapers/chetyre-novyh-sorta-hlopchatnika-zapatentovali-nedavno-uchenye- uzbekistana 30 Иброхим Абдурахмонов. Министр инновационного развития, академик. Биотехнологии - индустрия ХХI века // https://pv.uz/ru/newspapers/biotehnologii-industrija-hhi-veka 30

загрязнены пестицидами, более 80% - имеют повышенное содержание вредных и опасных веществ. За последнее десятилетие балл бонитета земель снизился с 58 до 55. Отсутствие биотехнологий как сектора экономики может быть объяснено несколькими причинами, в том числе отсутствием целевой государственной поддержки и надлежащих экономических условий для развития биотехнологий (включая стартапы); неурегулированность вопросов биобезопасности на законодательном уровне, что препятствует формированию целостной системы в данной области (требования к биобезопасности содержатся в разных санитарных нормах и применяются только в отношении пищевой продукции с ГМО). Кроме того, устаревшие образовательные стандарты, отсутствие современных учебных лабораторий влияют на качество подготавливаемых кадров в этой области. Также детальной проработки требует и нормативно-правовая база, в которой отсутствуют механизмы регистрации и сертификации биотехнологической продукции31. В целях решения проблем для определения приоритетных направлений развития биотехнологий и формирования целостной системы биобезопасности, повышения научного потенциала страны, поднятия на качественно новый уровень процесса подготовки высококвалифицированных кадров в сфере с современными знаниями, развития отраслей экономики и социальной сферы на основе передовых биотехнологий, а также в рамках осуществления реформ в Год развития науки, просвещения и цифровой экономики по инициативе главы государства Министерством инновационного развития разработан проект постановления Президента \"О комплексных мерах по развитию биотехнологий и формированию целостной системы биобезопасности\", в результате реализации которого ожидается следующее: - будут созданы условия для развития биотехнологий; - повышение уровня проводимых научных исследований в области разработки новых инновационных биотехнологических продуктов, обеспечение интеграции в глобальное научное пространство; - обеспечение биобезопасности при производстве, обработке и использовании биотехнологической продукции; 31 Иброхим Абдурахмонов. Министр инновационного развития, академик . Биотехнологии - индустрия ХХI века // https://pv.uz/ru/newspapers/biotehnologii-industrija-hhi-veka 31

- будут созданы условия для устойчивого функционирования и развития системы подготовки, переподготовки и закрепления кадров в области биотехнологий; - для разработки, внедрения, производства и реализации биотехнологической продукции будет создана цельная эффективная инфраструктура; - совершенствование организационных и правовых основ для формирования новых рынков биотехнологической продукции; - совершенствование нормативно-правовой базы в области сертификации и лицензирования биотехнологической продукции. Предлагаемый проект позволит использовать потенциал биотехнологий для увеличения производства и экспорта товаров (услуг) в медицине, сельском хозяйстве, промышленности, поднять научный потенциал республики на международный уровень и занять Узбекистану лидирующие позиции на рынке биотехнологий в Центральноазиатском регионе. Однако стоит отметить, что Узбекистан находится на начальном этапе развития биотехнологий. Об этом свидетельствуют результат прикладных исследований и инновационных разработок, полученных Академией наук РУз – разработка на основе клеточной биотехнологии высокоэффективной технологии выращивания семенного картофеля, который прошел промышленную апробацию в хозяйствах Ташкентской и Кашкадарьинской областей и получено более 300 тонн семенного картофеля элитных и суперэлитных сортов32. Также в настоящее время ведется работа над инновационными разработками, включенными в Банк высоких технологий АН РУз33: - Биотехнология выращивания азоллы и использование в рисоводстве, а также массовое культивирование в Узбекистане и ее использование. - Создание руководства по идентификации и контролю генно- модифицированных организмов и генно-модифицированных продуктов, и внедрение его в практику. - Новая форма препарата – водносмачивающаяся сера для борьбы с комплексом сосущих вредителей хлопчатника и других сельскохозяйственных культур. 32 Инновационная деятельность Академии наук Республики Узбекистан // http://www.academy.uz/ru/page/ozbekiston-respublikasida-fanlar-akademiyasi-innovatsion-faoliyati 33 Инновационная деятельность Академии наук Республики Узбекистан // http://www.academy.uz/ru/page/ozbekiston-respublikasida-fanlar-akademiyasi-innovatsion-faoliyati 32

- Создание метода борьбы против хлопковой совки с использованием синтетического полового феромона. - Новая технология возделывания сельскохозяйственных культур с применением низконапорной самотечной капельно-струйной системы орошения. - Высокоэффективная ресурсосберегающая технология получения концентрированного фосфорного удобрения на основе фосфоритов Центральных Кызылкумов. - Создание и испытание бакуловирусного биоинсектицида, содержащего ген инсектотоксина местного вида скорпиона. - Производство и применение комплексного белково- витаминно-ферментного препарата (БВФКП) с использованием микроорганизмов. - Биотехнология культивирования микроводорослей как источников биологически активных веществ. - Создание технологии массового производства киллерного штамма грибка Pleospora papaveracea для уничтожения наркотического мака. - Азотно-фосфорное удобрение из бедных Кызылкумских фосфоритов и другие. Таким образом, ученые биологи Узбекистана осуществляют фундаментальные и прикладные исследования в области проблем микробиологии и физиологии, биохимии и генетики бактерий, вирусов, стимуляторов роста, токсинов, микробной биотехнологии, селекции и создания новых бактериальных и других биологических препаратов, новых высокопродуктивных и устойчивых к заболеваниям сортов хлопчатника, пшеницы, методы генно-инженерной технологии, а также коллекции фитопатогенных микроорганизмов и веществ, противодействующих заболеваниям растений и уничтожающих сельхозвредителей, иммуногенетических маркеров и средств иммунокоррекции и повышения иммунной устойчивости организмов, генетические коллекции новых сортов хлопчатника, средств защиты растений, развития методов клеточной биотехнологии, природных и синтетических биологически активных соединений, изучаются особенности биоразнообразия животного и растительного мира с учётом специфики аридной зоны, при том сохраняются видовые и редкие коллекции змей, пауков и других позвоночных и беспозвоночных животных, гербарии и палеоботанические коллекции, 33

особенности интродукции и акклиматизации инорайонных флор и биологическое разнообразие, а также экологические особенности центрально-азиатского региона. 34

Раздел 2 ХИМИЯ Химия – наука. изучающая взаимодействие материи с другими материями и энергией. С возрастанием роли и значения химической науки в жизни общества растет необходимость глубокого познания ее закономерностей и путей развития, как важного и сложного явления. В нашей стране активно поддерживается расширение научных изысканий в области химии по следующим направлениям :создаются синтетические лекарственные средства, появляются новые химические полимеры, увеличивается интерес к моделированию химических процессов, разрабатываются экологически безопасные аналоги химических веществ и мн. др. В данном разделе приведен обзор развития инновационных химических технологий и глобальных цифровых изменений, происходящих в химической отрасли, освещены современные тенденции развития зеленой химии и расширение возможностей ее использования в будущем. Также, рассмотрены последние тенденции развития химической отрасли в Республике Узбекистан. 35

2.1. ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПО ХИМИИ Найти ориентиры в истории науки совсем не сложно. Что действительно является сложной задачей, так это выявление открытий, которые в конечном итоге станут крупными химическими прорывами 21-го века. Среди тысяч химических статей и патентов, которые публикуются каждый день, что действительно будет способствовать более устойчивому будущему? По этой причине, празднуя прошлое, IUPAC также смотрит в будущее с этой новой инициативой: «первая десятка новых технологий в химии» - это попытка более широко пропагандировать важнейшую ценность химических и смежных наук и выявлять открытия, которые потенциально могут изменить наш мир. Эксперты, набранные IUPAC, выбрали «первую десятку новых технологий в химии», выделенных в этой статье из пула номинаций, представленных химиками со всего мира. Ниже приводятся новые достижения в области химических наук, которые колеблются между эмбриональным моментом «Эврики» в лаборатории и промышленным применением. Безусловно, в ближайшем будущем мы будем оглядываться на эти подборки инновационных технологий и отмечать, как они изменили мир, в котором мы живем. Начиная от очевидной переработки пластмассы, например, до более непонятной, как, например, реактивная экструзия, коллегия из пяти судей из промышленности и научных кругов выбрала 10 технологий, способных сделать планету более устойчивой. Некоторые из них, такие как химический состав, уже находят широкое применение, в то время как другие, такие как твердотельные батареи, все еще находятся в зачаточном состоянии. Согласно материалам последней конференции IUPAC 34 , была выпущена серия инновационных технологий, способных изменить мир уже сегодня: 1. Нанопестициды. Наносформулированные пестициды могут доставлять активные ингредиенты туда, где они необходимы, не загрязняя окружающую 34 Katrina Krämer. IUPAC names 10 chemistry innovations that will change the world // https://www.chemistryworld.com/news/iupac-names-10-chemistry-innovations-that-will-change-the- world/3010335.article (2019) 36

среду или - как бывает с неоникотиноидами – незамедлительно уничтожают существенную вредную среду. Пока только несколько исследований показали, что наноагрохимические вещества на самом деле более эффективны, чем их традиционные аналоги, и ни одно из них еще не было испытано в полевых условиях. 2. Энантиоселективный органокатализ. Идея замены дорогих и неустойчивых металлических катализаторов на небольшие органические молекулы привлекает синтетических химиков. Органокатализаторы часто более устойчивы, чем их металлические аналоги, а некоторые типы, такие как сахара и аминокислоты, легко доступны в виде отдельных энантиомеров. В настоящее время существуют сотни энантиоселективных органокаталитических реакций - от катализируемых пролином альдольных реакций до эпоксидирования SHi, в котором используется модифицированный катализатор фруктозы. Есть некоторые реакции - такие как углеродные связи - в которых металлические катализаторы имеют преимущество. 3. Твердотельные аккумуляторы. Твердотельные аккумуляторы легче и лучше работают при высоких температурах, сохраняют больше энергии и не воспламеняются - твердотельные батареи могут превзойти вездесущую литий-ионную батарею. Ключевое различие между привычными литий-ионными батареями и твердотельными заключается в том, что литий-ионные батареи используют жидкий электролит, а твердотельные – твердый. Электролит – это токопроводящая смесь веществ, которая обеспечивает течение тока между анодом и катодом («минусом» и «плюсом» внутри батареи). Твердотельные батареи работают по тому же принципу, что и ионные: при зарядке ионы лития перемещаются на катод, откуда при выключении зарядного устройства отправляются в свободное плавание через электролит обратно к аноду, создавая электрический ток. Изменение в материалах позволяет добиться значительного изменения свойств, в том числе максимального объема, времени зарядки, размера и уровня безопасности. Преимущество твердотельных электролитов заключается в том, что они куда менее склонны к химическим реакциям, чем жидкость или гель, поэтому работают намного дольше и не требуют замены через 2-3 37

года. Также это означает, что такие батареи не загорятся и не взорвутся от производственных дефектов или при повреждении. Рисунок 7. Сравнение литий-ионных и твердотельных аккумуляторов Источник: https://www.chemistryworld.com/ Однако недостаток данных батарей состоит в их дороговизне, и всё еще ведутся разработки по усовершенствованию технологии. По мнению экспертов, перспективной областью использования твердотельных аккумуляторов является автоиндустрия, а именно производство электромобилей. Уже такие компании как Dyson и Toyota вкладывают значительные средства в разработку практичных твердотельных аккумуляторов для электромобилей. 4. Химия непрерывных потоков. Синтез потоков уже доказал, что часто является дешевым способом, более продуктивным, менее расточительным и иногда более безопасным, чем серийное производство, как в лабораторных, так и в промышленных масштабах. Это также поддается автоматизации, что позволяет химикам проводить тысячи реакций в день. Сочетание химического состава с непрерывным потоком и синтеза полимеров может привести к образованию соединений, которые было бы трудно получить в обычных условиях (например, в колбе). Для синтеза потоков требуется специализированное оборудование, хотя существуют некоторые уникальные и недорогие решения. 5. Механохимия и реактивная экструзия. Механохимия - индуцирование реакций с помощью механических сил, делающий возможными процессы, которые трудно осуществить с 38

помощью традиционного синтеза раствора. Но ученые все еще пытаются понять, как этот процесс работает на молекулярном уровне. Это не помешало им попытаться ускорить механохимические процессы. Реактивная экструзия - это технология производства полимеров, объединяющая синтез и формование в единый процесс без растворителей. Это, по сути, твердотельная «поточная» химия, и может стать способом расширения механохимического синтеза. Химики уже продемонстрировали, что могут изготавливать MOF (Металл- органические каркасные структуры) с помощью винтовой экструзии. 6. Металл-органические каркасные структуры MOF. Газоразделение, катализ, улавливание углерода - металлоорганические каркасы могут сделать все подобное. Уже MOF превращаются в коммерческие продукты и объекты, такие как хранилище газа. Судьи IUPAC были особенно заинтригованы способностью губчатых материалов улавливать частицы воды из воздуха даже при влажности до 20%. 7. Направленная эволюция фермента. Согласно исследованиям лауреата Нобелевской премии по химии 2018 года Фрэнсис Арнольд, благодаря направленной эволюции производятся ферменты, которые выполняют реакции, новые для природы. Ни один природный фермент не образует углерод- кремниевые связи или сильно напряженные карбоциклы. И хотя эти молекулы также могут быть получены традиционным синтезом, они могут включать дорогостоящие или опасные реагенты. Ферментативные ферменты уже доказали, что они, по крайней мере, так же хороши, как химические катализаторы, например, при производстве антидиабетического ситаглиптина. Но Арнольд считает, что ученые даже не приблизились к пределам того, чего может достичь направленная эволюция. 8. Превращение полимеров обратно в мономеры. Чтобы остановить растущий поток непереработанных пластиков, ученые долго искали способы расщепления полимеров на их мономеры. Интенсивные исследования были сосредоточены на пластиках, которые естественным образом разрушаются в окружающей среде, а также на процессах утилизации обычных полимеров. Химики даже обнаружили микробов, поедающих пластик. 39

Но пока что сырье для производства пластмасс - сырая нефть - все еще дешевое, и ни один процесс переработки не может с ним конкурировать, хотя это может измениться в будущем. 9. Обратимая дезактивация радикальной полимеризации (RDRP). Этот процесс основан на радикалах, которые могут быть деактивированы и активированы. RDRP был благом для специализированного синтеза полимера с момента его изобретения 20 лет назад и в настоящее время является наиболее используемой реакцией полимеризации. Но есть еще возможности для совершенствования, в том числе более безметалловые и опосредованные светом методы, те, которые работают в проточных системах, или вода в качестве растворителя, или даже их комбинация. 10. 3D и 4D-биопечать. Наиболее удивительное изобретение в данном списке – это биопринтер, способный «печатать» медицинские имплантаты, органы и даже хрящи, мышцы, кровеносные сосуды с использованием живых клеток. Исследователи уже попробовали напечатать кости, кровеносные сосуды, структуры трахеи и хрящи. Хотя целые органы остаются вне досягаемости, крупные компании, такие как L'Oreal, BASF и Procter & Gamble, вкладывают большие средства в биопечать кожи для создания кожных трансплантатов из собственных клеток пациента. Кроме 3D-биопринтера, был также разработан 4D-биопринтер. Отличительной чертой 4D-биопринтера от 3D является наличие 4ого измерения – времени. Здесь строятся крупномасштабные структуры, способные к самостоятельной сборке. В рамках этого подхода сначала создаются плоские конструкции – под воздействием воды и тепла они складываются в заранее заданную трехмерную структуру. За счет самостоятельного складывания конструкции ученые рассчитывают решить проблемы, свойственные другим 3D-биопринтерам. Например, печать кровеносных сосудов. На данной стадии развития технологий обычные 3D-биопринтеры способны производить трубки диаметром в десятки-сотни микрон. Для сравнения, диаметр самых маленьких сосудов в теле человека составляет всего 5 микрон. Создать конструкции такого размера на сегодняшний день почти невозможно – но это ключевой шаг к производству сложных тканей для испытания медикаментов и лечения. С помощью 4D-биопечати в лабораториях удается добиться вдвое меньшего диаметра – этого можно достичь благодаря самостоятельному 40

складыванию конструкции. Пока исследователям удается создавать сосуды с минимальным внутренним диаметром 20 микрон - такие показатели недостижимы для других 3D-биопринтеров. Кроме того, материалы из альгиновой и гиалуроновой кислоты не оказывают негативного воздействия на напечатанные клетки – выживаемость костного мозга мышей возрастает до семи дней. 2.2. ХИМИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ: ЦИФРОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ ТРАДИЦИОННОЙ ОТРАСЛИ Химическая промышленность – одна из ключевых отраслей современной экономики. Одна из главных особенностей – значительная инвестиционная емкость, долгие сроки реализации крупных проектов, высокие требования к научному и инженерному обеспечению новых проектов. Кроме того, как любое крупнотоннажное производство, химическая промышленность сильно зависит от эффективной организации логистических потоков. Эти особенности создают значительные проблемы для предприятий химической отрасли в адаптации к требованиям современного рынка, росту экологических требований, необходимости снижения эмиссии парниковых газов. Но, с другой стороны, многие инновационные отрасли, такие как ветрогенерация, автомобильная и авиационная промышленность, производство биоразлагаемых материалов сильно зависят от инноваций химпрома. Так, например, снижение среднего веса автомобиля с 1380 до 1000 килограмм, за счет широкого использования композитов, согласно данным исследований, позволит снизить выбросы углекислоты на 40%. - Реконфигурация и локализация бизнеса с целью лучше соответствовать потребностям клиента; - Сокращение объемов производства и формирование новых моделей монетизации; - Формирование партнерских бизнес-экосистем с целью разделения риска и расширения технологических возможностей; - Ускоренное внедрение цифровых технологий, прежде всего, искусственного интеллекта; - Изменение корпоративной культуры в соответствии с новой парадигмой ведения бизнеса. 41

Рисунок 8. Изменения бизнес-модели химического производства Источники: Международный независимый институт аграрной политики // http://xn- -80aplem.xn--p1ai/analytics/ Главная цель этих изменений – обеспечить сочетание эффективности, необходимой для крупнотоннажного химического производства и инновационности, требующейся для разработки и быстрого внедрения широкой гаммы продуктов, в соответствии с быстро меняющимися запросами рынка. Таким образом, формируется многоступенчатая экосистема бизнеса, позволяющая быстро адаптировать производство в соответствии с новыми требованиями рынка, использовать базовые химические продукты как «кирпичики лего» из которых складываются новые изделия. Например, активно модифицируются пластики, используемые для 3D печати, обеспечивая лучшую точность и большую прочность изделий. Рост экологических требований, переход на 100% перерабатываемый пластик требует выстраивания новых логистических цепочек, направленных «снизу-вверх», позволяющих собирать вторичное сырье и направлять его на промышленную переработку. Преимущества цифровизации здесь состоит в высокой гибкости и адаптивности логистики. Другой пример использования цифровых преимуществ – широкое внедрение производства биопластиков, таких как полилактаза. Также важно учитывать информационную роль цифровых технологий, возможность быстро донести до ответственных потребителей информацию о том, что 42

используемый пластик соответствует самым строгим экологическим требованиям. Глобальные цифровые изменения, происходящие в химической отрасли, открывают широкие возможности для малого бизнеса – как в части оказания сервисных услуг и разработки информационных продуктов для химической промышленности, так и в освоении новых «экологических ниш» для малого бизнеса, возникающих в связи с масштабной цифровой перестройкой мировой химической промышленности. 2.3. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЗЕЛЕНОЙ ХИМИИ Ни для кого не секрет, что в современном обществе, существует негативное отношение к химической промышленности. До сравнительно недавнего времени масштаб деятельности человека был таковым, что существенно не влиял на динамическое равновесие, но с ростом производства, эта деятельность представляет повышенную опасность. Например, из ряда стран, таких как Германия, Чехия, Польша и др., ветрами уносятся оксиды азота и серы и распространяются в других странах. Также аварии на станциях, которые приводят к угрозе заражения рек. Эти и другие факты дают основание считать химию главной виновницей ухудшения условий жизни, многочисленных болезней, генетических изменений, разрушение генофонда. Однако в ряду главных загрязнителей окружающей среды химическая промышленность занимает не первое место: энергетика, транспорт, металлургия, химия, пищевая промышленность, промышленность строительных материалов - первая шестерка, признанная международным сообществом. Масштаб загрязнений, производимых человеком, столь велик, что экс-исполнительный директор ЮНЕП Доктор Толба однажды заявил: «Все организмы вызывают изменения в своем окружении, но только люди обладают достаточной мощью, чтобы стереть с лица Земли все живое, а также уничтожить и само окружение, от которого они 43

зависят»35. Как ни парадоксально, но одним из главных спасителей человечества является один из главных загрязнителей - химия. Д.И. Менделеев считал, что в химии нет отходов, а есть неиспользованное сырье. Прогресс химии учит также вводить отходы процесса производства и потребления обратно в кругооборот процесса воспроизводства. В том и состоит уникальность химии, что она в отличие от подавляющего большинства других отраслей промышленности, не только старается максимально обезвредить, но и превратить отходы в полезные обществу продукты. Предмет, который изучает и оценивает проблему внешней среды, называется наукой о внешней среде. Она исследует причины, распространение и влияния загрязнителей, находит пути решения, для того, чтобы уменьшить загрязнения, либо вовсе избавиться от них. Рассмотрим несколько методов, а именно: устранить загрязнители, после процесса; локализовать распространение загрязнителей во внешнюю среду; остановить процесс производства (заменить известные технологии получения продуктов на модифицированные). Последний метод выступает в роли зеленой химии. Зеленая химия это другой подход к химии. Он предполагает переход от переработки загрязнений к созданию иных химических процессов производства. То есть, мы меняем не только технологию, мы уменьшаем число стадий производства, что влечет за собой уменьшение используемой энергии, что положительно скажется с точки зрения экономики и экологии. Мы полностью отказываемся от использования вредных веществ и создаем идеальный процесс для получения нужного вещества, который безвредный на всех стадиях производства. В последнее время, промышленные заводы в более развитых странах постепенно переходят на зеленое производство с использованием элементов зеленой химии. Например, более 30% всех предприятий в США уже внедрили зеленую химию36. Согласно данным EuroSciCon, на сегодняшний день, снижение содержания летучих органических соединений позволяет улучшить качество воздуха в помещениях и на открытом воздухе, а также снижает воздействие на человека загрязняющих веществ. Решения с низким или нулевым содержанием летучих органических соединений стоят 35 UNEP // https://www.unenvironment.org/ 36 Тарасова, Н.П & Макарова, Анна & Вавилов, С.Ю & Варламова, С.Н & Щукина, М.Ю. Зелёная химия и российская промышленность. Вестник Российской академии наук. 83. 1068-1075. 10.7868/S0869587313120116. // https://www.researchgate.net/ (2017). 44

дешевле, чем более традиционные соединения, также соответствуют требованиям, касательных качества продукта. Производство компьютерных чипов требует чрезмерного количества химикатов, воды и энергии. Оценки показывают, что вес химических веществ и ископаемого топлива, необходимых для изготовления компьютерного чипа, в 630 раз превышает вес чипа по сравнению с соотношением 2: 1 для производства автомобиля. Резюмируя вышесказанное, можно сделать вывод, эффективность производства возрастает в разы, если предприятие следует принципам зеленой химии и внедряет ее в свое производство. Повышается конкурентоспособность, улучшается его продукция, а также репутация предприятия, уменьшаются финансовые затраты, т.к. больше нет нужды в захоронении шлама на полигонах. Внедрение зеленой химии дает преимущество по сравнению с традиционной химией. С точки зрения финансовой, экономической и экологической это очень выгодно. Конечно же, зеленой химии не надо создавать новую технологию, ей нужно лишь указать дальнейший путь. Для максимальной вовлеченности предприятий, необходимо информировать заинтересованные лица, создавать электронные ресурсы, всевозможные рассылки, проводить больше конференций, искать все больше новых безопасных методов производства. Проблема экологии, остро стоящая перед человечеством в целом, требует скорейшего решения в связи с неблагоприятными и даже губительными для людей последствиями производства. Принципы зелёной химии - один из главных инструментов в механизме введения более «чистого» производства в промышленные масштабы, который заботится не только об экологической составляющей проблемы, но и об экономической стороне вопроса, приближая идею к реалиям жизни. В последнее время термин «зелёная химия» набирает всё большую и большую популярность не только среди сторонников охраны окружающей среды, но и у обычных обывателей, рабочих, молодёжи. Это даёт надежду на то, что в будущем каждый человек будет задумываться о чистоте окружающей среды, нашего человеческого «дома», и внесёт свой вклад в коллективный труд, чтобы не нарушать баланса между современными технологиями и природой. 45

2.4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДЛЯ БУДУЩЕГО ЗЕЛЕНОЙ ХИМИИ В выпуске академического журнала «Science» говорится о будущем, в котором материалы и химические вещества, составляющие основу нашего общества и нашей экономики, скорее целебные, чем токсичные, возобновляемые, а не истощающие, и разлагаемые, а не стойкие. Выпуск включает документ «Проектирование для будущего зеленой химии», который иллюстрирует четкое представление о будущем. Автором статьи является исследовательская группа, возглавляемая Йельским университетом, в состав которой входят Джули Циммерман, профессор зеленой инженерии и другие специалисты в области химии для окружающей среды Йельского университета. Основная идея заключается в том, что зеленая химия должна быть основой того, как мы будем заниматься химией в будущем. Руководитель исследования объяснил, что слишком часто оценка химических веществ и процессов, используемых для их производства, сосредоточена исключительно на том, насколько хорошо они функционируют, но не учитывает их потенциальное воздействие в течение всего жизненного цикла. Когда дело доходит до химического производства, системное мышление должно использоваться для создания устойчивых, нетоксичных и пригодных для переработки химических веществ - от стадии проектирования, производства и использования до утилизации. В своей работе исследователи утверждают, что ошибки химической промышленности за прошедшее столетие не нужно повторять в будущем - и передовые исследования и инновации в области зеленой химии доказывают это. Они подчеркивают, как достижения в области зеленой химии уже начали процесс переосмысления всего, от пластмассы до фармацевтики, сельского хозяйства, электроники, производства и хранения энергии и т.д. Сегодняшние достижения в сфере зеленой химии – только начало новой эры зеленых технологий. Существует множество примеров того, как зеленая химия увеличивает экономическую выгоду, при этом не вредит, а наоборот улучшает здоровье людей, окружающую среду. При этом исследователи подчеркивают необходимость интеграции зеленой химии и зеленой 46

инженерии. Только благодаря объединению двух наук возможно добиться желаемых результатов37. 2.5. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ХИМИЧЕСКИХ НАУК В РЕСПУБЛИКЕ УЗБЕКИСТАН Сегодня в области химических наук проводятся фундаментальные и прикладные исследования методов комплексной переработки топливно-минерального сырья, процессов в организмах животных и растений, создаются новые биологически активные вещества, удобрения, полимеры, катализаторы, огнеупорные материалы, дефолианты, гормоны и изучаются их свойства и механизмы действия; а также липиды, ферменты и создаются новые высокоэффективные химические и медицинские препараты и вещества. В настоящее время изучение функций биологически активных соединений, присутствующих в растительном и животном мире довольно актуально. Так, сегодня Институтом биоорганической химии ведется работа по созданию биостимулятора для сельского хозяйства, специальных препаратов для улучшения мелиоративного состояния земли, лекарственных - в медицине, по обеспечению продовольственной безопасности и многим другим направлениям. Определенные успехи достигнуты в области сельского хозяйства. Впервые создан и применен в производстве препарат для улучшения мелиоративного состояния засоленных почв, который способен повышать эффективность их промывки. Еще одной разработкой является препарат ДАГ: обработка им земли перед посадкой семян хлопчатника увеличивает урожайность на десять центнеров. К тому же это способствует устойчивости растения к болезням, всевозможным неблагоприятным климатическим условиям. Новый продукт широко применяется на одном из предприятий в Сырдарьинской области. Кроме того, проведены исследования по разработке противовирусных препаратов в системе здравоохранения. В настоящее время в медицинской практике применяются более десятка 37 Julie B. Zimmerman, Paul T. Anastas, Hanno C. Erythropel, Walter Leitner. Designing for a green chemistry future. SCIENCE, 2020; 367 (6476): 397 DOI: 10.1126/science.aay3060 47

лекарственных средств института, одним из которых является созданный институтом препарат против гриппа - рутан 38 . Зарегистрированный в Министерстве здравоохранения, рутан выпускается в виде таблеток. Препарат воздействует на иммунную систему человека, повышая его способность бороться с вирусами. В то же время обладает свойством останавливать активность инфекций. Стоит отметить, что недавно в качестве благотворительной помощи рутан в большом объеме был отправлен в Иран. В настоящее время в производстве находятся многие лекарственные средства для лечения герпеса, хламидийной инфекции, гепатита, а также останавливающие кровотечение, обладающие быстрозаживляющими свойствами, так же созданные институтом биоорганической химии. Науку невозможно развивать без укрепления международных связей. Для этого есть необходимые условия. Всем ученым мира интересны исследования по скринингу биологически активных соединений Шанхайского института материи и медицинских исследований Китайской Академии наук, где очень хорошо налажена работа. В институте биоорганической химии проводятся на высоком уровне исследования по выделению биологически активных природных соединений и выдачи фармакологических свойств, направленных на их химическую модификацию. В этой связи заведующие лабораториями во главе с директором Шанхайского института материи и медицинских исследований, посетив институт, ознакомились с разработками и выразили желание сотрудничать. Подписан соответствующий меморандум. Теперь в стране есть возможность проводить скрининг биологически активных соединений. Что касается важнейших результатов прикладных исследований и инновационных разработок в области химии, то стоит отметить следующие достижения: - В Институте общей и неорганической химии разработаны оригинальные технологии получения новых видов удобрений и дефолиантов, которые внедрены в производство, являются 38 Аббосхон Тураев. Заместитель директора Института биоорганической химии АН РУз, д.х.н. Опубликовано в газете «Правда Востока» №69 от 3.04.20. // https://pv.uz/ru/newspapers/pri- podderzhke-gosudarstva-novyj-vitok-razvitija-bioorganiki 48

импортозамещающими и значительный объем которых идет на экспорт в Афганистан, Туркменистан и Казахстан. - Новые виды малотоксичных дефолиантов «СУПЕР-ХМД-ж», «УзДЭФ» и «Полидеф» используются во всех хлопкосеящих хозяйствах Узбекистана. - В Институте ионно-плазменных и лазерных технологий разработана оригинальная технология и получена опытная партия поликристаллического кремния (инвестиции Компании ОСI (Корея) 500 тыс. долл. США). - В Институтах химии растительных веществ и Биоорганической химии созданы технологии и налажено промышленное производство 15 новых оригинальных импортозамещающих отечественных лекарственных препаратов (Экдистен, Аюстан, Рутан, Госситан, Гетасан, Пунитан и другие). - Были созданы химические препараты на основе УзХИТАН для подготовки высококачественных капсулированных семян хлопчатника, а также химпрепараты для укрепления его ростовых свойств и проведения дефолиации перед уборкой хлопка, которые внедряются в течение ряда лет в большинстве областных предприятий сельского хозяйства. Сегодня в республике большие усилия направлены на развитие химической промышленности. На основании Стратегии действий по пяти приоритетным направлениям развития Республики Узбекистан, а также Указа главы нашего государства от 23 августа 2017 года «О программе развития химической промышленности на 2017-2021 годы» принята специальная программа по развитию отрасли на ближайший период. В ней предусмотрена реализация 43 инвестиционных проектов на общую сумму 3,1 млрд долларов США39. В частности, по строительству производства аммиака и карбамида, азотной кислоты, поливинилхлорида (ПВХ), каустической соды и метанола в акционерном обществе «Навоиазот» разработано три крупных инвестиционных проекта, по которым на основе конкретных программ осуществляются определенные работы. Стоит отметить, что «Навоиазот», являясь в республике крупнейшим промышленным производственным предприятием, занимается выпуском минеральных удобрений и химических реагентов. 39 Химическая промышленность служит прогрессу экономики // https://www.uzdaily.uz/ru/post/43927 49