Узел первый. Материаловедение

Материаловедение началось не сегодня, но изменились методология и темп развития.

В этом узле связаны химия, физика и биология. А точнее: нанотехнологии и наноматериалы, биотехнология, фотоника, сенсорика, микроэлектроника, спинтроника, ионика… Материалы могут быть в твердом, жидком и газообразном виде.

Материаловедов интересуют структура веществ и их электронные, термические, химические, магнитные, оптические свойства.

В общем, идет революция в материалах: создаются принципиально новые материалы.

Зачем это все? А жизнь требует материалов: перевязочных, лечебных, съедобных, для компьютеров, имплантов, сплавов для строительства, для машин и самолетов, космических приборов и так далее – с заданными свойствами: сверхтвердые, пластичные, выносливые и какие только нужны будут.

Новые материалы широко применяются в аддитивных технологиях (от англ. addition – добавление), известных простому обывателю как 3D-печать. Не могу не сказать про такое, ведь этому учат уже и в колледжах.

Вы знаете про технологии литья и резания. А вот аддитивное производство основывается именно на добавлении (послойном наращивании) материала.

Такой подход позволяет экономить материал – в три-пять раз – и создавать, например, опытный образец в разы быстрее, чем раньше.

Это, конечно, управляется автоматически, программируется. То есть (внимание!) производственные машины становятся компьютерной периферией. Помните, когда-то были печатники в типографии, набирали буквы. Теперь их нет. А ведь их было много! Исчезла профессия. Теперь принтер при компьютере делает все это.

Но не стоит заламывать руки, людям останется много работы!

Что же будут делать люди? Они будут исследовать материалы, хитроумно изобретать новые, управлять производством, разрабатывать программы для компьютеров. Это физики, химики, материаловеды, разработчики программ, менеджеры IT проектов, специалисты автоматизированных систем управления производством (АСУТП). Открывается для них гигантское поле работы!

Где же учиться этому? Родители, имейте в виду физико-химические факультеты и факультеты материаловедения. Например, в МГУ им. Ломоносова или в МИСИСе. Пишут, что в МИСИСе создали невидимый материал. А с помощью 3D-печати уже пробуют печатать биологические материалы, ткани, органы. Это тоже аддитивная технология.

Узел второй. Биотехнология

Биотехнология отвечает на вопрос: как использовать биологические объекты (целые клетки и части клеток), чтобы создать лекарство и еду. Ведь людям надо есть и надо лечиться. Это главное в выживании человека.

Сотни лет для выпекания хлеба и изготовления пива, вина, кефира использовали биотехнологии. Выращивались грибы и бактерии. Брожение – это биотехнология и есть. Но это так называемая «старая биотехнология».

Люди осмелели и захотели создать растения или животных с заранее заданными качествами: с высокой урожайностью, кубическими плодами или повышенной холодостойкостью. Раньше для этого использовали селекцию. А теперь начали вмешиваться в саму биологическую суть живого – в ген. И создавать новые продукты, организмы и изменять свойства уже существующих. Научились выращивать любые клетки, создавать биомассу и управлять ее развитием. Через гены.

«Новая биотехнология» для получения брожения использует улучшенные генной инженерией дрожжи. Эти дрожжи работают лучше старых.

Генная и клеточная инженерия – вот они и есть главные инструменты современной биотехнологии.

Клеточная инженерия конструирует клетки нового типа, воссоздает новую клетку из фрагментов разных клеток, объединяет целые клетки разных организмов.

Генная инженерия манипулирует генами:

– конструирует новые сочетания генов;

– вводит гены одних организмов в другие организмы, чтобы эти новые организмы были способны синтезировать продукты с желаемыми качествами. Эти новые организмы называют генномодифицированными или «трансгенами».

В научных лабораториях ведутся исследования с целью улучшения кукурузы, сои, картофеля, томатов, гороха и др.

Это все началось в 80-х годах. Тогда брали один ген у какого-нибудь вируса и заставляли его работать, то есть синтезировать дополнительный белок, дающий устойчивость к этому вирусу.

Вы представьте себе растение-биореактор. Это растение создает материалы для пластика, красителей, технических масел и прочего промышленного и несъедобного.

Вот это сию минуту делают в своих лабораториях биотехнологи.

И лекарства делают из растений, само собой. Растения-вакцины тоже вот-вот появятся или уже появились, пока я это пишу. В том и дело, что все происходит невероятно быстро.

Это, конечно, тоже можно назвать материаловедением, но только с приставкой «био». Создание биоматериалов или материалов из биоматерии.

Биотехнологи и с животными работают, не только с растениями. Тут вот какая задача у биотехнологов: создать трансгенное животное с определенным целевым геном. Например, трансгенные козы в результате введения определенного гена могут вырабатывать белок «фактор VIII», который препятствует кровотечению у больных гемофилией, или фермент тромбокиназу для рассасывания тромба в кровеносных сосудах человека.

Вопрос: зачем это делать через животных? Ответ: такой способ значительно дешевле и быстрее фабричного.

Выходит, биотехнология служит медицине.

Трансплантация, то есть пересадка органов от одного вида живых организмов другому – тоже биотехнология. Вы только представьте: в свинью переносят гены человека, и потом свинья может стать донором для пересадки целого органа человеку.

Индустрия ДНК – современная ветка биотехнологии. Генно-модифицированные растения – дешевый и безопасный источник для получения лекарственных белков (антител, вакцин, ферментов и др.) Например, человеческий инсулин получают путем использования генно-модифицированных бактерий.

Генетическая паспортизация (полное исследование генотипа новорожденного человека) нужно было бы делать каждому для определения предрасположенности к заболеваниям: алкоголизм, диабет, рак, астма, гипертония и бесчисленное множество других.

Не только паспортизация, но и лечение тоже возможно с помощью биотехнологических методов. В последние годы именно эти направления считаются приоритетными и бурно развиваются.

Медицинская генетика вскрывает сущность болезней человека, и в недалеком будущем генная терапия войдет в нашу жизнь как что-то привычное уже, как, например, вакцинация.

Персонализированная медицина тоже станет абсолютно возможной, если будут известны индивидуальные генетические особенности пациента. Более того, индивидуально для конкретного человека могут разрабатываться препараты.

Кстати, именно в России в одной из лабораторий разработан гель для заживления ожоговых ран. Это гель делается из крови самого пациента. Ведь это умно! Ведь это остроумно! Это спасительно для многих!

Медицинская генетика продолжает очень интенсивно развиваться в разных направлениях: изучение генома человека, цитогенетика, молекулярная и биохимическая генетика, иммуногенетика, генетика развития, популяционная генетика.

Клонирование – это один из методов биотехнологии – процесс изготовления биологической копии отдельной клетки или организма: полученные организмы похожи не только внешне, но и генетическая информация, заложенная в них, абсолютно одинакова.

Вопрос: как называются специалисты, которые все это делают и будут делать? И где их готовят?

Ответ: их готовят на биологических факультетах университетов, на факультетах биотехнологий, на факультетах биоинженерии и биоинформатики, на биохимичесих факультетах медицинских вузов.

Называться они будут очень по-разному, в зависимости от решаемых задач: биомедицинский технолог, генный инженер, клеточный биолог с опытом в иммунологии, биоинформатик для анализа мультиомиксных данных, биоинформатик в протеомный проект, молекулярный биолог, врач-генетик, специалист по секвенированию генома, программист…

Загляните на сайты нескольких российских НИИ – просто ради интереса:

НИИ биомедицинской химии им. Ореховича, Институт молекулярной генетики РАН, НИИ медико-биологических проблем РАН, НИИ биоорганической химии им. Шемякина, НИИ общей генетики, ВНИМИ, Институт молекулярной биологии им. Энгельгардта, НИИ молекулярной биологии и биофизики.

Это все научные учреждения, а не учебные, не надо путать. Однако в НИИ можно учиться в аспирантуре и стать кандидатом наук. Сначала ваш ребенок должен будет закончить соответствующий вуз.

Ученые очень заняты своими разработками. Они обязаны писать научные статьи. Им необходимо читать научные статьи, написанные коллегами в других странах. А читать им все, что пишут, некогда: слишком много нового на узкую тему ежедневно появляется в мире.

И вот именно поэтому возникает еще одна профессия: аналитик-аннотатор. Он должен глубоко понимать тему, знать английский очень хорошо и помогать исследователям в своей компании быстро узнавать самую суть новейших разработок.

Есть и еще один около-ученый. Это специалист по лицензированию и патентам. Он абсолютно необходим науке: он должен не только разбираться в предметной области, но и в патентоведении тоже, и это последнее для него становится профессией.

Как видно, разделение труда не от лени происходит и не из баловства. Один человек не может заниматься всем, потому что слишком уже далеко зашли знания.

Узел третий. Биоинженерия

Зачем и какими методами?

Эта деятельность происходит на стыке биологии и обычной инженерии (механика, оптика, электрика, электроника…).

Какие задачи и какие продукты она разрабатывает? Подсознательно управляемые протезы ног и рук. Как же так? А вот как: в кожу человека имплантируются сенсоры (датчики), которые посылают беспроводные (!) сигналы во встроенный в искусственную ногу или руку микрокомпьютер. Это позволяет человеку управлять рукой-ногой силой одного только желания. Вот человек захотел, чтобы рука его взяла предмет, она берет предмет. Это реально похоже на то, что в здоровом организме происходит, там ведь тоже есть чувствительный нерв и двигательный нерв. Биоинженерия имитирует все это. Пока грубовато получается, потому что сенсоры улавливают сигнал не от одной мышцы, а от группы мышц. Чтобы схватить предмет, нужны определенные мышцы, а не все. Вот поэтому такие протезы все же пока неточны, медлительны и не похожи на настоящие конечности.

Может быть, ваш ребенок найдет изящное решение этих задач?

Поговорите с ним об этом тоже.

Надо иметь в виду, что биоинженерия использует и физику с математикой, и биологию с химией. В общем, как в начале и было сказано: стык и взаимопроникновение разных дисциплин.

Биоинженерия занимается не только вживлением неживого в живое.

Она ищет способы выращивания органов и тканей методами регенеративной медицины (вот вам еще одна профессия в этом круге: биомедицинский инженер!) и молекулярного конструирования соединений с заданными свойствами (белковая инженерия, инженерная энзимология – тоже узкие специальности).

Как мы видим, биоинженерия тесно соприкасается с биотехнологией.

А вот вам еще биомиметика – ветка биоинженерии, она решает, как использовать структуры и функции живых организмов для разработки и изготовления машин и материалов.

И вот еще системная биология: занимается тем, что пытается понять организм как управляемую систему. Зачем? А чтобы тоже повторить, создать сложную рукотворную систему, которая бы тоже как-то ловко управлялась. В общем, нахальная и смелая идея. Ну, что ж, это ведь, в сущности, попытка сделать робот.

Биоинженерия, конечно же, работает не только на уровне органов, но и на уровне клеток, молекул.

Вопрос: где учат биоинженеров?

Ответ: на биофаке МГУ, на факультете биоинженерии и биоинформатики МГУ. В США смотрите Массачусетский технологический институт и Калифорнийский технологический институт.

Пока нет таких факультетов в России, которые бы готовили создателей роботов с использованием химии, физики и биологии одновременно. Но это должно быть, обязано быть. Жизнь требует.