Грядущая биовласть. Научно-фантастический роман

Митин живо и доходчиво продолжал объяснять теорию. – На сегодняшний день существуют три основных типа биочипов: ДНК-чипы, белковые и клеточные чипы. ДНК-чипы способны анализировать так называемые линейные молекулы: ДНК и РНК, к примеру, находить мутации в генах, сравнивая «больные» и «здоровые» ДНК, или отлавливать вирусные и бактериальные ДНК. Белковые чипы появились сравнительно недавно, с их помощью анализируют более сложные по форме, чем ДНК, различные белковые молекулы – антитела, антигены, гормоны, аллергены.

– Вам понятно, о чем идет речь? – обратился он к молодежи.

– Не совсем, конечно, но в целом понимаем. – За всех ответил Талип.

– Ну, если так, то продолжаю. – Сказал профессор, внутренне удовлетворенный ответом Талипа. Ничего не скажешь, сегодняшняя молодежь более раскованная, более открытая.

– Как это часто бывает, инновационное решение появилось в точке пересечения двух, не связанных доселе, линий научно-технического прогресса: прогресс в биотехнологии состыковался с прогрессом в сфере информационных технологий. – Подчеркнул Митин.

– Я к тому, что ученые-биологи так научились работать с ДНК и белками, что появилась возможность «манипулировать» ими в формате микроэлектронных технологий. Из информационных технологий были взяты некоторые способы нанесения информации на чип: изготовление с помощью роботов, наподобие того, как штампуют электронные чипы.

Профессор вспомнил выступление директора Инновационного центра нанотехнологий на Научной сессии. – Казалось бы, сама идея создания биочипов все же принадлежала биотехнологам, однако ассоциированными членами Центра становятся больше электронных компаний, патентующих отдельные технологии, применяемые в биочиповых системах. В частности, компания Perkin Elmer создала CQH-биочипы для современного решения молекулярного кариотипирования высокого разрешения. С этой целью используют конфокальный сканер биочипов Scan RI и специальное программное обеспечение Spectral ware для обработки и анализа полученных данных.

Митин, обращаясь к сотрудникам, сказал: – Мы должны переключить наше внимание на нанотехнологические разработки. Мне кажется очень перспективным исследования по созданию нанобиочипов, у которых принципиально иной принцип детекции – электронный.

– А что это даст? – спросил Рахимов – ведущий научный сотрудник.

– Эсенбек Алишевич. Электронный – это самые чувствительные датчики, процессоры, сенсоры, память – все это, как вам известно, можно разместить в одном кристалле кремния. Сразу появляется возможность параллельно обрабатывать информацию, поступающую по десяткам тысяч каналов. Это настоящий прорыв по сравнению с нынешними биохимическими биочипами.

– Кроме того, у нанобиочипов – рекордная чувствительность. Еще одно преимущество новых устройств в том, что в одной ячейке можно собрать большое количество датчиков, настроенных на разные молекулы. – Сказал Митин.

Сделав небольшую паузу, Митин изложил свое видение. – На мой взгляд, можно создать своеобразный электронный коммутатор в организме человека, способный снимать информацию одновременно с тысячи нанопроволок. То есть речь идет о единовременном снятии множестве параметров не только различных органов и систем организма, но и клеток. Такие нанобиочипы можно имплантировать в организм человека не только в качестве экспресс-контроля параметров, но и программированной коррекции гомеостаза в целом. Мне кажется, что это имеет важное теоретическое и практическое значение.

– В этом отношении, исключительно важное значение имеет, так называемая монолитная жидкостная хроматография. – Высказал реплику профессор Рахимов.

– Я с вами согласен Эсенбек Алишевич. В особенности нано-капельная хроматография в виде планарных многовекторных диагностических панелей – биохимических наночипов. Нам предстоит разработать наночипы-биоанализаторы запрограммированных параметров гомеостаза с тем, чтобы одновременно детектировать сотни и тысяча критериев. Специально вводимые в структуру биологического аналита метки, позволят нанобиочипу достигать чувствительности определения на уровне фентамолей белка.

– А технология производства такого нанобиочипа? – спросил Серегин.

– Аркадий Иванович. Технология производства нанобиочипа включает несколько стадий: во-первых, конструирование поверхности подложки – это кислотное матирование поверхности с дальнейшей силанизацией подложки; во-вторых, сополимеризация мономеров на подготовленной поверхности с одновременным проточным связыванием монолита с наноструктурированной органосиланами поверхностью подложки; в-третьих, наноконструирование поверхности монолита заданными нанобиолигандами.

– Олег Иванович! Было бы желательным, чтобы вы рассказали о том, чем отличается электронный наночип от биохимического или клеточного биочипа? – спросил Талип.

– Хорошо, я попробую разъяснить, в чем их отличия друг от друга. – Сказал Митин. – Итак, нанобиочипы являются миниатюризованными «микролабораториями». Эффективность нанобиочипов обусловлена возможностью параллельного проведения огромного количества специфических реакций и взаимодействий молекул биополимеров, таких как ДНК, белки, полисахариды, друг с другом и низкомолекулярными лигандами.

– Итак, удается собрать и обработать на отдельных элементах биочипа огромное количество биологической информации. В этом заключается фундаментальное информационное сходство биохимических биочипов с электронными микрочипами. Однако между ними имеется и ряд принципиальных различий. – Сказал Митин.

Митин, взяв в руку указку, подошел к экрану. – Прошу обратить внимание на следующие слайды. – Как известно, последовательность оснований в одной нити ДНК полностью комплементарна последовательности другой нити, то это и есть стабильная совершенная двухнитчатая спираль – дуплекс. Однако присутствие в дуплексе даже одной неправильной пары, предотвращает образование дуплекса. Если иммобилизовать в одном из элементов микрочипа специфическую одноцепочечную ДНК, то при добавлении к микрочипу меченных флуоресцентными красителями фрагментов ДНК, будет происходить их высокоспецифичное взаимодействие.

– Обращаю ваше внимание на следующий слайд. – Сказал Митин. – Олигонуклеотид фиксирован на одном из элементов биочипа и избирательно связывает из многих флуоресцентно меченых фрагментов ДНК только комплементарный. В результате только этот элемент начинает светиться. Это происходит благодаря высокоспецифичным взаимодействиям комплементарных пар нуклеотидов.

Профессор, обращаясь к молодежи, спросил: – То, что я сказал, вам понятно?

За всех снова ответил Талип. – На слух воспринимается не очень. Вообще, было бы хорошо, если бы провели для нас, а может быть для всех сотрудников, тематический семинар.

– Вопросов нет. – Сказал Митин. – Поручаю это дело Серегину Аркадию Николаевичу. И обращаясь к Серегину, спросил: – Не возражаете? Тот, молча, кивнул головой в знак согласия.

В тот день молодые и старые сотрудники лаборатории многое узнали о биочипах, о том, что они решают следующие задачи: во-первых, точная постановка диагноза, выявление новых подтипов заболевания, уточнение классификации; во-вторых, прогнозирование течения болезни и клинического исхода, выявление генов и сигнальных путей, вовлеченных в патогенез заболеваний; в-третьих, разработка и создание более простых, дешевых и универсальных диагностических тестов.

***

Бишкек. 2015 год. Лаборатория медико-биологических исследований. Четверг, вторая половина дня. Накануне состоялся ученый совет, на котором шеф – профессор Митин Олег Иванович изложил новый научный проект. Поскольку пока ни средств, ни материалов, ни дополнительных людей для осуществления программы исследований ожидать не приходится, генератор идеи предлагает выкроить время, материалы и силы из имеющихся в наличии. – Но так не осуществляется дерзновенный новый план! – наверняка думали многие сотрудники лаборатории.

И в это время, шеф просит: – Давайте попробуем, коллеги. Некоторые солидные сотрудники такое не выдержали и пошло-поехало. Во-первых, у нас нет необходимого оборудования и, вряд ли удастся в ближайшее время их раздобыть. Во-вторых, для того, чтобы разработать такой биочип, нужно работать лет десять, по крайней мере, и не с тем количеством сотрудников, которое у нас есть. В-третьих, чтобы разработать такую технологию, нужно заниматься им, и ничем другим, и еще неизвестно, получится ли что из этого. Между прочим, так не поступают и т. д. и т. п.

Ну, а что говорит профессор Серегин? Что может сказать он – его любимый ученик и соратник после того, как остальные высказались таким вот образом? Богов и любимых не выбирают. Они являются сами, и просто сами собой становятся богами и любимыми, кем кому надлежит.

– Сделаем. – Сказал Серегин.

Шеф, благодарный своему верному ученику, радуясь в душе, коротко и ясно завершил совет: – Значит, договорились! Вперед по коням!

Это было вчера, а сегодня Адыл – аспирант Митина и Саид – аспирант Серегина сидели в лаборатории в ожидании новых заданий на текущую неделю.

– Адыл. Ну как твое впечатление от услышанного на ученом совете? – спросил Саид.

– Знаешь, я многое не понял, шеф так сложно рассказывал. – Признался Адыл. – Я понял одно – биочипы представляют собой результат скрещивания «микросхемных» технологий с приёмами биохимического исследования. Ведь так?

– Отчасти да. – Ответил Саид. – Речь идет о скрещивании клетки и небиологической платформы – носителя одиночной спирали ДНК.

– Поясни! – Попросил Адыл.

– Ну, вот смотри. Получается в виде уникальной застёжки-липучки. Вот как у меня на куртке. То есть с одной стороны спираль ДНК, а на пластинке – ответная спираль ДНК. Интересующие клетки занимали свои позиции, соответствующие коду «ДНК-липучки».

– Ты знаешь Саид! Меня заинтриговал его новый научный проект по нанобиочипизации человека в целях гарантированного сохранения равновесия внутренней среды организма. Ты только представь, какой масштаб и какая амбициозная цель! Биочип возьмет на себя все функции по физиологическому и аварийному регулированию параметров гомеостаза.

– Ничего не скажешь – гениальная идея. – С восхищением сказал Саид. – Но, а как быть с головным мозгом – интегратором всех физиологических и патологических реакций всех органов и систем организма?

– Получается, что эти нанобиочипы будут функционировать, прежде всего, в качестве пусковых элементов для нормальной и патологической реакции, благодаря энзимного стимулирования многочисленных и разных по природе рецепторов, с помощью которых клетки, ткани, органы и системы могут «взаимообщаться» между собой. Мозгу предоставляется прямая его функция – мыслительная. Каково, а? – восхищался Адыл.

– Да, получается так! – согласился Саид. – Нанобиочип – это по сути интегрированная био-электро-химическая система, благодаря которой различные клетки и ткани начинают функционировать как единый организм, моделируя функции различных органов, групп органов и целых систем человеческого организма.

– Нельзя не согласиться с профессором Назаровым, который высказался нам после этого сообщения.

– И что он сказал? – спросил Саид.

– Назаров одновременно и восхищался и сомневался. Он так сказал: – Боже мой, на что замахнулся наш шеф! Для создания такого нанобиочипа-гомеорегулятора нужно промоделировать столько различных систем. И вообще, я сомневаюсь в том, что такая сложнейшая система, полностью моделирующая функционирование человеческого организма, будет создана когда-либо.

– А профессор Мансуров, наоборот, считает, что создание таких сложных систем возможно с технической и биотехнологической точки зрения. Но в отдаленном будущем. Не в нашем веке. – Сказал он.

– А заешь, что еще сказал Мансуров? – спросил Адыл.

– Наверное, как всегда – а что здесь удивительного? Об этом уже говорил, писал, сообщал тот или иной ученый. Его послушаешь обо всем уже известно и нечего пытаться предложить еще более оригинальное. – Усмехнулся Саид.

– В том то и дело, что не так. Мансуров сказал примерно так: – «Стимуляция человеческих клеток, тканей и органов на биочипе с максимально точным воссозданием микроархитектуры, функциональности и даже сбалансированную внутреннюю окружающую среду – это нечто великое свершение».

– Он так и сказал?

– Да! Вдобавок он сказал следующее: – Благодаря такого нанобиочипа, организм отрегулирует и нарастит «запас прочности» всех элементов и звеньев систем. Тем самым значительно снизится пределы устойчивости организма к факторам внешней среды. И знаешь, что он сказал в конце?

– Нет!

– Я поддерживаю этот проект и приложу все свои знания и энергию, чтобы добиться таких вот результатов.

– Мы сидели в кабинете шефа, когда к нему напросился профессор Муратов с какими-то предложениями по проекту. – Сказал Адыл. – Он с ходу предложил шефу не оттягивать время, а уже приступить к созданию междисциплинарных научных групп сразу по восьми системам, чтобы иметь возможность максимально точно симулировать физиологию всего тела сразу.

– А что ответил ему шеф?

– Постой, не торопи. Он также предложил приступить к конструированию автоматической системы управления и контроля, как потока жидкости, так и жизнеспособности клеток во время анализа множества параметров гомеостаза.

– Муратов, как всегда, нетерпеливый до жути.

– Кстати, он высказался и по поводу того, что на ученом совете шеф говорил сложно и запутанно, и надо было бы провести несколько научных семинаров, тем более в лаборатории есть молодые исследователи далеко не посвященные в ее деятельность.

– Вот это правда. Действительно. После ученого совета многие признавались о том, что было непонятна сама идея нового исследовательского проекта. Я вот уже неделю занимаюсь ликбезом по этой тематике и все равно у меня масса непонятных вопросов. Но то, что вычитал, впечатляет.

– Поделись! – попросил Саид.

– Вот, например, новая технология, предложенная учеными из Гарвардского университета, позволяет создать модели человеческих органов в виде чипов. Микрочипы созданы из человеческих клеток и тканей. Вот по такой технологии ученые уже создали «легкие» из человеческих легочных и капиллярных клеток.

– Как ты считаешь? Мне кажется очень перспективным проблема соединения нанобиочипов разных органов. Если верить авторам подобных разработок, такая комбинированная структура будет имитировать работу всего человеческого организма.

– Я был удивлен, когда узнал, что даже простейшие образцы нанобиочипов, способны интегрироваться в биологическую клетку, не нарушая ее естественную работу. – Признался Адыл.

– Вот-вот. Об этом писали испанские ученые из Национального центра микроэлектроники.

– Интересно то, что традиционно при «скрещивании» нанобиочипов и клеток электроника подключалась к нейронам при помощи электродов, либо клеточные культуры выращивались непосредственно на поверхности микросхем. Однако экспериментаторы перевернули прежние подходы с ног на голову и поместили нанобиочипы внутрь клеток.

– Это был эксперимент на животных или…? Ну, я имею в виду, кого использовали в качестве подопытных объектов? – спросил Саид.

– Были использованы клетки микроорганизма Dictyostelium и клетки человека. Материалом для инъекций послужили нанобиочипы из поликристаллического кремния поперечником от 1,5 до 3 микрометров и толщиной 0,5 мкм. – Пояснил Адыл.

– А ты слышал, что в США уже «выращивают» электронные датчики вместе с тканями человеческого тела? – спросил Саид. – Представляешь, что такая технология позволяет регенерировать собственные ткани организма.

– А в чем состоит суть самой идеи?

– Идея состоит в том, чтобы научиться выращивать ткани для пересадки и в конечном итоге – органы, которые организм не будет отторгать, а воспримет как свои собственные. Кроме того, искусственно выращенные ткани помогут решить проблему вечной нехватки донорских органов.

– Вот еще одна новинка. Мониторинг состояния пациентов доверят «электронной татуировке». – Сказал Адыл. – Ученые создали сверхтонкое электронное устройство, позволяющее контролировать показатели различных жизненно важных человеческих органов, включая мозг и сердце.

– А область их использования?

– Ее использование должно облегчить процесс постановки диагноза в сложных медицинских случаях, а также оказать помощь в наблюдении за пациентами.

– Оказывается, уже разработан «электронный обруч» сердца, который может предотвратить нарушение сердечного ритма, а также мозговой имплантат, способный исключить возможность возникновения припадков. – Восхитился Саид.

– А вот из области онкологии. – Сказал Адыл. – Немецкие инженера разработали сенсорный микрочип, который можно интегрировать вблизи опухоли в организме человека и отслеживать любые изменения, связанные с ней. Новый сенсорный микрочип сможет очень быстро указать на начавшейся рост опухоли в организме.

– А на чем основана такая метода?

– Очень просто. Устройство отслеживает уровень кислорода в соседних с опухолью тканях и определяет рост образования.

– Как мне кажется, наиболее близким к идее нашего шефа является то, что уже разработаны дистанционно управляемые микрочипы для введения жизненно необходимых лекарственных препаратов. Это может знаменовать появление в медицине новых терапевтических средств и подходов к лечению. – Сказал Саид.

– А практическая апробация была?

– В ходе клинического испытания ученые использовали программируемые имплантаты для инъекций лекарства от остеопороза – гормонального препарата терипаратид.

– Я как-то обратил внимание на статью с громким названием «Контрацептивы в виде таблеток, аборты – это уже вчерашний день». И знаешь о чем там говориться?

– И о чем же?

– Оказываются, уже разрабатываются управляемый беспроводным методом подкожный микрочип-резервуар, содержащий необходимое вещество.

– Надо же. Значит, женщинам репродуктивного возраста отныне не следует беспокоиться, что забеременеют нежелательной беременностью? Так, сказать микрочипы не позволят. Чем не революционный метод контроля рождаемости?! – воскликнул Саид.

– Как мне кажется, прямыми прототипами планируемого нами нанобиочипа являются все методы дистанционного контроля показателей состояния организма и регуляции подачи гормонов в любое время дня и ночи вне зависимости от желания и участия пациентов. – Высказал свое видение Адыл.

– Да, действительно, создание подкожного микрочипа, содержащего лекарство и управляемого дистанционно – это вторая революция в медицине. – Признавался Саид. – Значит, новая разработка будет выступать в качестве альтернативы посещению врача, анализам крови, МРТ и компьютерной томографии.

– Есть уже новые «интеллектуальные таблетки» размером с песчинку.

– Право, о них я не слышал. – Признался Адыл.

– Изобретение представляет собой крошечный электронный анализатор, способный передавать информацию о состоянии твоего организма на чип, который крепится к коже пластырем. Тот, в свою очередь, направит данные на твой компьютер или смартфон.

– И каковы возможности такой таблетки?

– «Умная» таблетка способна следить за частотой сердцебиения и дыхания пациента, фиксировать температуру его тела, а также вовремя напоминать о приеме лекарств.

– Надо же, действительно умная таблетка.

– Важная особенность изобретения состоит в том, что теперь врачи смогут получать информацию о реакции организма на различные препараты практически в режиме реального времени и столь же быстро реагировать на изменения.

В этот день, не только Адыл и Саид, но и все сотрудники лаборатории, наверняка, думали о том, что же будет дальше? Если однажды возникшая мысль не забудется в течение ближайших двух-трех недель, то она приведет к новым совещаниям, диспутам, дискуссиям. Идея отшлифуется, примет надлежащий вид и тогда она примет под свое покровительство всех – и молодых и старых сотрудников, даруя им творческую свободу, ставя перед ними конкретные и посильные задания. Вот тогда снова равновесие в лаборатории восстанавливается, каждый – старый и молодой исследователь впрягается в общую упряжку. Вот так осуществляется любая научная идея. Так было и с разработкой нанобиочипа-гомеорегулятора.

***

Бишкек. 2015 год. Лаборатория медико-биологических исследований. Среда, первая половина дня. В зале собралось человек пятьдесят. В основном сотрудник лаборатории, студенты кружковцы, аспиранты и соискатели. Семинар, посвященный технологии создания нанобиочипов, вел профессор Серегин. Вначале, как пожелали молодые сотрудники, он рассказал о сути биочипов.

– Несколько десятилетий назад были созданы электронные микросхемы, или микрочипы, которые позволили построить первые персональные компьютеры, совершившие настоящий переворот в науке. И вот нечто подобное происходит сейчас в биологии и медицине с появлением биочипов – крохотных пластинок с множеством индикаторов из молекул ДНК, белков и других веществ, которые открывают фантастические возможности для развития различных отраслей науки и практики.

– Аркадий Николаевич. Если можно поясните, что изображено на этом слайде. Я, например, вижу включение, напоминающую мышь. Это и есть биочип? – спросила Айгуль – младший научный сотрудник.

Серегин внимательно посмотрел на слайд. – Да, действительно, биочип представлен на рисунке в виде мыши. Но это так, образно. – Сказал он. – Биочип представляет собой набор фиксированных на стеклянной пластинке сотен и тысяч «микропробирок», точнее гелевых капель, объемом в одну миллионную миллилитра. Каждая из них заполнена своим реактивом-анализатором. На биочип наносят исследуемый материал. В тех пробирках, где произошло взаимодействие реактива с препаратом, возникает специфическое свечение.

– А теперь прошу обратить внимание на этот этап. – Сказал Серегин, указывая на слайд, где отражено компьютерное звено. – Итак, свечения обрабатывается компьютером. По расположению светящихся ячеек и можно судить о том, что представляет собой исследуемый препарат. Это дает в руки врачей быстрый, надежный и дешевый способ диагностики и обследования больного, позволяет им практически безошибочно прогнозировать результаты лечения.

– Какова общемировая тенденция в развитии биочипов? – спросила Айгуль.

– Сейчас в мире биочипами занимается более пятидесяти фирм. Одна из них – транснациональная научная компания «Нанобиотехтраст», созданная братьями Темировыми. Кстати, они наши земляки. – Упомянул Серегин и продолжил:

– Эта техника стремительно развивается, и рынок биочипов оценивается в десятки миллиардов долларов. Создание биочипов и на их базе биологических компьютеров позволит биологам не только обрабатывать имеющуюся информацию, но и получать совершенно новую. Например, сейчас фирма «Affymetrix» создала биочипы, которые позволяют изучать активность всех генов человека. То есть, создав генетический портрет индивида, можно понять, какой ген на что влияет.

– Недавно в журнале «Roche» прочитал о том, что одноименный швейцарский фармакологический концерн начал поставку первого в мире биочипа, с помощью которого врач может заранее определить, насколько эффективным будет тот или иной препарат для данного пациента. – Сказал Касымов.

– Как вы знаете, до сих пор при назначении лекарств, врачи вынуждены были действовать практически вслепую, методом проб и ошибок. Я считаю, что использование биочипов значительно снизит этот печальный итог. – Сказал он.

Серегин с пафосом сказал: – Техника биочипов развивается экспоненциально. Эта золотая жила! Наша задача – сделать совершенно новый нанобиочип в задачу которого входит регуляция параметров гомеостаза.

Не менее интересным было сообщение Рахимова. – Сейчас в мире разработаны различные методики проведения анализа на биочипах на основе нанотехнологии и наноматериалов. Одним из таких приборов является Evidence в различных проекциях – автоматические и полуавтоматические анализаторы.

– А такие анализаторы у нас будут? – не то с иронией, не то с сомнением спросил Касымов.

– Не сомневайтесь! Будут! – категорично ответил Серегин вместо него.

Рахимов продолжил: – Вы только подумайте, на этих анализаторах осуществляется возможность проведения анализов до 3600 тестов за 1 час, при программном обеспечении, контролирующем работу всей системы от обслуживания и оценки достоверности калибровки до определения профиля тестируемых образцов. С этой целью разработаны мультианалитные калибраторы, мультиконтрольные наборы и реагенты. В связи с этим, у меня возник вопрос: сумеем ли мы достать такие приборы и реактивы? – спросил он, обращаясь к Серегину.

– Сумеем! – сказал Серегин и пояснил. – Составлен многомиллионный контракт с «Нанобиотехтраст». В договоре указано, что необходимое оборудование и материалы входят в план материально-технического обеспечения.

– Я бы хотел обратить ваше внимание на то, что панели определения аналитов для всех приборов достаточно широки: от гормонов до молекул цитокинов, которые, кстати, функционируют как сигнальные молекулы, регулирующие клетки иммунной системы, обладают аутокринной, эндокринной и паракринной функциями, – пояснил Салимов, перечислив и преимущества биочиповой технологии, – во-первых, одна система детекции для чипов определения белков и ДНК; во-вторых, мультиплексное исследование: один образец – множество результатов; в-третьих, широкий выбор панелей; в-четвертых, бар-код калибраторов и качественный контрольный материал.