Основные задачи, которые изучает системная биология |
|
Системная биология изучает целостное описание всех клеточных функций |
|
Целостный функциональный анализ: |
|
индуктивный путь |
метаболические сети |
|
регуляторные сети |
Связь между модулями |
сигнальные сети |
|
|
Модули компонентов |
дедуктивный путь |
Анализ отдельных компонентов |
|
Биологические науки |
|
Термины и экспериментальные методы |
|
Термин |
Анализ количественных данных |
Методы |
Метаболом |
Метаболиты |
Роботизированная быстрая хроматография – |
|
|
масс-спектроскопия с изотопным мечением (15N, 13C), |
|
|
ЯМР высокого разрешения растворов |
|
|
сложного состава, фурье-спектроскопия) |
Геном |
Последовательности и функции генов |
Определение нуклеотидных последовательностей, |
|
|
нокаут гена |
Транскриптом |
Реакции образования мРНК |
Изучение профилей экспрессии с кДНК-чипами |
Протеом |
Реакции синтеза белков |
Двумерный гель-электрофорез или капиллярный |
|
и их модификация |
электрофорез, MALDI-TOF или масс-спектроскопия |
|
|
с электроспреем |
Интерактом |
Различные белок–белковые |
Двуцепочечные гибридные системы, атомно-силовая |
|
взаимодействия |
микроскопия, флуоресцентная спектроскопия (FRET) |
|
|
|
Сигнальные сети
Передача сигнала фактора роста TGF-β
в животной клетке по результатам анализа 553 реакций и 561 пула. Большинство пулов состоят из белков или ферментов, которые активируются фосфорилированием
Красные точки – стадии реакции,
синие – пулы
|
|
|
|
|
1,20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,00 |
|
|
|
|
|
0,5 |
|
|
|
|
|
|
|
10 |
20 |
30 |
|
10 |
20 |
30 |
|
10 |
20 |
30 |
|
|||||
|
0 |
0 |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,7 |
|
|
|
|
|
0,0 |
|
|
|
|
|
|
|
10 |
20 |
30 |
|
10 |
20 |
30 |
|
10 |
20 |
30 |
|
|||||
|
0 |
0 |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
1,0 |
|
|
|
|
|
0,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
10 |
20 |
30 |
|
10 |
20 |
30 |
|
10 |
20 |
30 |
|
|||||
|
0 |
0 |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
0,95 |
|
|
|
|
|
13 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,85 |
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,75 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
10 |
20 |
30 |
|
10 |
20 |
30 |
|
10 |
20 |
30 |
|
|||||
|
0 |
0 |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На компьютере происходит моделирование во времени выборочных стадий (по оси ординат – концентрация,
по оси абсцисс – время)
281
Когда стали использовать нефть? |
|
Концепция биопереработки |
|
|||||||
|
|
|
|
Продукты питания, |
|
|
|
|||
|
|
|
|
произведенные |
|
|
|
|||
|
|
|
|
в пищевой |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
промышленности |
|
|
|
|||
|
|
|
|
Корма для животных |
|
|
|
|||
|
|
|
|
Лекарственные |
Возобновляемые |
|
||||
|
|
|
|
ресурсы |
|
|||||
|
|
|
|
препараты |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
растительного |
|
|
|
|
||
нефти |
|
|
|
происхождения |
|
|
|
|||
|
|
|
Натуральные |
|
|
|
|
|||
|
|
|
продукты |
|
|
|
|
|
||
Потребление |
|
|
|
|
|
|
• масла и чернила |
|
||
|
|
|
|
|
|
• краски, пигменты и лаки |
|
|||
|
|
|
Био- |
|
|
• моющие и чистящие |
|
|||
|
|
|
|
|
средства |
|
|
|
||
|
|
|
материалы |
|
|
|
||||
|
|
|
• технический клей |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
• биополимеры и пленки |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
• композитные материалы |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
твердые вещества: |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
торфяной кокс, лигнин, |
|
||
|
|
|
|
Топливо, |
|
рисовая солома |
|
|
||
|
|
|
|
|
жидкости: этанол, |
|
||||
|
|
|
|
энерго- |
|
|
||||
|
|
|
|
носители |
|
метанол, высшие спирты |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
газы: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
синтез-газ, метан, водород |
|
||
0 |
1000 |
|
2000 г. |
|
|
|
• активированный уголь |
|
||
|
Летоисчисление |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
• присадки к топливам |
|
||
Водородные технологии |
|
|
|
|
|
• фенолы и фурфурол |
|
|||
|
|
|
|
Биохими- |
|
• специальные реактивы |
|
|||
Электролиз |
|
|
|
|
• жирные кислоты, |
|
||||
|
|
|
ческие |
|
уксусная кислота |
|
||||
воды |
|
|
|
реагенты |
|
|
||||
|
|
|
|
• промышленные |
|
|||||
|
Топливный элемент |
|
|
|
поверхностно-активные |
|
||||
Очистка |
|
|
|
вещества |
|
|
|
|||
Электроэнергия |
|
|
|
• агрохимикаты |
|
|
||||
природного |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
газа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Анаэробная |
Водород |
|
Воздух/кислород |
|
|
|
|
|
|
|
ферментация |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
(или метан) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Фотобактерии |
|
|
Полезное тепло |
|
|
|
|
|
|
|
и водоросли, |
|
|
Предприятие Cargill Plant в Блэре, Небраска. |
|
||||||
|
|
|
|
|||||||
свет |
|
|
|
|
||||||
|
|
Холодная |
Этот комплекс биопереработки производит |
|
||||||
|
|
|
|
|||||||
Изолированные |
|
|
вода |
изоглюкозу, этанол, молочную и 3-гидрокси- |
|
|||||
гидрогеназы, |
Анод |
Катод |
пропановую кислоты и другие химикаты |
|
||||||
из возобновляемых природных ресурсов |
|
|||||||||
свет |
|
|||||||||
|
Электролит |
(кукурузы и сои). |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||||
Технология индиго: экоэффективность |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Энергопотребление |
|
среду |
0,4 |
|
|
|
высокая |
|
||
Порошок |
1,0 |
Электрохимический |
|
|
экоэффективность |
|
||||
|
Нагрузка на окружающую (нормированная) |
|
|
электрохимический |
|
|||||
из высушенных |
|
|
|
|
||||||
растений |
|
синтез, раствор |
|
|
синтез, |
|
||||
0,5 |
|
|
|
|
|
|||||
Потребление |
|
|
|
|
раствор |
|
|
|||
|
|
Выбросы |
1,0 |
|
биопроцесс, |
|
|
|
||
материалов |
|
|
гранулированный |
|
синтез, |
|
||||
|
0,0 |
|
Химический синтез, |
|
|
продукт |
|
|
||
Химический |
|
гранулированный |
|
|
|
гранули- |
|
|||
|
|
продукт |
|
растительный |
рованный |
|
||||
синтез, |
|
|
|
|
продукт |
|
||||
|
|
Биопроцесс, |
|
экстракт |
|
|
||||
40%-й |
|
|
|
низкая |
|
|
|
|||
раствор |
|
|
гранулированный |
|
|
|
|
|||
|
|
|
продукт |
1,6 |
экоэффективность |
|
0,4 |
|
||
Риски |
|
Токсичность |
|
1,6 |
1,0 |
|
|
|||
|
|
Общие затраты (нормированные) |
283 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
аспекты |
Техника безопасности при проведении |
||
генно-инженерных манипуляций |
|
||
ВВЕДЕНИЕ. Высокий уровень квалификации персо- |
ДОКУМЕНТАЦИЯ. О проведении генно-инженерных |
||
экономические |
нала, соблюдение техники безопасности, грамотная |
работ должны быть своевременно информированы |
|
реносимых генов, особенностями используемого |
стадии генно-инженерных работ должны быть под- |
||
|
оценка рисков и подробная документация всех ста- |
соответствующие службы научно-исследовательско- |
|
|
дий работы – все это позволяет минимизировать |
го института или предприятия. В Германии необходи- |
|
|
риски при генно-инженерных манипуляциях. В слу- |
мо получить специальное разрешение на работы, на- |
|
|
чае биологических исследований особенно важно |
чиная с уровня S2. Уровень риска планируемых работ |
|
|
оценить действительно ожидаемые риски при про- |
устанавливает Центральная комиссия по биологиче- |
|
|
водимых работах, что определяется свойствами пе- |
ской безопасности при Институте Роберта Коха. Все |
|
и |
вектора и организма-хозяина. Очень важно учиты- |
робно описаны в протоколах. Для работ уровня S1 |
|
этические |
катастроф, связанных с биологическими исследо- |
мых в работе организмов, в) патогенными свойства- |
|
|
вать экологические последствия попадания транс- |
срок хранения протоколов – 10 лет, а для работ бо- |
|
|
генных организмов в природную среду. Во всех раз- |
лее высокого уровня риска – 30 лет. |
|
|
витых странах действуют законодательные акты, |
БИОЛОГИЧЕСКИЙ РИСК определяется а) опасностью |
|
|
направленные на предотвращение экологических |
исследуемого продукта, б) патогенностью используе- |
|
безопасности, |
ваниями. Так, в странах ЕС принят закон о генно-ин- |
ми использованного вектора (если таковой имеется). |
|
женерных исследованиях, который заложил основы |
Таким образом, биологические риски оцениваются |
||
|
|||
|
национальных программ. В США законодательную |
суммой отдельных показателей. Большинство стран |
|
|
силу имеют директивы Национального института |
в этом вопросе придерживается директив NIH, сог- |
|
|
здравоохранения (NIH). |
ласно которым выделяют четыре уровня опасности |
|
|
КВАЛИФИКАЦИЯ ПЕРСОНАЛА. Все сотрудники, уча- |
биологических работ для здоровья человека и окру- |
|
|
ствующие в генно-инженерных исследованиях, долж- |
жающей среды: |
|
Техника |
ны обладать соответствующей профессиональной |
S1 – отсутствие риска, |
|
подготовкой и строго соблюдать технику безопасно- |
S2 – малый риск, |
||
|
|||
|
сти. Руководить генно-инженерными работами, быть |
S3 – средний риск, |
|
|
ответственным за соблюдение техники безопасности |
S4 – высокий риск (установленный или предполагае- |
|
|
и составлять отчеты о проведенных работах может |
мый; например, ситуация, когда используются пато- |
|
|
только высококвалифицированный специалист в |
генные организмы с целью изучения методов лече- |
|
|
должности руководителя проекта. |
ния инфекционных заболеваний и в других случаях). |
|
|
ТРЕБОВАНИЯ К ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТЫ. Лаборато- |
БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИСКИ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ. Трансген- |
|
|
рии, в которых планируется проведение генно-инже- |
ные животные, растения и микроорганизмы, которые |
|
|
нерных работ, должны быть проинспектированы |
были применены, например, при очистке сточных |
|
|
специальным уполномоченным. На входе в эти поме- |
вод, при попадании в окружающую среду могут вы- |
|
|
щения обязательно размещение соответствующих |
звать экологические последствия. Поэтому исполь- |
|
|
табличек с указанием, что доступ туда ограничен. |
зование ГМО-организмов в природе пока не продви- |
|
|
Дополнительные инженерные конструкции и другие |
нулось дальше обсуждения. Тем не менее в США и в |
|
|
материальные средства в этих лабораториях (напри- |
Канаде многие трансгенные растения разрешены для |
|
|
мер, вытяжные шкафы, дополнительные средства |
высадки в открытый грунт, но в странах ЕС и в Японии |
|
|
дезинфекции) устанавливаются в зависимости от |
эти работы находятся под очень строгим контролем. |
|
|
уровня опасности проводимых работ (уровни S1–S4). |
На использование рекомбинантных микроорганизмов |
|
|
По окончании исследований ГМО-организмы подле- |
в природных условиях в США, странах ЕС и Японии |
|
|
жат обязательному уничтожению. Уровень системы |
объявлен мораторий. |
|
|
контроля сточных вод, воздушных выбросов и твер- |
|
|
|
дых отходов также зависит от рисков при проводи- |
|
|
|
мых работах. Все сотрудники, принимающие участие |
|
|
|
в экспериментах, начиная с уровня S2, должны регу- |
|
|
|
лярно проходить медицинское обследование. Обла- |
|
|
|
сти использования генетически модифицированных |
|
|
|
организмов (ГМО) строго ограничены. Во многих |
|
|
|
странах для проведения исследований, начиная с |
|
|
|
уровня S2, требуется специальное разрешение на эти |
|
|
|
работы, для получения которого необходимо пред- |
|
|
284 |
ставить подробное описание планируемых работ и |
|
|
обосновать их цель. |
|
||
Организация лаборатории, в которой проводятся |
|
||
генно-инженерные работы, уровня S1 и S2 |
|
||
|
|
Вход в помеще- |
|
|
|
ние (отмечен |
|
|
|
соответствую- |
|
Окно |
Загрязненные |
щим символом) |
|
твердые |
Двери |
||
(закрыто |
|||
отходы |
|||
во время |
(закрыты |
||
|
|||
проведения |
Загрязненные |
во время |
|
работ) |
проведения |
||
|
стоки |
работ) |
|
|
|
Раковина |
|
|
Обезвреживание отходов |
Стоки |
|
|
|
||
|
(в помещении |
Твердые отходы |
|
|
или централизованно) |
||
|
|
||
|
|
Автоклав |
|
|
Вытяжной шкаф по |
(в помещении |
|
|
или централи- |
||
|
стандарту класса I или II |
зованно) |
|
Организация отдела на промышленном предприятии |
|
||
где проводятся генно-инженерные работы уровня S1 и S2 |
|
||
|
|
|
|
Приток |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
воздуха |
|
|
|
Отработанный |
|
На обработку |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
воздух |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вход в помеще- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Средства |
|
|
|
|
|
|
|
|
ние (отмечен |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фильтры тонкой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
соответствую- |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
Инокулят |
|
|
|
очистки или |
|
|
|
|
|
дезинфекции |
|
|
|
|
|
|
щим символом) |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
фильтры* высокой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
Окно |
|
|
|
эффективности |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отделение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
Уплотнитель- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
клеток: закры- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
ное кольцо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тый резервуар, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Раковина, |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
который можно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
подвергнуть |
|
|
Твердые отходы |
|
|
|
|
|
|
|
|
средства |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дезинфицирую- |
|
|
|
|
Стоки |
|
|
|
|
|
|
|
дезинфекции |
|||||||||||||||
|
|
|
Вентиль |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
щей обработке |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
для |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стоки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стоки |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
отбора |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Инактивация |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
контроль- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Твердые отходы |
|||||||||
|
|
ных проб |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сбор и сте- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Улавливающее устройство |
рилизация |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Автоклав |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
Отвод воздуха |
|
Вытяжные устройства, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(S1: центра- |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
из помещения |
|
соответствующие стан- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лизованная |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
Твердые |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
без фильтра |
|
дартам класса I или II |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стерилизация) |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
отходы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
* или стерилизация воздуха нагреванием |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
Оценка риска при использовании ГМО-организмов
|
Риск для человека |
Примеры |
|
и окружающей |
|
|
среды |
|
S1 |
Отсутствует |
Лабораторные штаммы Escherichia coli, дрожжей, |
|
|
трансгенные растения и животные |
S2 |
Малый |
Некоторые штаммы Pseudomonas, Xanthomonas |
S3 |
Средний |
Mycobacterium tuberculosis, вирусы растений, вирус гепатита |
S4 |
Высокий |
Опасные патогенные микроорганизмы, вирусы Эбола, Ласса |
285