Журнал общей биологии, 2023, T. 84, № 3, стр. 195-214

ФАКТОРЫ И МАСШТАБ РАЗВИТИЯ МОРСКОГО БИОПРОСПЕКТИНГА

По нашему мнению, первичной причиной, вызвавшей бурное развитие морского биопроспектинга, явилось почти одновременное исчерпание ресурсной базы и технологических идей в фармацевтическом бизнесе. В частности, антибиотики, продуцентами которых являлись почвенные микроорганизмы, постепенно перестали быть эффективными ингибиторами патогенов (Орлова и др., 2015). Также можно отметить, что до 1980-х годов разработка новых препаратов велась путем проб и ошибок, где часто применялась химическая модификация активных молекул, воздействующих на цель (белок). Такой подход существенно ограничивал прорывы на мировом рынке. Подтверждением этого факта является статистика, приведенная Ньюманом и соавт. (Newman et al., 2003) за 1981–2002 гг., согласно которой препараты, получаемые из морских организмов, были единичны. Однако уже в этот период начинает формироваться представление о ценности морских продуктов для фармацевтики (Ireland et al., 1993). Необходимость ускорения разработки теоретических и практических принципов эксплуатации биологических ресурсов Мирового океана как нового гигантского источника биологически активных и вспомогательных веществ для фармакологии и фармацевтики способствовала проведению 1-й Международной конференции по проблеме использования морских организмов для фармацевтики “Drugs from the Sea” уже в 1977 г.

Во второй половине 90-х годов XX века начала формироваться первая волна биотехнологических препаратов (Scannell et al., 2012). Именно в этот период в ведущих странах мира стала складываться новая инфраструктура инноваций, в которой начальные исследования и первичная разработка биологически активных соединений (в иностранной литературе часто используется изначально техногенный термин “compound”) стали проводиться в научных учреждениях с последующим приобретением удачных решений крупными фармацевтическими компаниями. Такая концепция, получившая название “открытые инновации” (open innovation), открыла ворота новым игрокам, что незамедлительно выразилось во всплеске новых идей и направлений науки, в том числе и морского биопроспектинга.

Однако, по нашему мнению, внутренние причины и проблемы развития фармацевтической индустрии не могли в полной мере обеспечить динамичный старт морского биопроспектинга. Немаловажное значение имело также развитие отдельных дисциплин биологического направления: геномики, биоинформатики. Так, успех геномики – расшифровка генома человека, завершившаяся в 2012 г., – дал начало мощному развитию методов секвенирования и биостатистики – ключевых методов, используемых в биопроспектинге. Выделившееся в начале 2000-х годов из геномики новое направление – метагеномика – также сыграло большую роль в развитии биопроспектинга, усилив мощь методологии поиска.

Исходя из формальных правил периодизации – поиска ключевых дат открытий и событий, наиболее оправданным ключевым событием начала первого этапа биоразведки следует считать открытие пенициллина в 1928 г. (Diggins, 1999), а расшифровку гена белка оболочки РНК-вируса-бактериофага MS2 в 1972 г. (Min Jou et al., 1972) – началом второго периода. В области молекулярной биологии развитию биопроспектинга способствовало получение в 1986 г. фермента ДНК-полимеразы из термофильного микроорганизма Thermus aquaticus, найденного в гидротермальных источниках (Brock, Freeze, 1969). Taq-полимераза этого организма значительно улучшила метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), который используется в секвенировании ДНК – ключевом процессе лабораторной фазы биопроспектинга (Innis et al., 1988). Началом периода качественного рывка и оформления биопроспектинга как инструмента и отправной точкой третьего этапа следует считать 2003 г., когда метод секвенирования позволил прочитать геном человека (Wenter, 2003). В целом, появление и развитие биопроспектинга как части процесса биоинженерии укладывается в концепцию технологической периодизации (Садовничий и др., 2012), в которой 6-й технологической уклад начал развиваться с 2010 г. (табл. 1).

Таким образом, исследуя явление биопроспектинга, становится очевидным: этот процесс не только пронизан научной идеологией, но и имеет существенное сопряжение с развитием индустрии и глобальными социальными процессами.

Временной период начала бурного развития морского биопроспектинга характеризует и год основания (2003 г.) одного из самых известных журналов, публикующих успехи по данному направлению – “Marine Drugs”.

Анализ публикационной активности по теме биопроспектинга (использование в качестве поискового ключевого слова в аннотации к статье) показывает, что в исследования по данной теме вовлечены ученые многих стран, из которых наиболее активными являются США, Китай, Индия, Бразилия, Индонезия, Иран. Интерес ученых различных стран к биопроспектингу может характеризовать показатель числа скачиваний одной из наиболее известных книг по данной теме начала текущего столетия – “Marine Biotechnology in the Twenty-First Century: Problems, Promise, and Products” (National Research…, 2002) (рис. 1).

Рис. 1.

Число скачиваний цифровой версии книги “Marine Biotechnology in the Twenty-First Century: Problems, Promise, and Products” (National Research…, 2002) по странам (по данным сайта National Academia Press, https://nap.nationalacademies.org/catalog/10340/marine-biotechnology-in-the-twenty-first-century-problems-promise-and; дата обращения: 02.08.2022).

Сравнение публикационной активности по теме морского биопроспектинга ведущих научных издательств мира в последние два десятилетия показывает взрывной рост работ (табл. 2). При этом важно отметить значительную научную активность таких стран, как Индия и Китай.

Полученные данные о публикационной активности в период с 2000 г. указывают на значительное расширение масштабов морского биопроспектинга, поистине позволяя говорить о феномене этого процесса.

ПРОСТРАНСТВО И ОБЪЕКТЫ МОРСКОГО БИОПРОСПЕКТИНГА

Биопроспектинг ведется практически во всех широтных зонах, работы организуются в тех районах, где имеется возможность нахождения уникальных организмов. Наиболее перспективными районами для него можно с уверенностью назвать экваториальный и тропический пояс, моря которых характеризуются колоссальным многообразием видов, в особенности рифовые и прибрежные районы. Арктика и Антарктика представляют интерес из-за уникальных стенотермных организмов, например психрофильных бактерий (Rizzo, Lo Giudice, 2020). Ферменты этих организмов характеризуются повышенной молекулярной гибкостью, высокой каталитической эффективностью и сниженной термостабильностью (Feller, Gerday, 2003). Канадскими учеными исследуются бактерии грунтов залива Фанди, известного максимальной амплитудой приливно-отливного цикла (Duncan et al., 2014). Внушительный объем неизведанных адаптаций и свойств характерен для бактерий, ассоциированных с поверхностью морских организмов (Penesyan et al., 2010) и имеющих перспективу для биопроспектинга. Глубоководная зона Мирового океана – еще один район с экстремальными условиями обитания организмов. В условиях высокого давления, низких температур и отсутствия света ряд адаптаций глубоководных организмов привлекает внимание специалистов, работающих на энергетику и химическую промышленность (Haefner, 2003; Synnes, 2007). Также в глубоководной зоне существуют организмы, обитающие в местах выхода гидротермальных вод, – еще одна группа объектов, вызывающих интерес у научного сообщества. Тенденции в создании новых продуктов морского биопроспектинга отчетливо указывают на постепенное увеличение доли публикаций, связанных с глубоководными ресурсами (Harden-Davies, 2016).

Больший интерес для биоразведки представляет бентос, включающий по некоторым оценкам свыше 1 млн видов (Lalli, Parsons, 1997). Среди бентосных форм исследователей привлекают губки и актинии, обладающие колоссальным разнообразием (Capon, 2001), и на которые приходится более 50% исследований. Важнейшим свойством этих бентосных организмов является создание внутри тела уникальных и устойчивых бактериальных сообществ (Santos-Gandelman, 2014), которые на 2–4 порядка превосходят по разнообразию таковые в окружающей среде. Губки становятся концентраторами уникальных бактерий, делая их мишенями для поиска важных свойств.

Планктон и нектонные головоногие моллюски интересны для биопроспектинга с точки зрения не только нахождения биоактивных молекул, но и особенностей и функций организмов (Abida et al., 2013; Sudarshan et al., 2021). Рыбы представляют интерес как источники полезных свойств ферментных систем и ядов (Smith, Wheeler, 2006). Перспективу изучения химических свойств защитной оболочки имеет икра моллюсков и полихет (Benkendorff et al., 2001).

Важным свойством морских водорослей является их ассоциация с бактериями и создание микробиомов (Kubanek et al., 2003; Egan et al., 2013; Singh, Reddy, 2014), способных оказывать антибактериальное влияние на патогенные микроорганизмы.

Однако наибольшие успехи биопроспектинга для фармацевтической индустрии связаны с бактериями, их ферментными системами, их первичными и даже больше вторичными метаболитами. Среди морских бактерий выделяют группу под общим названием “экстремофилы”. Первое упоминание о них приходится на середину 90-х годов прошлого столетия, примерно в это же время был учрежден научный журнал “Extremophiles”. Группа объединяет семейства бактерий, способных обитать в крайне экстремальных условиях: при высокой солености (галофилы), крайне низкой и высокой температуре (соответственно психрофилы и термофилы), в сильно кислотной или, наоборот, щелочной среде (соответственно алкалифилы и ацидофилы), при высокой концентрации тяжелых металлов (металлофилы). Уникальные свойства ферментов этой группы организмов особенно востребованы для индустриальных технологий, условия прохождения процессов создания продукта в которых зачастую экстремальны. Кроме того, исключительные свойства метаболитов и ферментов таких организмов представляют интерес сразу в нескольких направлениях. Так, психрофильные бактерии рассматриваются одновременно для индустриальных целей и биотехнологического применения (Kumari et al., 2021), а структурная характеристика липополисахарида (ЛПС) экстремофилов имеет важное значение для биомедицинского и терапевтического применения (Lorenzo et al., 2017).

Развитие исследований экстремофилов привело к выделению новой группы бактерий – полиэкстремофилов, обладающих двумя и более ценными свойствами. Помимо того, что эти организмы являются одними из лучших моделей для изучения адаптивных механизмов, приводящих к стрессоустойчивости, информация, полученная от них, может быть использована для биоинженерии других лабильных ферментов и промышленных циклов (Sysoev et al., 2021).

Среди микроорганизмов-продуцентов актинобактерии по количеству синтезируемых ими соединений занимают первое место (Raja, Prabakarana, 2011). Так, в актиномицетах в период 2003–2005 гг. было обнаружено более 20 молекул с биоактивными свойствами (Lam, 2006). Возможности этой группы бактерий, особенно морских (Bull et al., 2005), как продуцентов новых биологически активных веществ далеко не исчерпаны и обладают колоссальной научной ценностью (Chen et al., 2021). Подводя итог данному разделу, деятельное пространство морского биопроспектинга можно изобразить следующей схемой (рис. 2).

Рис. 2.

Уровни и объекты морского биопроспектинга.

ОСНОВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ МОРСКОГО БИОПРОСПЕКТИНГА – ПОИСК ЭФФЕКТИВНЫХ БИОМОЛЕКУЛ ДЛЯ ФАРМАЦЕВТИКИ И КОСМЕТОЛОГИИ

Убедительной иллюстрацией зарождавшегося мейнстрима стал симпозиум “Морская биотехнология: основы и приложения” (“Marine Biotechnology: Basics and Applications”), прошедший в 2003 г. в Испании. На специальной сессии участникам конференции были заданы два вопроса: “Какое развитие в области морской биотехнологии является наиболее желательным?” и “Каким представляется наиболее впечатляющее развитие в этой области в ваших “самых смелых мечтах”?”. Наиболее важной проблемой участники признали здоровье человека (Tramper et al., 2003).

В научном мире признается, что наиболее перспективным источником новых лекарств остаются природные соединения (“natural products”) (Fenical, Jensen, 2006). Этот тезис объясняется особенностями развития фармакологии и наук, способствующих ее развитию. В частности, прогресс комбинаторной химии привел к созданию на рубеже тысячелетий обширных коллекций веществ – комбинаторных библиотек, а автоматизация и информатизация способствовали созданию платформ для тотального развернутого скрининга, когда огромное количество соединений тестируется в отношении множества биологических эффектов. Соответственно, этот процесс способствовал поиску биологически активных веществ в таких коллекциях (Головко и др., 2012), а при отсутствии искомых соединений – развитию конкретных задач биопроспектинга в природе.

Так, в результате исследования морских губок были открыты алкалоиды, обладающие противомикробным действием, а позже также из губок получены цитотоксические макролиды и производные аминокислот. Новые исследования показывают, что цитотоксические алкалоиды имеются у представителей многих родов губок, что открывает широчайшее поле для поиска природных соединений (Elissawy et al., 2021). Алкалоиды из губок, которые в низких концентрациях индуцируют апоптоз в опухолевых клетках и останавливают клеточное деление (например, ааптамин), представляют огромный интерес как потенциальные противоопухолевые агенты (Макарьева и др., 2014; Nadar et al., 2022). Уникальный ароматический стероидный метаболит – цинантренол, обнаруженный у губки р. Cinachyrella, очевидно, обладает сильной эстрогенной активностью (Machida et al., 2014).

При изучении метаболитов иглокожих (голотурий) особое внимание уделяется стероидным соединениям – сапонинам, имеющим у этого класса беспозвоночных весьма высокое разнообразие. Некоторые из сапонинов баренцевоморского вида Cucumaria frondosa, очевидно, имеют противораковые свойства, а тритерпеновые гликозиды C. japonica проявляют радиопротекторные свойства (Hossain et al., 2020; Kamyab et al., 2020). Анализ тритерпеновых гликозидов голотурий (Kalinin et al., 2021) указывает на необходимость дальнейших детальных исследований их структуры и функций, моделирования возможных механизмов мембранотропного действия этого класса природных соединений.

Много лет интерес ученых привлекают свойства хитина – наиболее распространенного среди беспозвоночных полисахарида. Исследования кальцифицированного скелета членистоногих потенциально могут обеспечить разработку готовых остеоиндуктивных молекул, а также структурных матричных материалов для тканевой инженерии опорно-двигательного аппарата, которые в силах потенциально заменить и расширить использование некоторых рекомбинантных факторов роста и молекул внеклеточного матрикса человека (Green et al., 2013).

Отдельным направлением исследований являются антибактериальные и антивирусные свойства гемолимфы донных беспозвоночных (Haug et al., 2002; Casas et al., 2011). Актинии стали привлекать внимание ученых, занятых исследованием нейротоксинов (Urbarova et al., 2012). Изучение конусообразных моллюсков сем. Conidae показало, что их яд состоит из более чем тысячи коротких, небольших, дисульфид-содержащих пептидов и потенциально нацелен на ионные каналы или другие ключевые мембранные рецепторы с исключительной эффективностью и селективностью (Dutertre, Lewis, 2010).

Больше внимания в последнее время стало уделяться головоногим моллюскам (осьминоги, кальмары, каракатицы), некоторые из которых (например, двужаберные Coleoidea) имеют малоизвестные белковые токсины, вырабатываемые слюнными железами и обладающие иммобилизующими свойствами (Gonçalves, Costa, 2021).

Метаболиты морских водорослей: цимопол, аврааминол и фрагиламид – продемонстрировали сильную антиоксидантную активность (Takamatsu et al., 2003), а наличие в них терпеноидов раскрывает широкий спектр применения от фармацевтики до биотоплива (Leal et al., 2012b). Отмечается, что терпеноиды являются наиболее частыми целями биопроспектинга в Арктике и Антарктике (Núñez-Pons et al., 2020).

Открытия морского биопроспектинга активно используются в косметической промышленности. В ряде продуктов косметики используется внеклеточный экстракт из мягких кораллов Pseudopterogorgia elisabethae (Gorgoniidae). Ряд продуктов этой отрасли содержит гликопротеины нового штамма бактерии Pseudoalteromonas sp., полученного в антарктических водах. Биопоиск новых функциональных биоактивных веществ из морских водорослей выявил активное вещество – сульфатированное полисахаридное соединение, выделенное из красной микроводоросли Porphyridium sp. Полисахарид действует как физический барьер, создавая толстый слой вокруг клетки и защищая ее в экстремальных условиях прилива. Кроме того, это вещество может активно защищать кожу от фотоповреждений, старения и микроистирания (Martins et al., 2014).

Наиболее важными целями биопроспектинга для фармацевтической индустрии являются следующие химические соединения: стерины, пиридины, пептиды, терпены, алкалоиды, эстрогены. Недавний анализ литературы за 2010–2019 гг. показал, что количество найденных компонентов, выявленных биопоиском из морских ресурсов, смещается от антивирусных, антибактериальных и противогрибковых к биомолекулам с противоопухолевой активностью. В настоящее время на противовоспалительные и противоопухолевые, а также антисептические препараты приходится более 60% изысканий (Paul et al., 2021).

МОРСКОЙ БИОПРОСПЕКТИНГ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ДРУГИХ ОТРАСЛЕЙ

Последние два десятилетия общественные интересы все чаще требуют обращать внимание на проблему загрязнения окружающей среды, что вызвало поиск новых биологических способов очистки вод, расщепления ряда загрязняющих веществ и материалов. Экстремофильные бактерии – наиболее удачные кандидаты для этих отраслей (Uma et al., 2020). В качестве агентов биоремедиации пластика рассматриваются кишечные микроорганизмы (Francis et al., 2021).

Направлением промышленного биопроспектинга может являться поиск новых биомолекул для пищевой промышленности (желирующие агенты, эмульсии, пищевые красители, стабилизаторы и пр.). Так, из кишечника рыбы Lutjanus campechanus был выделен штамм морских дрожжей, который секретирует инулиназу – один из важных компонентов сбраживания в пищевой промышленности (Bharathi et al., 2011). Попутный интерес вызывают бактерии, разлагающие хитин (Dhole et al., 2021). Такой спектр возможного использования бактерий обусловлен как разнообразием их функций, так и способностью их функционирования при включении в различные технологии.

Важное место морской биопроспектинг занимает в промышленной экологии, где ведутся исследования свойств микроводорослей для разложения загрязнений, консорций бактерий – биодеградантов загрязнений почвы и вод (Bohutskyi et al., 2015). Были предприняты попытки выделить и проверить галотолерантные морские бактерии на наличие ферментов, которые могут использоваться для обесцвечивания текстильных красителей и сточных вод. Биоразведка показала, что изолированные галотолерантные бактерии являются очень хорошими продуцентами внеклеточных ферментов с комбинированной способностью к биоремедиации (Vinothini et al., 2014).

Отраслью-“бенефициаром” биопроспектинга вполне может считаться энергетика: разработка технологий создания биоэтанола возможна на основе извлечения новых генов гидролазы из морских метагеномов (Ferrer et al., 2005). Тема биотоплива прослеживается в использовании микроводорослей (Khan et al., 2018), а также при изучении ферментов некоторых архей и термофильных бактерий, свойства которых могут открыть путь к разложению лигноцеллюлозы (Adegboye et al., 2021).

Биопроспектинг открывает перспективы и для других отраслей, демонстрируя широту охвата и возможности достижения новых целей (Zhang et al., 2022b). Примечателен пример с глубоководным брюхоногим моллюском Crysomallon squamiferum, у которого найдены абсолютно нетипичные черты армирования экзоскелета. Комбинация материалов и микроструктур в сочетании с геометрией поверхностей и определенной последовательностью слоев характеризуется уникальной прочностью на проникновение, диссипацией энергии, блокировкой трещин, минимальным обратным прогибом и устойчивостью к изгибам и растягивающей нагрузке (Yao et al., 2010). Водоросли интересны наличием свойств, которые могут использоваться при борьбе с обрастаниями (Pereira, Costa-Lotufo, 2012). Существенный потенциал имеется для поиска свойств новых материалов, которые можно позаимствовать при изучении структуры зубов, костей, мышц, защитных элементов у гидробионтов на нано-, микро-, мезоуровне (Meyers et al., 2008). К таковым можно отнести: устойчивость к разрушению, композиционность материалов, амортизационные эффекты, эластичность, остроту и твердость режущих поверхностей, способы прикрепления и движения, ступенчатость и многослойность конструкций, оптическую и сенсорную проводимость, кристаллографию, адаптивную колористику, адгезию (Meyers et al., 2011; Chen et al., 2012; Zhang et al., 2022b).

Поиск биосурфактантов – веществ, продуцируемых микроорганизмами и снижающих поверхностное и межфазное натяжения, – еще одно направление биопроспектинга для пищевой и медицинской отраслей (Silva et al., 2021).

Недавнее открытие “изменяемой геометрии” кожи акулы-мако Isurus oxyrinchus за счет особенностей структуры кожи и чешуи, которые позволяют представителям данного вида достигать больших скоростей (Zhang et al., 2022a), открывает перспективы использования результатов исследований на транспорте и в оборонной промышленности.

Перспективным выглядит изучение биологических структур для таких новых направлений инженерной мысли, как топологическая оптимизация, параметрический дизайн применимых в строительстве и производстве деталей. Продолжается изучение оптических свойств и биологической роли GFP-подобных белков (green fluorescent protein) в морских организмах, их способности к передаче энергии, что может привести к разработке новых биосенсоров (Salih et al., 2004).

МЕТОДОЛОГИЯ ПОИСКА: НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ

Биопроспектинг является продуктом, объединяющим ряд современных и классических биологических знаний со сложившейся методологией. Немалую роль в выявлении ряда свойств морских организмов принесли и исторические, традиционные знания (Demunshi, Chugh, 2010).

Классические знания в области ихтиологии, гидробиологии, океанологии, зоогеографии, морской экологии и функциональной физиологии заложили фундамент развития биопроспектинга и позволили разработать ключевые подходы к наиболее эффективному поиску новых организмов для биоактивных природных соединений, исследованию их экологической ниши, совершенствованию анализа генома, раскрывающего их потенциал, и др. Необходимо отметить, что для биопроспектинга, не связанного с фармацевтической индустрией, методы поиска имели даже бóльшую широту привлекаемых знаний и, соответственно, научных дисциплин.

Краеугольной проблемой и ресурсом для биопроспектинга является видовое разнообразие: чем больше видовое разнообразие, тем выше вероятность нахождения требуемого биоматериала. Так, для биоинформатики, как важнейшего инструмента современной биологической науки, особенно большое значение имеют знания о таксономии и филогении морских организмов, для которых известны нуклеотидные последовательности (молекулярная филогенетика). Благодаря этим дисциплинам биоинформатика получает необходимый поисковый ключ (Goodfellow, Fiedler, 2010) к разработке экспериментальных подходов по оценке видового разнообразия бактерий (Stach et al., 2003). В общем виде схема распространения знаний между различными научными дисциплинами представлена на рис. 3.

Рис. 3.

Схема распространения знаний для целей биопроспектинга.

Авангардом биопроспектинга являются такие современные науки, как геномика, протеомика, транскриптомика, метаболомика. Геномика, изучающая содержание и организацию геномов и способов реализации генетической информации, является ключевой фундаментальной ступенью для развития направления. Объединение таких областей биологических наук, как геномика, молекулярная биология, микробиология, молекулярная генетика, создает мощный дополнительный подход к морской биопоисковой деятельности на основе знания белок-кодирующих генов и биосинтетических генных кластеров. Мощное влияние на исследования оказывает современная фундаментальная медицина, фактически модерирующая все исследования биологов в биопоиске. Перечисленные дисциплины определяют стратегию и тактику биопроспектинга, обеспечивают последовательный поиск биологических веществ. В целом, организация биопроспектинга может быть представлена в виде четырех этапов (Bhatia, Chugh, 2015):

1. сбор образцов;

2. установление химической структуры, изоляция искомых природных соединений, изучение характеристик и производство выделенных соединений;

3. фармакологический скрининг на предмет потенциальной активности, процедура подтверждения активности соединения;

4. разработка и коммерциализация продукта, включая патентование, испытания, продажи и маркетинг.

Основные проблемы биопроспектинга лежат в плоскости “добычи” генетических ресурсов и/или их воспроизводстве. Прогресс в обнаружении биоактивных веществ у морских организмов ограничивается рядом препятствий: сложными условиями поиска, неподходящими условиями культивирования, трудоемкими процессами очистки и дерепликации. Определенные трудности имеются при решении вопросов хранения, стабилизации и совместимости химических соединений морского генеза. Однако они преодолеваются благодаря новым техническим решениям в области “добычи” экстремофильных бактерий и глубоководных организмов. Решение проблемы достаточности ресурсов видится в области аквакультуры, с помощью которой удается воспроизвести необходимый объем материала (Fajarningsih, 2012). Успехи в воспроизводстве достигнуты даже для таких сложных объектов, как коралловые водоросли (Leal et al., 2013). Экспериментальные работы расширяют возможности биопроспектинга. Так, при поиске оптимальных характеристик микроводорослей используются небольшие водоемы – пруды (Barten et al., 2020).

Ключевой метод биопроспектинга – это, прежде всего, лабораторный поиск на молекулярном уровне, в котором преимущественно используются способы извлечения информации из полученных образцов биоматериала – секвенирование генома организма, в свою очередь, включающее многочисленные модификации и приемы.

Выделение биомолекул происходит не только из клеток и тканей организмов, но и при запуске механизмов их саморегуляции. Новые способы секвенирования увеличили длину считывания информации генома, улучшили методы сортировки клеток, безусловно, расширили возможности для изучения некультивируемых микробов, какими являются, например, экстремофилы.

В контексте методологии биопроспектинга неразрывно с секвенированием необходимо рассматривать и биоинформатику – инструмент разработки алгоритмов анализа данных, последующего анализа свойств биомолекул (Несговорова, 2012). Важнейшим ресурсом биоинформатики являются геномные и транскриптомные библиотеки, получаемые в результате секвенирования геномов и экспериментальных исследований. На современном этапе биопроспектинга, характеризующемся увеличением данных, возникают сложности их использования и управления, что требует создания более дифференцированных, не избыточных библиотек морских микроорганизмов для высокопроизводительного скрининга активных соединений (Liu et al., 2010). Информационные базы организмов с уникальными свойствами и биотехнологическим потенциалом позволяют многократно обращаться к данным, а их постоянное пополнение только усиливает эффективность исследований. Различные базы данных, расположенные в нескольких странах, могут быть задействованы в мета-анализе, перекрестном скрининге и в моделировании свойств препаратов.

С увеличением объемов информации о видовом разнообразии повышается потребность в компьютерном моделировании распределения видов и условий среды, способствующих возникновению очагов видообразования, для чего также требуется разработка или совершенствование программного обеспечения.

Существенная составляющая биоинформатики – программное обеспечение, позволяющее отыскивать и моделировать свойства молекул (Седых и др., 2009), в том числе и в новых направлениях, таких как метагеномика (Roumpeka et al., 2017). Метагеномика – относительно новая область науки, нацеленная на исследование генетической информации среди множества организмов: в ассоциациях и сообществах (Kodzius, Gojobori, 2015). Исследование нового пространства функциональных последовательностей с помощью методов метагеномики, включая поиск неактивных (“молчащих”) кластеров биосинтетических генов, позволяет раскрыть их свойства. Молчащие кластеры генов являются своего рода terra incognita для выявления перспективных свойств организмов (Стоник, 2016). Совершенствование методов выявления экспрессии генов у морских бактерий (Johansen et al., 2010) также расширяет границы возможного в знаниях о свойствах живого.

Наиболее полно проблематика и результаты последних достижений биопроспектинга и методов, сопутствующих его успеху, публикуются в специализированных журналах. В условный топ 15 научных изданий, по нашей оценке, учитывающей уровень издателя и цитирования, входят следующие журналы: Marine Biotechnology, Marine Drugs, Frontiers in Marine Science, FEMS Microbiology Ecology, Antonie van Leeuwenhoek, Journal of Natural Products, Marine Biology, Applied Microbiology and Biotechnology, Frontiers in Microbiology, Journal of Industrial Microbiology, Microbiome, PLoS One, The ISME Journal, Marine Ecology Progress Series, Biomolecules.

Передовые идеи в методологии биопроспектинга можно услышать на конференциях “International Symposium on Marine Natural Products” и “European Conference on Marine Natural Products”, которые проводятся уже более 20 лет.

КОММЕРЦИАЛИЗАЦИЯ ПРОДУКТОВ МОРСКОГО БИОПРОСПЕКТИНГА

Уже к 2003 г. из морских организмов было выделено более 14 000 новых химических соединений (Proksch et al., 2003) и выдано не менее 300 патентов на морские натуральные продукты (Kerr R., Kerr S., 1999). К 2012 г. были выделены и идентифицированы из различных морских организмов уже более 20 000 природных соединений (Hu et al., 2011). Подтверждает эту восходящую динамику и отчет “World Intellectual Property Indicators 2020” Всемирной организации интеллектуальной собственности (WIPO), согласно данным которой количество патентов депонированных микроорганизмов за первые два десятилетия XXI в. увеличилось почти в 3 раза.

За регистрацией и выходом на рынок в 2004 г. первого полученного в результате поиска активных биомолекул из морских организмов значимого препарата Ziconitide последовал целый ряд других фармацевтических средств (Newman et al., 2003; Malve, 2016). Характерно, что бóльшая часть таких препаратов: Citarabine, Vidarabine, Squalanine, Yondelis, Aplidin, Dorisenone A, Bryostatin 20, Ecteinasсidin 743, Pseudopterosin, Halycondrin, Patellamide, Theopalauamide – была разработана небольшими, малоизвестными компаниями.

Вместе с тем экономические показатели, связанные с рынком “морских” продуктов, в силу коммерческой тайны и динамизма этого направления ограниченно затрагиваются в обзорах и публикациях по этой теме. Согласно отчету “Marine Derived Drugs Market Research”, размещенному в 2020 г. на сайте https://www.marketresearchengine.com, ожидается, что к 2025 г. мировой рынок лекарств, полученных из морской среды, составит около 3.268 млрд долларов США при среднем росте в течение данного периода на 9.1%.

Хорошей иллюстрацией коммерциализации продуктов, полученных в том числе и с помощью биопроспектинга, является косметическая отрасль (Martins et al., 2014). Определенные успехи достигнуты в коммерциализации биотоплива из микроводорослей (Su et al., 2017).

Анализ развития европейских биоинженерных компаний, связанных с морскими ресурсами, показывает, что путь к патентам и последующим продуктам весьма сложен и занимает 10–12 лет (Greco, Cinquegrani, 2016). Соответственно, и стоимость разработки лекарств весьма велика, а вероятность успеха остается низкой: в среднем лишь около 10% лекарств, подвергающихся клиническим исследованиям, доходят до регистрации. Поэтому на уровне компаний постоянно происходят трансформации в управлении, а в производстве востребованы технологические инновации. В этой связи уместно упомянуть принцип “pipeline”, известный для многих фармацевтических компаний, сочетающих исследования и производство (R&D – research and development), что позволяет на основе маркетинговых и технологических знаний максимально оптимизировать биоразведку, находить нужные биомолекулы, создавать продукты и выводить их на рынок (Schuhmacher et al., 2018).

Однако успехи коммерциализации биопроспектинга были бы невозможны без развития методов поиска свойств биологических молекул и разработки препаратов. К уже традиционным методам комбинаторной химии и методу QSРR (Quantitative Structure-Property Relationship – Количественные соотношения структура-свойство) на рубеже веков добавились новые подходы в разработке препаратов: рациональный драг-дизайн, виртуальный скрининг, компьютерное моделирование свойств молекул (Головко и др., 2008).

На современном этапе небольшие биотехнологические компании находятся в фазе конкретизации поиска, который нацелен на районы максимального видового многообразия, либо усиливают лабораторные исследования найденных свойств морских организмов. При этом все еще сохраняется тенденция разработки морских активных веществ за небольшими компаниями. Так, наиболее известные противоопухолевые препараты, полученные из морских беспозвоночных, выведены на рынок не самыми известными компаниями (Бочарова, Кравцова, 2018). Большинство же крупных биотехнологических компаний мира, таких как Abbott Laboratories (США), GlaxoSmithKline (Великобритания), Marine Polymer Technologies (США), Genzyme (США), Bayer Innovation (Германия), Takeda Oncology (Япония), продолжают придерживаться стратегии выбора и покупки зрелых биотехнологических стартапов. После открытия новых биологических образцов, как известно, неизбежен процесс их синтетического воспроизводства, на который (с минимальными издержками) способны только крупные компании.

Развитие биопроспектинга вызывает к жизни новую реальность и фактически ведет к переоценке стоимости биологических ресурсов как в исключительных экономических зонах (ИЭЗ) прибрежных стран, так и в районах вне национальных юрисдикций. По версии Лири с соавторами (Leary et al., 2009), в 2006 г. эти ресурсы оценивалась в 936 млрд долларов, включая потенциальные продукты для фармацевтики, пищевой промышленности и косметологии. Дальнейшее развитие биопроспектинга и, следовательно, коммерциализация результатов тесно увязываются с генной инженерией и синтетической биологией, что позволит получить новые штаммы с расширенными возможностями и устойчивостью к различным условиям (Kiran et al., 2018; Wang, 2021).

ПРАВОВЫЕ, СОЦИАЛЬНЫЕ И ИНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ РАЗВИТИЯ БИОПРОСПЕКТИНГА

Появление биопроспектинга вызвало в мировом научном сообществе на всех уровнях, включая и государственный, серьезные дискуссии о его роли и ключевых последствиях: массовое изъятие биоресурсов, уязвимость мест обитания морских организмов и их генофонда.

Интенсивность развития биопроспектинга предопределили разные возможности отдельных государств и степень богатства прибрежных вод. Так, наиболее интенсивный биопроспектинг в начале тысячелетия велся в ИЭЗ развитых стран (США, Австралия, Япония), а также в экваториальной части, где видовое разнообразие весьма значительно (Hunt, Vincent, 2006) (рис. 4).

Рис. 4.

Распределение и количество известных новых природных соединений в ИЭЗ прибрежных государств (по: Hunt, Vincent, 2006). Число соединений показано различными градациями красного цвета.

Правовые нормы, предусмотренные Конвенцией ООН 1982 г. по морскому праву и Конвенцией о биологическом разнообразии 1992 г., не были предназначены для обеспечения режима защиты биологических ресурсов (в том числе генетических) в районах, расположенных за пределами национальных юрисдикций. Отчасти, правовую лакуну заполнил Нагойский протокол (2010 г.) о доступе и совместном использовании выгод, возникающих в результате использования генетических ресурсов. Тем не менее полностью закрыть пробел в международно-правовом регулировании деятельности в отношении использования морских генетических ресурсов не удалось, что создает соответствующие правовые коллизии, требующие решения. Среди таковых – ключевая трактовка и определение морских биологических и генетических ресурсов (Шувалова, Афанасьев, 2016).

В зонах национальной юрисдикции в качестве эффективного средства развития биопроспектинга предлагается контрактная система (Bhatia, Chugh, 2015), которая может быть основана на взаимно согласованных условиях между ключевыми заинтересованными сторонами (государством, обладающим генетическими ресурсами, носителями традиционных знаний и морскими биопоисковиками). Другими словами, предлагается внедрение механизма справедливого распределения выгоды (прибыли), в основу которого заложен этический принцип, призванный уберечь от биопиратства развивающиеся страны и направленный в первую очередь на защиту местных сообществ, существование которых непосредственно зависит от состояния биологических ресурсов (Efferth et al., 2016). Примером внедрения подобной политики является Индонезия, где предложена модель эксплуатации ресурсов в балансе максимальной долгосрочной и текущих целей (Dewi et al., 2008). Такая концепция совместного использования выгод от биопроспектинга (при наличии соглашений между заинтересованными сторонами) предполагает получение местным населением множества выгод от использования генетических ресурсов, включая сохранение биоразнообразия, экотуризм, научную инфраструктуру, передачу технологий, получение образования и денежных отчислений.

Для регулирования биопроспектинга, касающегося генетических ресурсов Мирового океана вне зон национальных юрисдикций, предлагается подход, который обеспечит для биоресурсов океана статус общего наследия (Lucia, 2018). Однако он имеет и весомые контраргументы (Бекяшев, 2019), в основе которых национальные интересы государств, в том числе прибрежных. Интерес к биопроспектингу усиливается и конкуренцией за ресурсы между странами. Этот фактор, возможно, будет иметь в будущем приоритетное значение в Антарктике и Арктике, где сталкиваются амбиции крупнейших экономических держав мира (He et al., 2021). В той же Антарктике исследования ведутся, как правило, частными компаниями, а их результаты редко становятся доступными научным органам Консультативного совещания Договора об Антарктике (КСДА) и Комиссии по сохранению морских живых ресурсов Антарктики (АНТКОМ), что находится в противоречии с Договором об Антарктике.

Принимая во внимание всю совокупность обстоятельств и признавая необходимость улучшения правового регулирования в сфере использования генетических ресурсов Мирового океана (Боброва, Боржиа, 2022), в 2016 г. в ООН был создан специальный Подготовительный комитет для уточнения и конкретизации целей, задач и сферы применения разрабатываемого им документа на базе Конвенции ООН по морскому праву 1982 г. Положения этого в будущем юридически обязывающего документа должны определить содержание термина “морские генетические ресурсы”, процедуры передачи технологии и ряд других правовых понятий (Бекяшев, 2019). В связи с разработкой нового правового документа подчеркивается важность гармонизации его положений с имеющимися правовыми документами (например, Договор об Антарктике 1959 г.) (Nickels, 2020).

Среди прочих эффектов, вызываемых биопроспектингом, необходимо отметить образовательный и экологический. Морская фармакогнозия, опирающаяся на успехи морского биопроспектинга, получает новое осмысление в университетских программах обучения фармацевтов (Cahlíková et al., 2020). Развитие биопроспектинга может способствовать усилению охраны окружающей среды (Beattie et al., 2011) при условии информирования о потенциальных перспективах сырья и необходимости сохранения видов, как носителей уникальных геномов.

Таким образом, биопроспектинг, как явление, уже начал приводить к изменениям локальных сообществ, создавая новый взгляд на Мировой океан, влияя на внешнюю политику государств, социальную сферу и бизнес.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МОРСКОГО БИОПРОСПЕКТИНГА В РОССИИ И ОПЫТ НОРВЕГИИ

Российские исследования в области биопроспектинга находятся на начальном этапе. Характерным эпизодом является так и не принятая российскими учеными дефиниция понятия “биопроспектинг” (биоразведка или биопоиск). Так, в известном учебном пособии “Биотехнология” (Сазыкин и др., 2011) понятия “биопроспектинг” или “биоразведка” как таковые отсутствуют. Слабая информированность о биопроспектинге в научных кругах зеркально отражается и в управлении научными исследованиями. На федеральном уровне до последнего времени отсутствовал документ, устанавливающий комплексный и межотраслевой характер взаимодействия научных учреждений, а также задачи единого управления.

Государственное управление и регулирование рассматриваемого направления было обозначено лишь в комплексной программе развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 г. (утверждена Правительством РФ 24 апреля 2012 г. за № 1853п-П8). Однако документов на перспективу по развитию биотехнологий пока нет, при том что научное сообщество давно пытается определять цели и задачи развития биотехнологий (Прогноз…, 2014).

В этой связи уместно привести основные вехи “строительства” и опыта биопоиска соседней Норвегии (Svenson, 2013). Даже на европейском уровне Норвегия выделяется последовательными и масштабными исследованиями океана. Стратегия нового освоения биологических ресурсов в этой стране была разработана уже в середине 2000-х годов с учетом всех ранее проведенных проектов в области освоения биологических ресурсов. В 2007 г. создан центр инноваций в области поиска морских биопродуктивных элементов “MabSent”, в состав которого вошел банк морских данных и лабораторная высокотехнологичная платформа “Marbio”. К 2009 г. данное направление было закреплено в виде части национальной стратегии, которая включала ряд программ (в том числе и FUGE – Funksjonell genomforskning), направленных на коммерциализацию инноваций и исследований. Участниками проектов являлся ряд научных учреждений и научно-производственных и крупных национальных компаний, связанных с морской деятельностью (Гудимова и др., 2010). После 2013 г. на смену FUGE пришла программа BIOTEK 2021, посвященная развитию биотехнологий (Трофимов, 2014). На середину 2022 г. сведения о новой программе Норвегии в направлении морских биотехнологий отсутствуют, что вероятно характеризует недостаточную результативность BIOTEK 2021 и зависимость программы от государственной поддержки.

Российский опыт создания инфраструктуры и системы извлечения новых продуктов морского генеза невелик. Неким аналогом норвежской технологической платформы складывающейся российской системы биопроспектинга могут стать биоресурсные центры (БРЦ), предоставляющие услуги по хранению не только живых клеток, но также геномов и биоинформации, имеющей отношение к наследственности и функционированию биологических систем (Зиновьева и др., 2013). К 2022 г. интеграционные процессы коснулись не столько информационных, сколько функциональных сторон деятельности участников, которым мог бы быть интересен морской биопроспектинг. Примером такой интеграции, очевидно, является Межрегиональный научно-образовательный центр (МНОЦ) “МореАгроБиоТех”. Согласно релизам, в МНОЦ “МореАгроБиоТех” участвуют более 30 организаций и учреждений. Стратегической целью центра является создание экосистемы опережающего инновационного развития, обеспечивающей разработку, производство и вывод на рынок глобально превосходящих и конкурентоспособных продуктов и технологий в морской сфере деятельности, освоение ресурсов Мирового океана и агробиотехнологий. МНОЦ имеет восемь проектов, которые синхронно определены в качестве приоритетных и в рамках Национальной технологической инициативы РФ.

Среди организаций и научных учреждений России крупнейшим центром исследования, заинтересованным в биопроспектинге, является ФИЦ “Фундаментальные основы биотехнологии” РАН, включающий Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН (ИНБИ РАН, Москва), Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского (ИНМИ РАН, Москва) и Институт биоинженерии им. К.Г. Скрябина (ЦБ РАН, Москва).

Определенные успехи достигнуты в Национальном научном центре морской биологии им. А.В. Жирмунского Дальневосточного отделения РАН (ННЦМБ ДВО РАН, Владивосток), где создан Центр коллективного пользования – Ресурсная коллекция (ЦКП РК) “Морской биобанк”. Целью этого ЦКП РК является обеспечение проведения научных исследований с использованием имеющихся коллекций и оборудования в соответствии с международными протоколами сбора, каталогизации, поддержания и хранения биологических образцов морского происхождения.

Примером комплексного исследования морских организмов может служить опыт Института биологии южных морей им. О.А. Ковалевского РАН (ИнБЮМ РАН, Севастополь), где созданы и одновременно функционируют лаборатория биоразнообразия и функциональной геномики, отдел биотехнологий и фиторесурсов, отдел аквакультуры и морской фармакологии. Фактически, структура биопоисковых направлений ИнБЮМ соответствует примерам аналогичных зарубежных морских лабораторий.

В Зоологическом институте (ЗИН РАН, Санкт-Петербург) функционирует лаборатория эволюционной геномики и палеогеномики. Морской биопроспектинг является частью научной и образовательной деятельности Института живых систем Балтийского федерального университета им. И. Канта (БФУ, Калининград). Понимание задачи освоения ресурсов океана существует и в рыбохозяйственной науке (Кивва и др., 2018). Лаборатория эволюционной экологии и геномики гидробионтов создана в декабре 2018 г. по инициативе Уральского отделения РАН на базе ФГБУН ФИЦКИА “Институт комплексных исследований Арктики” (Архангельск), где также в рамках проекта “Современная исследовательская инфраструктура Российской Федерации” с 2015 г. действует Российский музей центров биоразнообразия.

Однако наиболее известным за рубежом российским исследовательским центром, полностью специализирующимся на морском биопроспектинге и работающим в этой области со дня основания, является Тихоокеанский институт биоорганической химии им. Г.Б. Елякова (ТИБОХ, Владивосток). Этот институт, специалисты которого сотрудничают с 15 НИИ Азии, Америки и Европы, успешно демонстрирует возможности международной коллаборации (Stonik, 2018).

Таким образом, во всех крупных приморских городах России созданы и функционируют научные коллективы университетской, академической и рыбохозяйственной наук, вовлеченных в разной степени в изыскания, связанные с морским биопроспектингом.

Инфраструктура биопроспектинга обязана включать наличие мощной информационной базы. Таковой, очевидно, является единственная в России биоресурсная коллекция морских микроорганизмов (КММ ТИБОХ ДВО РАН), генофонд которой представлен более 4000 штаммами гетеротрофных бактерий и более 1000 штаммами микроскопических грибов (Исаева, 2022). В контексте инфраструктуры направления можно упомянуть и Центр коллективного пользования “ГЕНОМ”, который был создан в Институте молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН (ИМБ РАН, Москва) при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ). Ежегодно сотрудники ЦКП выполняют несколько тысяч анализов ДНК и геномных структур по заказу сторонних научных коллективов институтов РАН, РАМН, МГУ, Министерства Здравоохранения РФ и других организаций, участвующих в выполнении Федеральных целевых программ РФ и научных проектов РФФИ.

Научные мероприятия по продвижению морского биопроспектинга в России пока отсутствуют, а необходимость его выделения в отдельное направление в рамках общей темы изучения уникальных природных ресурсов пока не обеспечена достаточным количеством исследователей. Так, на Первом научном Форуме “Генетические ресурсы России”, прошедшем на базе ЗИН РАН в июне 2022 г., секции, посвященной ресурсам морей России, организовано не было. Тем не менее на этой же конференции весьма точно было замечено, что “важными критериями для инфраструктуры является стабильность деятельности, высокий научный, методический и технологический уровень работ, экономическая рациональность” (Синеокий, 2022, с. 14).

Явным недостатком для складывающейся российской модели освоения морских биологических ресурсов является отсутствие к ним интереса со стороны российских фармацевтических компаний, а также отсутствие (за некоторым исключением) биоинженерных компаний в РФ. Усилия отечественной “фармы” направлены в первую очередь на создание российских аналогов наиболее известных, а следовательно, “коммерчески беспроигрышных” продуктов мировой фармацевтической отрасли, что объективно не позволяет прогнозировать интерес российских компаний к биоразведке в ближайшие годы.

Очевидно, что в условиях геополитических ограничений партнерами российских научных учреждений и консорциумов для коммерциализации результатов исследований и биопоиска в ближайшие годы должны стать компании из стран Юго-Восточной Азии и Ближнего Востока. Вместе с тем внутренние резервы для качественного рывка биопроспектинга в России видятся в создании партнерства и коллаборации между академической, прикладной, университетской наукой и бизнесом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Феномен морского биопроспектинга – не только явление, предопределенное развитием фармацевтической промышленности, но и часть технологического ответа на развитие общества и современной индустрии. Динамика развития этого направления имеет взрывной характер: количество публикаций, коммерциализация результатов биопоиска особенно значительны в последнее десятилетие, что говорит о вступлении его в активную фазу роста. Масштабы современной биоразведки охватили все районы Мирового океана и различные уровни организации живых организмов.

Преодолевая существенные проблемы в методологии, техническом обеспечении и информационной базе, морской биопроспектинг совершенствуется в качестве научного инструмента для последующей коммерциализации во многих направлениях фармакологии, а также в других отраслях. Следствием развития биопоиска стали социальные изменения прибрежных сообществ, поиск новых правовых концепций и определений в этике научных исследований. Очевидно также изменение мировоззрения людей по отношению к Мировому океану.

Российское научное сообщество находится лишь в начальной стадии формирования целей и задач биопроспектинга. Не существует устоявшейся целостной организационной структуры, которая могла бы продвигать философию этого направления в России. Вместе с тем ряд отечественных научных учреждений смогли добиться определенных результатов в морском биопроспектинге, что позволяет надеяться на дальнейший прогресс российской науки в развитии данного направления в нашей стране.