II. Анализ мировых трендов и тенденций развития агропромышленного комплекса Казахстана, а также трендов технологического развития
Обоснование выделенных мировых технологический трендов
Обоснование выделенных мировых технологический трендов
В рамках исследований выделены следующие основные мировые технологические тренды развития биотехнологии:
1. Геномное редактирование CRISPR-Cas
2. Генетическая модификация растений и животных
3. Создание единого биобанка с/х продукции генетических паспортов
4. Создание экологически безопасных и эффективных биопрепаратов для защиты и улучшения с/х ценных качеств растений и животных (увеличение урожайности, устойчивости к вредителям, фитопатогенным инфекциям, засухе и засолению почв с/х растений, продуктивности с/х животных)
5. Создание высокочувствительных диагностических тест-систем для идентификации инфекционных заболеваний с/х растений и животных
6. Разработка ветеринарных вакцин нового поколения
7. Восстановление деградировавших почв с/х назначения в результате накопления агрохимических препаратов или загрязнения промышленными отходами
Во многом, основные тренды и факторы, имеющиеся в Казахстане, соответствуют мировым трендам, хотя и имеется определенная специфика, связанная с географическим положением страны, геополитическими особенностями, состоянием экономики и социальной системы.
Далее приведены характерные технологические мировые тренды в области сельскохозяйственной биотехнологии и проведен анализ готовности РК к трендовым технологиям.
1. Стремительное развитие технологии CRISPR/Cas-геномного редактирования
На мировом уровне, геномное редактирование CRISPR-Cas привлекает широкий интерес и инвестиции от академических и исследовательских учреждений, биотехнологических компаний и правительства. Это обеспечивало бурное развитие новых методов и приложений, основанных на CRISPR-Cas.
В частности, геномное редактирование применяется в мире для широкого спектра исследований и применений в различных сферах деятельности, а именно:
Медицина: В области медицины геномное редактирование использовалось для разработки перспективных методов лечения генетических заболеваний, таких как кистозный фиброз, гемофилия, наследственные формы рака и другие.
Сельское хозяйство: CRISPR-Cas9 применялся для разработки сельскохозяйственных культур с улучшенными свойствами, такими как повышенная урожайность, устойчивость к болезням и адаптация к изменению климата.
Биотехнология и биопроизводство: Геномное редактирование использовалось для улучшения процессов биопроизводства, создания микроорганизмов с желаемыми свойствами для производства биологически активных веществ и других биотехнологических продуктов
Защита окружающей среды: Технология CRISPR-Cas применялась для разработки методов биоремедиации, которые позволяют использовать микроорганизмы для очистки загрязненных окружающих сред.
Редактирование генома – это процесс нацеленного изменения генетического кода организма. Базовый принцип геномного редактирования основан на внесении разрывов в структуру ДНК. В этом процессе участвуют специальные ферменты – нуклеазы. При этом специфичное действие нуклеаз в целевых областях генома осуществляется за счет направляющей нуклеотидной последовательности или специальных ДНК-связывающих доменов.
Геномное редактирование CRISPR/Cas – это новая технология редактирования геномов высших организмов, базирующаяся на иммунной системе бактерий. В основе этой системы – особые участки бактериальной ДНК, короткие палиндромные кластерные повторы, или CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats).
Использование инструментов, таких как CRISPR-Cas, для точного изменения генома растений, позволяет корректировать генетические мутации, улучшать сельскохозяйственные культуры.
Казахстан также активно участвует в исследованиях и разработках в области геномного редактирования с помощью технологии CRISPR-Cas.
1. Геномное редактирование CRISPR-Cas
2. Генетическая модификация растений и животных
3. Создание единого биобанка с/х продукции генетических паспортов
4. Создание экологически безопасных и эффективных биопрепаратов для защиты и улучшения с/х ценных качеств растений и животных (увеличение урожайности, устойчивости к вредителям, фитопатогенным инфекциям, засухе и засолению почв с/х растений, продуктивности с/х животных)
5. Создание высокочувствительных диагностических тест-систем для идентификации инфекционных заболеваний с/х растений и животных
6. Разработка ветеринарных вакцин нового поколения
7. Восстановление деградировавших почв с/х назначения в результате накопления агрохимических препаратов или загрязнения промышленными отходами
Во многом, основные тренды и факторы, имеющиеся в Казахстане, соответствуют мировым трендам, хотя и имеется определенная специфика, связанная с географическим положением страны, геополитическими особенностями, состоянием экономики и социальной системы.
Далее приведены характерные технологические мировые тренды в области сельскохозяйственной биотехнологии и проведен анализ готовности РК к трендовым технологиям.
1. Стремительное развитие технологии CRISPR/Cas-геномного редактирования
На мировом уровне, геномное редактирование CRISPR-Cas привлекает широкий интерес и инвестиции от академических и исследовательских учреждений, биотехнологических компаний и правительства. Это обеспечивало бурное развитие новых методов и приложений, основанных на CRISPR-Cas.
В частности, геномное редактирование применяется в мире для широкого спектра исследований и применений в различных сферах деятельности, а именно:
Медицина: В области медицины геномное редактирование использовалось для разработки перспективных методов лечения генетических заболеваний, таких как кистозный фиброз, гемофилия, наследственные формы рака и другие.
Сельское хозяйство: CRISPR-Cas9 применялся для разработки сельскохозяйственных культур с улучшенными свойствами, такими как повышенная урожайность, устойчивость к болезням и адаптация к изменению климата.
Биотехнология и биопроизводство: Геномное редактирование использовалось для улучшения процессов биопроизводства, создания микроорганизмов с желаемыми свойствами для производства биологически активных веществ и других биотехнологических продуктов
Защита окружающей среды: Технология CRISPR-Cas применялась для разработки методов биоремедиации, которые позволяют использовать микроорганизмы для очистки загрязненных окружающих сред.
Редактирование генома – это процесс нацеленного изменения генетического кода организма. Базовый принцип геномного редактирования основан на внесении разрывов в структуру ДНК. В этом процессе участвуют специальные ферменты – нуклеазы. При этом специфичное действие нуклеаз в целевых областях генома осуществляется за счет направляющей нуклеотидной последовательности или специальных ДНК-связывающих доменов.
Геномное редактирование CRISPR/Cas – это новая технология редактирования геномов высших организмов, базирующаяся на иммунной системе бактерий. В основе этой системы – особые участки бактериальной ДНК, короткие палиндромные кластерные повторы, или CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats).
Использование инструментов, таких как CRISPR-Cas, для точного изменения генома растений, позволяет корректировать генетические мутации, улучшать сельскохозяйственные культуры.
Казахстан также активно участвует в исследованиях и разработках в области геномного редактирования с помощью технологии CRISPR-Cas.
2. Совершенствование и расширение области применения технологии создания трансгенных сельскохозяйственных растений и животных
Генетическая модификация растений – это создание растений с измененным геномом для улучшения устойчивости к болезням и вредителям, увеличения урожайности, улучшения пищевых свойств и снижения потребности в химических удобрениях.
В 2023 году генетическая модификация (ГМО) остается актуальной темой как в Казахстане, так и во всем мире. В различных странах и регионах мира отношение к ГМО различается, и правила и нормативы касательно использования и выращивания ГМО варьируются.
В 2022 году общая площадь возделывания трансгенных сортов продолжала расти подряд со скоростью более 105 % в год. В 2002 году она составила 98,6 млн. гектаров и этим бизнесом занималось около 12 млн. человек. Это почти в два раза больше площади земель Великобритании или свыше 50 % всей пашни Российской Федерации, где пока еще не выращивается коммерчески ни одна трансгенная культура. С 2020 по 2022 годы площадь возделывания генномодифицированных (ГМ) растений выросла в мире на 15%, а с 1996 по 2022 год - в 45 раз. Такие высокие темпы внедрения в производство не имеют прецедента в сравнении с любой другой технологией за всю историю сельского хозяйства. За последние семь лет число стран, выращивающих трансгенные культуры, увеличилось более чем вдвое и достигло шестнадцати.
Преобладающей трансгенной культурой в 2022 году была соя, на втором месте кукуруза, на третьем месте - хлопчатник и затем озимый рапс.
Общая площадь трансгенной сои в прошлом году выросла на 6,5 млн. га и ее доля впервые превысила 50 % общемировых посевов этой культуры. Все ГМ сорта сои - гербицид-устойчивы. В 2002 году она выращивалась для промышленного применения в 7 странах: США, Аргентине, Канаде, Мексике, Румынии, Уругвае и Южной Африке. В Аргентине площадь посевов ГМ сои за 2022 год увеличилось на 1,7 млн. га и достигла 99 % из 12,8 млн. га занятых культурой в стране.
В очередном ежегодном отчете International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications (ISAAA) сообщается, что 140 млн. га, засеянных ГМ сортами кукурузы принесли урожай в 600 млн. тонн. Среди 200 млн. фермеров, использующих ГМ сорта, наибольшей популярностью пользуются гибриды, и только 20% семян сохраняется для будущего.
В Казахстане, как и во многих других странах, использование ГМО было предметом обсуждений. По состоянию на 2023 год страна не разрешает коммерческое выращивание ГМО-культур, и процесс регистрации и разрешения на использование ГМО продолжает оставаться сложным и длительным. Однако, исследования в области ГМО активно проводятся, и существуют проекты, направленные на исследование и адаптацию ГМО-культур, которые могли бы быть полезны для сельского хозяйства в условиях изменения климата и повышенных вызовов в области продовольственной безопасности.
На глобальном уровне использование ГМО-культур остается распространенным, особенно в некоторых крупных странах сельскохозяйственного производства, таких как США, Бразилия, Аргентина и Китай. Коммерческое выращивание ГМО-культур также было разрешено во многих других странах.
На мировой арене продолжаются исследования и разработки новых ГМО-культур с улучшенными свойствами, такими как устойчивость к болезням, засухе и повышение хозяйственно-ценных качеств культур. Некоторые из этих инноваций представляют потенциальные решения для глобальных вызовов в области сельского хозяйства и продовольственной безопасности.
PLANTeDIT предоставляет решения для редактирования генома
PLANTeDIT — ирландский стартап, производящий нетрансгенные растительные продукты с отредактированным геномом. Стартап использует запатентованные инструменты редактирования генома и собственную технологию трансформации, чтобы обеспечить эффективную прямую доставку и быструю регенерацию растений с отредактированным геномом. PLANTeDIT мутирует ген FAD2 в сое, создавая высокоолеиновый вариант. Высокоолеиновые масла помогают пищевым компаниям продлить срок хранения продуктов питания.
Компания «Пластомикс» предлагает редактирование хлоропластов.
Американский стартап Plastomics разрабатывает технологию доставки следующего поколения для редактирования хлоропластов. В отличие от ядерных признаков, редактирование хромосомных признаков приводит к более эффективной интеграции признаков, а также ускоряет вывод продукта на рынок. Это делает решение стартапа подходящим для таких приложений, как изменение путей фотосинтеза и инженерия метаболических путей.
В настоящий момент исследования в области создания трансгенных животных развиваются в направлении создания новых животноводческих пород, дающих продукты с повышенным содержанием некоторых компонентов.
Стратегию получения трансгенных животных принципиально можно разделить на две группы: генеративные и соматические. Генеративные трансгенные животные несут трансген во всех тканях, включая гаметы. Методы соматического переноса генов не затрагивают генетическую информацию генеративных клеток, что исключает возможность передачи трансгенов потомству.
Сейчас рассматриваются следующие перспективные возможности практического применения трансгенеза в животноводстве: улучшение качества сельскохозяйственной продукции, устойчивость к заболеваниям, получение рекомбинантных белков в молоке и других биологических жидкостях.
Создание трансгенных животных может способствовать решению многих проблем, с которыми человечество сталкивается на всем протяжении своей истории. Это, прежде всего продовольственная проблема и проблема создания лекарственных препаратов и их получения в достаточном количестве.
В целом, к 2023 году ГМО остаются значимым инструментом в сельском хозяйстве, но их использование продолжает вызывать дискуссии и требует более глубокого изучения и регулирования в разных странах мира.
Генетическая модификация растений – это создание растений с измененным геномом для улучшения устойчивости к болезням и вредителям, увеличения урожайности, улучшения пищевых свойств и снижения потребности в химических удобрениях.
В 2023 году генетическая модификация (ГМО) остается актуальной темой как в Казахстане, так и во всем мире. В различных странах и регионах мира отношение к ГМО различается, и правила и нормативы касательно использования и выращивания ГМО варьируются.
В 2022 году общая площадь возделывания трансгенных сортов продолжала расти подряд со скоростью более 105 % в год. В 2002 году она составила 98,6 млн. гектаров и этим бизнесом занималось около 12 млн. человек. Это почти в два раза больше площади земель Великобритании или свыше 50 % всей пашни Российской Федерации, где пока еще не выращивается коммерчески ни одна трансгенная культура. С 2020 по 2022 годы площадь возделывания генномодифицированных (ГМ) растений выросла в мире на 15%, а с 1996 по 2022 год - в 45 раз. Такие высокие темпы внедрения в производство не имеют прецедента в сравнении с любой другой технологией за всю историю сельского хозяйства. За последние семь лет число стран, выращивающих трансгенные культуры, увеличилось более чем вдвое и достигло шестнадцати.
Преобладающей трансгенной культурой в 2022 году была соя, на втором месте кукуруза, на третьем месте - хлопчатник и затем озимый рапс.
Общая площадь трансгенной сои в прошлом году выросла на 6,5 млн. га и ее доля впервые превысила 50 % общемировых посевов этой культуры. Все ГМ сорта сои - гербицид-устойчивы. В 2002 году она выращивалась для промышленного применения в 7 странах: США, Аргентине, Канаде, Мексике, Румынии, Уругвае и Южной Африке. В Аргентине площадь посевов ГМ сои за 2022 год увеличилось на 1,7 млн. га и достигла 99 % из 12,8 млн. га занятых культурой в стране.
В очередном ежегодном отчете International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications (ISAAA) сообщается, что 140 млн. га, засеянных ГМ сортами кукурузы принесли урожай в 600 млн. тонн. Среди 200 млн. фермеров, использующих ГМ сорта, наибольшей популярностью пользуются гибриды, и только 20% семян сохраняется для будущего.
В Казахстане, как и во многих других странах, использование ГМО было предметом обсуждений. По состоянию на 2023 год страна не разрешает коммерческое выращивание ГМО-культур, и процесс регистрации и разрешения на использование ГМО продолжает оставаться сложным и длительным. Однако, исследования в области ГМО активно проводятся, и существуют проекты, направленные на исследование и адаптацию ГМО-культур, которые могли бы быть полезны для сельского хозяйства в условиях изменения климата и повышенных вызовов в области продовольственной безопасности.
На глобальном уровне использование ГМО-культур остается распространенным, особенно в некоторых крупных странах сельскохозяйственного производства, таких как США, Бразилия, Аргентина и Китай. Коммерческое выращивание ГМО-культур также было разрешено во многих других странах.
На мировой арене продолжаются исследования и разработки новых ГМО-культур с улучшенными свойствами, такими как устойчивость к болезням, засухе и повышение хозяйственно-ценных качеств культур. Некоторые из этих инноваций представляют потенциальные решения для глобальных вызовов в области сельского хозяйства и продовольственной безопасности.
PLANTeDIT предоставляет решения для редактирования генома
PLANTeDIT — ирландский стартап, производящий нетрансгенные растительные продукты с отредактированным геномом. Стартап использует запатентованные инструменты редактирования генома и собственную технологию трансформации, чтобы обеспечить эффективную прямую доставку и быструю регенерацию растений с отредактированным геномом. PLANTeDIT мутирует ген FAD2 в сое, создавая высокоолеиновый вариант. Высокоолеиновые масла помогают пищевым компаниям продлить срок хранения продуктов питания.
Компания «Пластомикс» предлагает редактирование хлоропластов.
Американский стартап Plastomics разрабатывает технологию доставки следующего поколения для редактирования хлоропластов. В отличие от ядерных признаков, редактирование хромосомных признаков приводит к более эффективной интеграции признаков, а также ускоряет вывод продукта на рынок. Это делает решение стартапа подходящим для таких приложений, как изменение путей фотосинтеза и инженерия метаболических путей.
В настоящий момент исследования в области создания трансгенных животных развиваются в направлении создания новых животноводческих пород, дающих продукты с повышенным содержанием некоторых компонентов.
Стратегию получения трансгенных животных принципиально можно разделить на две группы: генеративные и соматические. Генеративные трансгенные животные несут трансген во всех тканях, включая гаметы. Методы соматического переноса генов не затрагивают генетическую информацию генеративных клеток, что исключает возможность передачи трансгенов потомству.
Сейчас рассматриваются следующие перспективные возможности практического применения трансгенеза в животноводстве: улучшение качества сельскохозяйственной продукции, устойчивость к заболеваниям, получение рекомбинантных белков в молоке и других биологических жидкостях.
Создание трансгенных животных может способствовать решению многих проблем, с которыми человечество сталкивается на всем протяжении своей истории. Это, прежде всего продовольственная проблема и проблема создания лекарственных препаратов и их получения в достаточном количестве.
В целом, к 2023 году ГМО остаются значимым инструментом в сельском хозяйстве, но их использование продолжает вызывать дискуссии и требует более глубокого изучения и регулирования в разных странах мира.
3. Восстановление деградировавших почв с/х назначения в результате накопления агрохимических препаратов или загрязнения промышленными отходами
Фито- и биоремедиация почв с/х назначения с помощью модифицированных растений и микроорганизмов
Базируясь на способности растений обезвреживать антропогенные токсиканты, фиторемедиация за последнее десятилетие из концептуального, методологического подхода превратилась в экологически важную, конкурентоспособную коммерческую технологию для очистки окружающей среды от органических и неорганических токсичных соединений. Эффективность процессов фиторемедиации в значительной степени определяется способностью самого растения усваивать и накапливать в клеточных структурах неорганические и органические токсиканты и осуществлять глубокую окислительную деградацию органических ксенобиотиков. Больше двух десятков лет широко обсуждается возможность использования растений для очистки почв, грунтовых вод и водоемов от неорганических токсикантов. Судя по достигнутым результатам, несомненно, что фитоэкстракция в условиях in situ является наиболее дешевой, не затрагивающей структуры почвы технологией, которая все больше привлекает внимание как ученых, так и практиков-аграриев, а также экологов. При клонировании генов из растений, отличающихся повышенной эффективностью в фитоэкстракции тяжелых металлов использовали манипуляции хорошо известные в генной инженерии растений.
Между тем генетическая инженерия зарекомендовала себя как перспективный способ получения растений для очистки территорий от тяжелых металлов, пестицидов и гербицидов. Генно-инженерные работы, направленные на повышение эффективности фиторемедиационных свойств растений, особенно интенсивно проводились в течение последних 10 лет. В основном они осуществлялись в парниковых условиях, на небольших контролируемых участках. Первые широкомасштабные полевые исследования были проведены в начале 2000 г. в США. Наиболее значимые работы по получению рекомбинантных растений, а их уже накопилось свыше 100, осуществлялись в разных направлениях. С помощью генетически модифицированных растений загрязнения могут быть обезврежены в результате деградации, а также извлечены различными путями экстракции и иммобилизации. Растения могут также поглощать различные загрязнения и трансформировать их. Однако, в отличие от микроорганизмов, растения способны минерализовать лишь ограниченное количество таких загрязнений, как органические пестициды. Органические пестициды, поступившие в ткани трансгенных растений, могут обезвреживаться и депонироваться в результате связывания с клеточными компонентами или лигнификации, а также испаряться через поверхность листьев или метаболизироваться растением. Продукты трансформации пестицидов могут оставаться в растениях, испаряться или экскретироваться в почву и в дальнейшем метаболизироваться различными почвенными микроорганизмами.
Фито- и биоремедиация почв с/х назначения с помощью модифицированных растений и микроорганизмов
Базируясь на способности растений обезвреживать антропогенные токсиканты, фиторемедиация за последнее десятилетие из концептуального, методологического подхода превратилась в экологически важную, конкурентоспособную коммерческую технологию для очистки окружающей среды от органических и неорганических токсичных соединений. Эффективность процессов фиторемедиации в значительной степени определяется способностью самого растения усваивать и накапливать в клеточных структурах неорганические и органические токсиканты и осуществлять глубокую окислительную деградацию органических ксенобиотиков. Больше двух десятков лет широко обсуждается возможность использования растений для очистки почв, грунтовых вод и водоемов от неорганических токсикантов. Судя по достигнутым результатам, несомненно, что фитоэкстракция в условиях in situ является наиболее дешевой, не затрагивающей структуры почвы технологией, которая все больше привлекает внимание как ученых, так и практиков-аграриев, а также экологов. При клонировании генов из растений, отличающихся повышенной эффективностью в фитоэкстракции тяжелых металлов использовали манипуляции хорошо известные в генной инженерии растений.
Между тем генетическая инженерия зарекомендовала себя как перспективный способ получения растений для очистки территорий от тяжелых металлов, пестицидов и гербицидов. Генно-инженерные работы, направленные на повышение эффективности фиторемедиационных свойств растений, особенно интенсивно проводились в течение последних 10 лет. В основном они осуществлялись в парниковых условиях, на небольших контролируемых участках. Первые широкомасштабные полевые исследования были проведены в начале 2000 г. в США. Наиболее значимые работы по получению рекомбинантных растений, а их уже накопилось свыше 100, осуществлялись в разных направлениях. С помощью генетически модифицированных растений загрязнения могут быть обезврежены в результате деградации, а также извлечены различными путями экстракции и иммобилизации. Растения могут также поглощать различные загрязнения и трансформировать их. Однако, в отличие от микроорганизмов, растения способны минерализовать лишь ограниченное количество таких загрязнений, как органические пестициды. Органические пестициды, поступившие в ткани трансгенных растений, могут обезвреживаться и депонироваться в результате связывания с клеточными компонентами или лигнификации, а также испаряться через поверхность листьев или метаболизироваться растением. Продукты трансформации пестицидов могут оставаться в растениях, испаряться или экскретироваться в почву и в дальнейшем метаболизироваться различными почвенными микроорганизмами.
4. Создание биобанка и генетичеких паспортов сельскохозяйственных животных и растений
Исследование геномов растений для выявления маркерных генов, ответственных за определенные свойства, такие как устойчивость к болезням или высокая продуктивность, и их использование в улучшении сортов. На основе полученных данных создаются генетические паспорта с/х растений.
США являются лидерами в этом направлении. NIFA поддерживает новейшие исследования в области селекции растений, генетики и геномики, чтобы гарантировать, что сельское хозяйство США готово к решению глобальных задач, стоящих перед миром. Инновации в сельскохозяйственном производстве являются ключом к производству большего количества продуктов питания с меньшим воздействием на окружающую среду.
Сельское хозяйство будущего станет возможным благодаря дизайну генома, инновационным методам селекции, анализу данных и знанию молекулярных и биологических процессов. Для селекции культур будущего потребуются новые характеристики, селекционные платформы, созданные для быстрой передачи характеристик элитным сортам, координация усилий по селекции в государственных и частных сферах, а также обучение нынешних и будущих селекционеров и исследователей растений.
Портфель программ по селекции растений, генетике и геномике отвечает потребностям заинтересованных сторон в повышении производительности за счет предоставления сельскохозяйственным растениям более высокого врожденного генетического потенциала. Целью усилий NIFA по селекции, генетике и геномике растений является повышение эффективности производства, урожайности, устойчивости, устойчивости, полезности для здоровья, качества продукции и стоимости сельскохозяйственных растений США.
В США за последние 5 лет профинансировано огромное количество проектов по данному направлению, далее приведены некоторые из них (со ссылками):
• Plant Breeding for Agricultural Production (A1141)
• Conventional Plant Breeding for Cultivar Development (A1143)
• Agricultural Genome to Phenome Initiative (AG2PI)
• Physiology of Agricultural Plants (A1152)
• Specialty Crop Research Initiative (SCRI)
• Organic Agriculture Research and Extension Initiative (113.A)
• Foundational Knowledge of Plant Products (A1103)
• Data Science for Food and Agricultural Systems (DSFAS) (A1541)
• Agricultural Innovation through Gene Editing (A1191)
• Biotechnology Risk Assessment Research Grants Program (HX)
• Canola Research (HW) • Potato Research (AN)
• Alfalfa Seed and Alfalfa Forage System Program (AFRP)
• Economic and Social Implications of Food and Agricultural Technologies (A1642)
Исследование геномов животных для выявления маркерных генов, ответственных за определенные свойства, такие как устойчивость к болезням или высокая продуктивность, и их использование в улучшении пород с/х животных. На основе полученных данных создаются генетические паспорта с/х животных.
Резкое повышение урожайности с/х культур и эффективности животноводства имеет решающее значение для удовлетворения постоянно растущего спроса на пищевой белок в Соединенных Штатах и во всем мире. Разведение животных является одной из стратегий, с помощью которой могут быть достигнуты эти улучшения.
Сейчас более чем когда-либо столь значительные улучшения в производстве животного белка необходимы для удовлетворения постоянно растущего спроса на животный белок в Соединенных Штатах и во всем мире. Однако достижение генетического улучшения в современных системах животноводства сопряжено со своими сложностями. Используя передовые методы исследования, генетики животных добиваются прогресса в понимании точных генетических факторов, которые способствуют здоровью и регулируют рост, размножение и использование питательных веществ.
Эти фундаментальные знания приведут к появлению новых инструментов и методов управления, а также позволят увеличить производство и одновременно снизить воздействие животноводства на окружающую среду. Недавние инициативы в области геномики животных направлены на расшифровку генетического кода животных, используемых в пищу. Полученные в результате геномные технологии в значительной степени усилят исследования по выявлению генов и генетических механизмов, лежащих в основе экономически важных признаков видов домашнего скота
Исследование геномов растений для выявления маркерных генов, ответственных за определенные свойства, такие как устойчивость к болезням или высокая продуктивность, и их использование в улучшении сортов. На основе полученных данных создаются генетические паспорта с/х растений.
США являются лидерами в этом направлении. NIFA поддерживает новейшие исследования в области селекции растений, генетики и геномики, чтобы гарантировать, что сельское хозяйство США готово к решению глобальных задач, стоящих перед миром. Инновации в сельскохозяйственном производстве являются ключом к производству большего количества продуктов питания с меньшим воздействием на окружающую среду.
Сельское хозяйство будущего станет возможным благодаря дизайну генома, инновационным методам селекции, анализу данных и знанию молекулярных и биологических процессов. Для селекции культур будущего потребуются новые характеристики, селекционные платформы, созданные для быстрой передачи характеристик элитным сортам, координация усилий по селекции в государственных и частных сферах, а также обучение нынешних и будущих селекционеров и исследователей растений.
Портфель программ по селекции растений, генетике и геномике отвечает потребностям заинтересованных сторон в повышении производительности за счет предоставления сельскохозяйственным растениям более высокого врожденного генетического потенциала. Целью усилий NIFA по селекции, генетике и геномике растений является повышение эффективности производства, урожайности, устойчивости, устойчивости, полезности для здоровья, качества продукции и стоимости сельскохозяйственных растений США.
В США за последние 5 лет профинансировано огромное количество проектов по данному направлению, далее приведены некоторые из них (со ссылками):
• Plant Breeding for Agricultural Production (A1141)
• Conventional Plant Breeding for Cultivar Development (A1143)
• Agricultural Genome to Phenome Initiative (AG2PI)
• Physiology of Agricultural Plants (A1152)
• Specialty Crop Research Initiative (SCRI)
• Organic Agriculture Research and Extension Initiative (113.A)
• Foundational Knowledge of Plant Products (A1103)
• Data Science for Food and Agricultural Systems (DSFAS) (A1541)
• Agricultural Innovation through Gene Editing (A1191)
• Biotechnology Risk Assessment Research Grants Program (HX)
• Canola Research (HW) • Potato Research (AN)
• Alfalfa Seed and Alfalfa Forage System Program (AFRP)
• Economic and Social Implications of Food and Agricultural Technologies (A1642)
Исследование геномов животных для выявления маркерных генов, ответственных за определенные свойства, такие как устойчивость к болезням или высокая продуктивность, и их использование в улучшении пород с/х животных. На основе полученных данных создаются генетические паспорта с/х животных.
Резкое повышение урожайности с/х культур и эффективности животноводства имеет решающее значение для удовлетворения постоянно растущего спроса на пищевой белок в Соединенных Штатах и во всем мире. Разведение животных является одной из стратегий, с помощью которой могут быть достигнуты эти улучшения.
Сейчас более чем когда-либо столь значительные улучшения в производстве животного белка необходимы для удовлетворения постоянно растущего спроса на животный белок в Соединенных Штатах и во всем мире. Однако достижение генетического улучшения в современных системах животноводства сопряжено со своими сложностями. Используя передовые методы исследования, генетики животных добиваются прогресса в понимании точных генетических факторов, которые способствуют здоровью и регулируют рост, размножение и использование питательных веществ.
Эти фундаментальные знания приведут к появлению новых инструментов и методов управления, а также позволят увеличить производство и одновременно снизить воздействие животноводства на окружающую среду. Недавние инициативы в области геномики животных направлены на расшифровку генетического кода животных, используемых в пищу. Полученные в результате геномные технологии в значительной степени усилят исследования по выявлению генов и генетических механизмов, лежащих в основе экономически важных признаков видов домашнего скота
5. Создание экологически безопасных и эффективных биопрепаратов для защиты и улучшения сельскохозяйственных ценных качеств растений и животных (увеличение урожайности, устойчивости к вредителям, фитопатогенным инфекциям, засухе и засолению почв с/х растений, продуктивности с/х животных)
В направлении производства биопестицидов и биофунгицидов для борьбы с вредителями и болезнями растений на протяжении многих дет остаются США. Растениеводство, защита и разработка новых растительных продуктов имеют решающее значение для устойчивости и конкурентоспособности сельского хозяйства США, а также для экономического превосходства США на мировом рынке. Направленное изучение заболеваний растений, производства и продукции растительного происхождения позволит расширить понимание о системах растений и различных факторах, влияющих на продуктивность, позволяет производителям и потребителям продукции АПК решать серьезные проблемы в таких областях, как безопасность питания, рациональное использование природных ресурсов, биоэнергетика, изменчивость климата, органическое земледелие, потеря сельскохозяйственных угодий, проблемы со здоровьем опылителей и усиление глобальной конкуренции. Будущие усовершенствования производственных систем нуждаются в более глубоком понимании сложных, взаимосвязанных факторов в широком диапазоне масштабов.
К ним относятся исследования биологии растений и вредителей на молекулярном, клеточном и уровне всего организма, а также инновационные и экологически безопасные подходы к улучшению продуктивности растений и обеспечению защиты от биотических и абиотических стрессоров. Кроме того, крайне необходимо помочь смягчить экологический след сельского хозяйства.
Ключевые тенденции мирового рынка биопрепаратов.
Сегмент рекомбинантных белков доминирует на рынке биотехнологии. Существует растущий спрос на рекомбинантные белки для терапевтического применения. Белки человека, полученные с помощью генной инженерии, играют ключевую роль на рынке терапевтических препаратов. Рекомбинантные терапевтические белки обеспечивают важные методы лечения различных заболеваний, таких как диабет, рак, инфекционные заболевания, гемофилия и анемия. Общие терапевтические белки включают антитела, сшитые белки FC, гормоны, интерлейкин, ферменты и антикоагулянты. Кроме того, рекомбинантные белки являются полезными инструментами для понимания белок-белковых взаимодействий. Они доказали свою эффективность в нескольких лабораторных методах, таких как ИФА, вестерн-блоттинг и иммуногистохимия. Рекомбинантные белки можно использовать для разработки диагностических ферментативных анализов.
Северная Америка доминирует на рынке и, как ожидается, сделает то же самое в прогнозируемом периоде.
Ожидается, что Северная Америка будет доминировать на рынке в течение всего прогнозируемого периода. Рост рынка обусловлен такими факторами, как наличие ключевых игроков, высокая распространенность в регионе хронических заболеваний, для лечения которых в основном используются биофармацевтические препараты, а также развитая инфраструктура здравоохранения. Кроме того, выгодные правительственные инициативы и увеличение числа исследовательских партнерств являются одними из факторов, которые, как ожидается, увеличат рост рынка. В этом регионе США имеют максимальную долю благодаря поддерживающей политике в области здравоохранения, большому количеству пациентов и развитому рынку здравоохранения.
В Казахстане активно ведется разработка биологических препаратов для повышения урожайности с/х растений и продуктивности с/х животных.
Существующие на казахстанском рынке отечественные биопрепараты для растений:
Казахстанский стартап «EcoSave» создал биопрепараты, безвредные для окружающей среды.
В рамках проекта «Стимулирование продуктивных инноваций» при поддержке Министерства образования и науки Республики Казахстан и Всемирного банка получен грант на коммерциализацию биопрепарата для улучшения хранения моркови и картофеля.
В линейке имеется шесть продуктов, которые применяются для зерновых, масличных, кормовых и других культур. Например, ростостимулирующие и фунгицидные спектры действия, увеличивающие эффективность действия удобрений, фунгицидов, гербицидов и инсектицидов, пеногаситель, подавляющий образование пены в емкостях при приготовлении рабочих смесей агрохимикатов.
Биопрепарат и органическое удобрение «Аграрка». Проект «Стимулирование продуктивных инноваций» включает в себя 5 компонентов: развитие базы знаний для инноваций, инновационные консорциумы, консолидация цикла коммерциализации технологий, усиление координации национальной инновационной системы (НИС) и увеличение потенциала существующих институциональных структур и поддержка реализации Проекта.
В рамках Подпроекта «Разработка технологии переработки птичьего помета в органическое биоудобрение с помощью новых отечественных биопрепаратов и их внедрение в растениеводство» была создана лаборатория биотехнологии микроорганизмов для создания биопрепаратов, а также закуплено все необходимое оборудование, включая ферментер на 125 литров для выращивания микроорганизмов, а также специальная сельскохозяйственная техника.
Продукция ТОО «БИО-KATU» направлена на отечественные птицефабрики и сельхозпроизводителей, крестьянские и тепличные хозяйства. Из-за дефицита качественных органических удобрений в Казахстане и их высокой стоимости, спрос на отечественные биоудобрения будет всегда высоким
К ним относятся исследования биологии растений и вредителей на молекулярном, клеточном и уровне всего организма, а также инновационные и экологически безопасные подходы к улучшению продуктивности растений и обеспечению защиты от биотических и абиотических стрессоров. Кроме того, крайне необходимо помочь смягчить экологический след сельского хозяйства.
Ключевые тенденции мирового рынка биопрепаратов.
Сегмент рекомбинантных белков доминирует на рынке биотехнологии. Существует растущий спрос на рекомбинантные белки для терапевтического применения. Белки человека, полученные с помощью генной инженерии, играют ключевую роль на рынке терапевтических препаратов. Рекомбинантные терапевтические белки обеспечивают важные методы лечения различных заболеваний, таких как диабет, рак, инфекционные заболевания, гемофилия и анемия. Общие терапевтические белки включают антитела, сшитые белки FC, гормоны, интерлейкин, ферменты и антикоагулянты. Кроме того, рекомбинантные белки являются полезными инструментами для понимания белок-белковых взаимодействий. Они доказали свою эффективность в нескольких лабораторных методах, таких как ИФА, вестерн-блоттинг и иммуногистохимия. Рекомбинантные белки можно использовать для разработки диагностических ферментативных анализов.
Северная Америка доминирует на рынке и, как ожидается, сделает то же самое в прогнозируемом периоде.
Ожидается, что Северная Америка будет доминировать на рынке в течение всего прогнозируемого периода. Рост рынка обусловлен такими факторами, как наличие ключевых игроков, высокая распространенность в регионе хронических заболеваний, для лечения которых в основном используются биофармацевтические препараты, а также развитая инфраструктура здравоохранения. Кроме того, выгодные правительственные инициативы и увеличение числа исследовательских партнерств являются одними из факторов, которые, как ожидается, увеличат рост рынка. В этом регионе США имеют максимальную долю благодаря поддерживающей политике в области здравоохранения, большому количеству пациентов и развитому рынку здравоохранения.
В Казахстане активно ведется разработка биологических препаратов для повышения урожайности с/х растений и продуктивности с/х животных.
Существующие на казахстанском рынке отечественные биопрепараты для растений:
Казахстанский стартап «EcoSave» создал биопрепараты, безвредные для окружающей среды.
В рамках проекта «Стимулирование продуктивных инноваций» при поддержке Министерства образования и науки Республики Казахстан и Всемирного банка получен грант на коммерциализацию биопрепарата для улучшения хранения моркови и картофеля.
В линейке имеется шесть продуктов, которые применяются для зерновых, масличных, кормовых и других культур. Например, ростостимулирующие и фунгицидные спектры действия, увеличивающие эффективность действия удобрений, фунгицидов, гербицидов и инсектицидов, пеногаситель, подавляющий образование пены в емкостях при приготовлении рабочих смесей агрохимикатов.
Биопрепарат и органическое удобрение «Аграрка». Проект «Стимулирование продуктивных инноваций» включает в себя 5 компонентов: развитие базы знаний для инноваций, инновационные консорциумы, консолидация цикла коммерциализации технологий, усиление координации национальной инновационной системы (НИС) и увеличение потенциала существующих институциональных структур и поддержка реализации Проекта.
В рамках Подпроекта «Разработка технологии переработки птичьего помета в органическое биоудобрение с помощью новых отечественных биопрепаратов и их внедрение в растениеводство» была создана лаборатория биотехнологии микроорганизмов для создания биопрепаратов, а также закуплено все необходимое оборудование, включая ферментер на 125 литров для выращивания микроорганизмов, а также специальная сельскохозяйственная техника.
Продукция ТОО «БИО-KATU» направлена на отечественные птицефабрики и сельхозпроизводителей, крестьянские и тепличные хозяйства. Из-за дефицита качественных органических удобрений в Казахстане и их высокой стоимости, спрос на отечественные биоудобрения будет всегда высоким
6. Создание высокочувствительных диагностических тест-систем для идентификации инфекционных заболеваний сельскохозяйственных растений и животных
Разработка диагностических тестов (CRISPR/Cas, ИФА, ПЦР и др.) для выявления инфекций и заболеваний с/х растений и животных является актуальным направлением биотехнологии во всем мире. Секвенирование генов в качестве инструмента для диагностики. Затраты на секвенирование ДНК упали на 5 порядков с начала 2000-х годов, что открыло широкий спектр приложений в отрасли. Сниженная стоимость секвенирования целых геномов позволяет выявлять педиатрические заболевания, персонализировать лечение и создавать большие когорты с обширным фенотипированием. Секвенирование также представляет собой быстрый и недорогой метод обнаружения присутствия микробов, начиная от обнаружения патогенов в клинических и молочных образцах и заканчивая полезными почвенными микробами. Биотехнологические стартапы внедряют инновации, предлагая новые технологии секвенирования, а также новые приложения для секвенирования генов.
Британский стартап BioClavis предлагает персонализированную диагностику. Платформа стартапа TempO-Seq обеспечивает быстрое и недорогое высокопроизводительное профилирование транскриптома, кодирующего белок. Используя определенные входные последовательности, решение повышает эффективность и требует всего 10 % считываний секвенирования по сравнению с RNA-Seq. Стартап также разрабатывает решение для быстрого и точного выявления активных инфекций COVID-19. BioSkryb обеспечивает рабочий процесс полногеномного секвенирования (WGS) Bioskryb — американский стартап, разрабатывающий ResolveDNA, рабочий процесс полногеномного секвенирования. Рабочий процесс стартапа совместим с отдельными клетками, несколькими клетками и образцами ДНК с небольшими затратами.
BioSkryb также предлагает биоинформационную платформу BaseJumper, совместимую с большинством платформ секвенирования, для анализа секвенирования ДНК.
Разработка диагностических тестов (CRISPR/Cas, ИФА, ПЦР и др.) для выявления инфекций и заболеваний с/х растений и животных является актуальным направлением биотехнологии во всем мире. Секвенирование генов в качестве инструмента для диагностики. Затраты на секвенирование ДНК упали на 5 порядков с начала 2000-х годов, что открыло широкий спектр приложений в отрасли. Сниженная стоимость секвенирования целых геномов позволяет выявлять педиатрические заболевания, персонализировать лечение и создавать большие когорты с обширным фенотипированием. Секвенирование также представляет собой быстрый и недорогой метод обнаружения присутствия микробов, начиная от обнаружения патогенов в клинических и молочных образцах и заканчивая полезными почвенными микробами. Биотехнологические стартапы внедряют инновации, предлагая новые технологии секвенирования, а также новые приложения для секвенирования генов.
Британский стартап BioClavis предлагает персонализированную диагностику. Платформа стартапа TempO-Seq обеспечивает быстрое и недорогое высокопроизводительное профилирование транскриптома, кодирующего белок. Используя определенные входные последовательности, решение повышает эффективность и требует всего 10 % считываний секвенирования по сравнению с RNA-Seq. Стартап также разрабатывает решение для быстрого и точного выявления активных инфекций COVID-19. BioSkryb обеспечивает рабочий процесс полногеномного секвенирования (WGS) Bioskryb — американский стартап, разрабатывающий ResolveDNA, рабочий процесс полногеномного секвенирования. Рабочий процесс стартапа совместим с отдельными клетками, несколькими клетками и образцами ДНК с небольшими затратами.
BioSkryb также предлагает биоинформационную платформу BaseJumper, совместимую с большинством платформ секвенирования, для анализа секвенирования ДНК.
7. Разработка ветеринарных вакцин нового поколения
В области ветеринарной медицины проводятся исследования и разработки новых вакцин для различных видов с/х животных. Многие направления и тенденции в исследованиях включают использование современных технологий, таких как генетическая инженерия и биотехнология, для создания более эффективных и безопасных вакцин. Также изучаются возможности улучшения методов доставки вакцин и их стабильности.
Создание вакцин нового поколения основано на современных представлениях о физиологии бактерий и вирусов, использовании достижений молекулярной биологии, геномики, протеомики, прикладной и теоретической иммунологии. Новые технологии и подходы становятся неотъемлемой частью конструирования вакцин для защиты от различных инфекционных болезней, в том числе особо опасных, борьбы с пандемиями и актами биотерроризма.
Конструирование вакцинных препаратов на основе иммуногенных антигенов, синтезируемых рекомбинантными продуцентами, в значительной мере решило проблему остаточной вирулентности и реактогенности. Однако исследования последних десятилетий показали, что продукты геномных технологий обладают недостаточной иммуногенностью, в том числе вследствие отсутствия у них патоген-ассоциированных молекулярных структур микроорганизмов, взаимодействующих с рецепторами врожденного иммунитета. Стимуляция структур врожденного иммунитета инициирует каскад реакций, запускающих развитие адаптивного иммунитета. Следовательно, вакцины на основе рекомбинантных иммуногенных антигенов требуют включения в рецептуру веществ, неспецифически усиливающих иммунный ответ. В современный период важнейшим направлением вакцинологии является поиск и внедрение в практику новых адъювантов, действующих непосредственно на иммунокомпетентные клетки и стимулирующих формирование выраженного адаптивного иммунного ответа. Принимается во внимание эффективность активации иммунологической памяти, способность к комплексной стимуляции Th1 и Th2 иммунного ответа, избирательному транспорту иммуногенных антигенов в соответствующие клетки и ткани, обеспечению выраженного иммунного ответа при снижении дозы вакцины и кратности введения. Обязательным условием является отсутствие токсичности для организма, способности вызывать аллергические и аутоиммунные осложнения. В ряде случаев адъювантам принадлежит ключевая роль в оптимизации иммунного ответа, например, при усилении иммуногенности слабых антигенов, активации иммунного ответа у лиц с редуцированным или ослабленным иммунитетом. Эффект адъювантов многократно возрастает при соответствии их функций свойствам иммуногена или при комбинировании дополняющих друг друга препаратов. Предпочтение отдается модификаторам функций рецепторов врожденного иммунитета и их сигнальных путей.
В сфере ветеринарии казахстанские учёные тесно сотрудничают с зарубежными коллегами из Южной Кореи, Грузии, Кубы, США, Франции и Германии. Ежегодные стажировки специалистов и разработка вакцин финансируется из госбюджета, частных компаний и грантов. По состояянию на 2023 г. в РК трудится более 3000 квалифицированных специалистов по данному направлению. В 2024 году отечественные учёные планируют представить 3 новые вакцины для животных. Однако, актуальность вопроса остается в связи с постоянной угрозой вспышки новых инфекционных заболеваний.
В области ветеринарной медицины проводятся исследования и разработки новых вакцин для различных видов с/х животных. Многие направления и тенденции в исследованиях включают использование современных технологий, таких как генетическая инженерия и биотехнология, для создания более эффективных и безопасных вакцин. Также изучаются возможности улучшения методов доставки вакцин и их стабильности.
Создание вакцин нового поколения основано на современных представлениях о физиологии бактерий и вирусов, использовании достижений молекулярной биологии, геномики, протеомики, прикладной и теоретической иммунологии. Новые технологии и подходы становятся неотъемлемой частью конструирования вакцин для защиты от различных инфекционных болезней, в том числе особо опасных, борьбы с пандемиями и актами биотерроризма.
Конструирование вакцинных препаратов на основе иммуногенных антигенов, синтезируемых рекомбинантными продуцентами, в значительной мере решило проблему остаточной вирулентности и реактогенности. Однако исследования последних десятилетий показали, что продукты геномных технологий обладают недостаточной иммуногенностью, в том числе вследствие отсутствия у них патоген-ассоциированных молекулярных структур микроорганизмов, взаимодействующих с рецепторами врожденного иммунитета. Стимуляция структур врожденного иммунитета инициирует каскад реакций, запускающих развитие адаптивного иммунитета. Следовательно, вакцины на основе рекомбинантных иммуногенных антигенов требуют включения в рецептуру веществ, неспецифически усиливающих иммунный ответ. В современный период важнейшим направлением вакцинологии является поиск и внедрение в практику новых адъювантов, действующих непосредственно на иммунокомпетентные клетки и стимулирующих формирование выраженного адаптивного иммунного ответа. Принимается во внимание эффективность активации иммунологической памяти, способность к комплексной стимуляции Th1 и Th2 иммунного ответа, избирательному транспорту иммуногенных антигенов в соответствующие клетки и ткани, обеспечению выраженного иммунного ответа при снижении дозы вакцины и кратности введения. Обязательным условием является отсутствие токсичности для организма, способности вызывать аллергические и аутоиммунные осложнения. В ряде случаев адъювантам принадлежит ключевая роль в оптимизации иммунного ответа, например, при усилении иммуногенности слабых антигенов, активации иммунного ответа у лиц с редуцированным или ослабленным иммунитетом. Эффект адъювантов многократно возрастает при соответствии их функций свойствам иммуногена или при комбинировании дополняющих друг друга препаратов. Предпочтение отдается модификаторам функций рецепторов врожденного иммунитета и их сигнальных путей.
В сфере ветеринарии казахстанские учёные тесно сотрудничают с зарубежными коллегами из Южной Кореи, Грузии, Кубы, США, Франции и Германии. Ежегодные стажировки специалистов и разработка вакцин финансируется из госбюджета, частных компаний и грантов. По состояянию на 2023 г. в РК трудится более 3000 квалифицированных специалистов по данному направлению. В 2024 году отечественные учёные планируют представить 3 новые вакцины для животных. Однако, актуальность вопроса остается в связи с постоянной угрозой вспышки новых инфекционных заболеваний.