БИОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

В СУХОПУТНЫХ ВОЙСКАХ БУДУЩЕГО

Введение

11 сентября 2001 г ., нападение на Соединенные Штаты Америки и череда заражений гражданского населения сибирской язвой заставили нацию пробудиться. Конечно, противники США не нуждаются в больших армиях или межконтинентальных войнах, чтобы угрожать обычным гражданам и ассиметричными боевыми действиями негативно повлиять на традиционную  военную мощь. Поэтому выбором сухопутных войск стало использование науки и технологии для существенной трансформации самих себя с учетом расширенного спектра угроз.

Недавние испытания, проведенные в центре национальных исследований по военным технологиям и науке (NRC BAST) с целью изучения возможностей биотехнологии для использования в сухопутных войсках будущего, наметили пути, следуя по которым достижения биотехнологии смогут повысить боевую эффективность солдат и систем. Испытания позволили выбрать перспективные области исследований в датчиках, материалах, компьютерах и электронике, тыловом обеспечении и медицине. С тех пор, как было объявлено о результатах испытаний, эти направления исследований подтвердили свою необходимость.

Биотехнологические методы долгое время использовались для обнаружения, идентификации и сопровождения источника болезней. Двумя основными задачами биологического обнаружения является защита войск на поле боя и четкая идентификация биологических средств нападения. Последнее иногда относят к “биологическому суду”, потому что данная информация используется в легальных судебных процессах.

Примером биологического суда послужила в 1993 году успешная идентификация загадочного патогена, который разрушал ткань человеческих легких. Смертоносный патоген открыт в 1976 году в Нью-Мехико с использованием технологии полимерной последовательной реакции (PCR) и был отнесен к хантавирусу (выделенному из полосатой полевой мыши, обитающей в районе Хантаан Ривер в Южной Корее). В технологии PCR используется дезоксирибонуклеиновая кислота (DNA) для идентификации и выделения в определенном порядке вирусных генов из ткани жертвы. Другими средствами при использовании методов биотехнологии являются технологии, подобные PCR, в свое время используемые для поисков “биологической сигнатуры” спор сибирской язвы, рассылаемых в письмах по США во время недавних биотеррористических актов.

Сенсорные технологии

Для обнаружения угрожающих биологических средств в воздухе и воде используется множество сенсорных технологий на базе иммунообразцов, образцов нуклеиновой кислоты и фотооптики. В будущем эти технологии могут также быть использованы для наблюдения в боевой (угрожающей) обстановке за солдатами для выявления болезненных симптомов от воздействия вредных субстанций. Сложные химические и биологические анализы пищевых продуктов теперь могут осуществляться с помощью биокристаллов размером с почтовую марку. Биосенсорная сеть, связанная с полевыми формированиями, могла бы увеличить объем данных, получаемых от других сенсорных и разведывательных источников, и предоставить командирам более полную картину о возможностях вражеских войск и обеспечить наилучшие условия для действий на поле боя.

В настоящее время существуют различия между требованиями, предъявляемыми сухопутными войсками по обнаружению биологических средств на поле боя и существующими коммерческими системами их обнаружения.  Например, недостаточная универсальность коммерческих биосенсорных систем при их развертывании в боевой обстановке, в большой степени зависящая от используемых биологических реагентов. Кроме того, военные требуют миниатюризации и работы средств биологической разведки в единой сети. Однако, похоже, что последнее требование не будет предъявлено без выполнения необходимых для достижения этих целей капиталовложений и предварительного согласования требований, предъявляемых сухопутными войсками.

Исследование геномики

Проект исследований человеческого генома и связанные частные усилия указали дорогу для использования огромного количества информации, которую несут гены. Мониторинг генов включает в себя: извлечение данных из дезоксирибонуклеиновой кислоты (DNA) посредством проверки нормирования генов; оценивание, какие участки в метаболических проводящих путях тела поражены; и сравнение этой информации с характеристиками человека. Исследование геномики позволит лекарственным препаратам и терапии быть “подогнанными” для каждого солдата и смогут научно предсказывать поведение.

Токсикогеномика – наука, тесно связанная с геномикой, изучает соотношения между геном и протеиновой экспрессией (т.е. характеристики иммунной реакции) и реакции на токсичные вещества. Гены часто реагируют на токсичные вещества так, что неделями, и даже месяцами нельзя наблюдать патологию или она выражена на уровне с закрытыми симптомами.  

Исследование в области токсикогеномики могут помочь в вопросах обнаружения и защиты от химических и биологических ядовитых веществ, а также от токсичных промышленных химикалий и патогенов в тех государствах, где  стандарты по защите окружающей среды отличаются от  США. Центр национальных исследований (NKС) подал ходатайство, чтобы сухопутные войска проинвестировали военные исследования в области геномики путем  использования методов коммерческой геномики с целью предотвращения последствий “появления неприятеля на горизонте”. Данные исследования обещают, что в этом случае сухопутные войска смогут использовать точные и проверенные данные для улучшения здоровья солдат и прослеживать показатели здоровья.

Однако другое применение геномики, необходимое сухопутным войскам, не может быть адресовано к биотехнической промышленности. Например, важными и четко определенными требованиями сухопутных войск являются разработка быстродействующих вакцин и возможности мелкосерийного производства этих вакцин. Но для удовлетворения этих требований коммерческому рынку не хватает побудительных мотивов, хотя задачи (и рынок) похоже расширяются в связи с требованиями обороны и подготовки противодействия будущим биотеррористическим континентам. Геномические исследования открывают дверь к новым технологиям для разработок вакцин и сухопутные войска должны поддержать эти исследования в таких областях, как технические инженерные вирусы, вакцины на базе клетки, вакцины DNA и моноклональные антитела.

Влияние сухопутных войск

Для сухопутных войск наступят тяжелые времена, определяемые курсом на развитие биотехнологии. С одной стороны, коммерческие исследования и разработки сфокусированы  на удовлетворении требований сельского хозяйства, медицины и окружающих условий, а основные направления биотехнологии, используемые в сухопутных войсках, не являются медицинскими. К тому же, эта появляющаяся область промышленности включает ряд крупных фирм, занимающихся выпуском разнотипного ассортимента сельскохозяйственной и фармацевтической продукции, и сотни мелких предприятий. Эта промышленность работает в режиме высокой конкуренции в мириаде специализированных областей, включая  геномику, биоинформатику, микрожидкости и нанотехнологию. Доллары, сэкономленные промышленностью на исследованиях, намного превышают средства, необходимые для исследований и разработок для всех сухопутных войск; таким образом партнерство для  совместных  действий и управления будет обязательными для сухопутных войск.

Биоматериалы

Изучение возможностей биотехнологий, проведенное NRC BAST, показало, что многие из них появятся в результате исследований биологических гибридных материалов и биологических инспирированных материалов. Биоматериалы, подходящие для восстановления человеческого организма, могут обеспечить начало процесса залечивания ран на поле боя и ускорить срастание костей посредством самовосстановления. Создание новых тканей, включая использование ствольных клеток, поможет восстанавливать хрящи и заменять мертвые или поврежденные ткани. Однако новые технологии, необходимые для разработки методов соединения протеиновой структуры в связи с ее назначением и для оптимизации конструкции протеинов, должны быть осуществлены через генную инженерию.

Протеины

Растущий багаж знаний о протеинах, известный как протеомика, играет ведущую роль во множестве важных областей их применения. Например, специальные протеины, которые могут дать возможность роста синтетических материалов на биологических поверхностях, могут разрешить вопросы биосовместимости и облегчить имплантацию сенсоров, мониторов и других микроприборов. Другим успехом для сухопутных войск являются электронные компоненты на базе протеинов, легкая броня, созданная из структурных протеиновых полимеров, и каталитические ферменты для разрушения токсичных материалов.

Фокусирование исследований на протеинах уже привело к важным разработкам в молекулярной электронике, компьютерах, связи и в силовых системах. Компьютерная память на протеиновой структуре обеспечивает безопасное и практически неограниченное хранение данных в жестких полевых условиях. К тому же, очевидно, что генетически созданные протеины могут быть использованы для придания электронным компонентам стойкости к радиоактивному оружию.

Биологические фотогальванические клетки, имитирующие натуральные фотосинтетические процессы, могут дать солдатам альтернативу батареек для радио, дисплеев и другого полевого оснащения. Успехи в сельскохозяйственной биотехнологии, которые делают доступной многофункциональную пищу, такую как съедобные вакцины, могут в перспективе упростить тыловое обеспечение для небольших подразделений. Однако более важным, чем тыловое обеспечение, являются биологические исследования в области миниатюризации систем.

Нанотехнологии

Многие успехи в нанотехнологии обязаны своим появлением научному перевороту в молекулярной и клеточной биологии. Наноприборы, состоящие из консолей, насосов, клапанов, каналов и электронных компонентов, показывают существующий потенциал для сохранения мощности, интеграции внешних и внутренних сенсорных систем и для преобразования используемых функций в проницающих режимах. Наномасштабные структуры, которые воспроизводят биологические функции, могут быть использованы для оценки физиологического состояния (в том числе состояния боевой готовности) или реакций на загрязнения поля боя или на биологические угрозы. Другие приборы могут сочетать биологические или синтетические компоненты с силиконом для выполнения функций восприятия, что невозможно другим образом.

Нанотехнология обладает таким большим потенциалом, что правительство выделило более 500 млн. долларов для национальных исследований в области нанотехнологии, а сухопутные войска учредили военный нанотехнологический центр, где ученые смогут работать на конкурентной основе над общими вопросами.

Другие грани биотехнологии, включая токсикогеномику, молекулярную электронику и биологически инспирированные материалы, похоже имеют экстраординарное воздействие на операции будущих сухопутных войск. В связи с этим необходимы исследования в некоторых ключевых областях для преодоления критических барьеров немедицинских разработок, важных для будущего использования сухопутными войсками, отсутствующих в коммерческой деятельности. Сюда входят разработка молекул, определяющих угрозу целям для боевых датчиков, поиск протеинов для устойчивой к радиации электроники, современных материалов для боевых моделей и интерфейсов для имплантируемых подструктур приборов.

Вывод

Можно ожидать, что потенциальные противники (США) имеют преимущество в разработках биотехнологий для достижения не совсем ясных целей. Поэтому сухопутные войска должны определиться, чтобы держать под контролем расширенное поле биотехнологий, чтобы воздействовать на разработки будущего применения и чтобы использовать новые возможности, как только они появятся.

Новый центр биотехнологии сухопутных войск, создание которого было предложено по завершению испытаний, станет важным шагом вперед, его внимание будет сконцентрировано на исследованиях и наблюдении за коммерческими разработками. Новая мультидисциплинарная деятельность фокусируется на специальных областях биотехнологии, принимая во внимание нужды сухопутных войск будущего, с минимальными коммерческими интересами и инвестициями.

Dr. Michael R. Ladish, Dr. James J. Valdes and LTC Robert J. Love ( USA , Ret)

Biotechnology for future Army Applications Army AL&T, July-August 2002, p. 36-37