Основные научные задачи и ожидаемые прорывные результаты на 2021 - 2030 годы

Современная биология рассматривает организацию живых систем на двух уровнях. Общая биология исследует процессы на уровне организмов, популяций, видов, сообществ и экосистем в их взаимодействии с окружающей средой. Физико-химическая биология изучает молекулярные основы жизни, состав и строение клеток и лежащие в основе их жизнедеятельности молекулярные процессы.

Исследования в области биологии развития и эволюции живых систем направлены на решение важнейших проблем биологии - понимание эволюции живых организмов, механизмов формирования биологического разнообразия и роли в этом процессе онтогенетических преобразований. Знание этих механизмов позволяет понять ход эволюционного процесса в органическом мире в прошлом и прогнозировать его перемены в будущем.

Исследования экологии организмов и сообществ направлены на получение новых знаний о структуре и функциях живых систем на уровне организмов, популяций, сообществ и экосистем, на выявление факторов, механизмов и закономерностей их функционирования и динамики в связи с глобальными изменениями на Земле (включая изменение климата и антропогенное воздействие). Анализ этих процессов позволит понять и оценить влияние глобальных изменений на естественное биоразнообразие за счет угнетения аборигенных и вселения чужеродных видов из других климатических зон и более устойчивых к антропогенным воздействиям.

Исследования биологического разнообразия и биоресурсов направлены на получение новых результатов по оценке их современного состояния и динамики. Большое значение имеет изучение еще малоисследованных групп организмов, сообществ и биоценозов. Эти работы необходимы для создания новых биологических коллекций и разработки новых биотехнологий (для сельского, лесного и рыбного хозяйства, фармацевтики, сохранения окружающей среды и др.). Такие исследования позволят разработать новые технологии устойчивого и неистощительного использования природных биологических ресурсов.

Исследования в области общей генетики направлены на выяснение молекулярно-генетических механизмов генотипической и фенотипической изменчивости и адаптаций организмов, разработку основ управления генофондами организмов. Будут выполнены актуальные исследования по выявлению генов и генных сетей, контролирующих развитие ценных признаков растений и животных, разработке молекулярных маркеров для селекции, а также изучению механизмов взаимодействия "паразит - хозяин" с использованием омиксных технологий (на геномном, транскриптомном и протеомном уровнях). Также актуальны и исключительно важны исследования по структуре генофонда и истории формирования народов России.

Исследования почв как компонента биосферы имеют исключительную важность, поскольку их плодородие является важнейшим фактором обеспечения продовольствием населения нашей планеты. В связи с этим большое значение имеет изучение влияния глобальных климатических изменений и хозяйственной деятельности на экологические функции почв, понимание направленности и скорости элементарных почвенных процессов в ходе естественной и антропогенной эволюции почв вследствие экзогенных поступлений (удобрения, гербициды, пестициды). Это позволит разработать биогеохимические стандарты, связанные с воздействием на окружающую среду и здоровье человека. Особую актуальность имеют вопросы регулирования циклов биофильных элементов в наземных экосистемах, включая исследование особой роли почвы в круговоротах углерода и азота и оценку роли почв и почвенного покрова в эмиссии и стоке парниковых газов.

Исследования в области функциональной микробиологии включают анализ микробных сообществ различных экологических ниш, разработку методов анализа их метагеномов, поиск продуцентов новых антибиотиков и биокатализаторов. Актуальным в экспериментальной биологии растений является изучение детальных механизмов фотосинтетических процессов с перспективой создания в будущем эффективных искусственных фотосинтетических систем, что позволит получить неисчерпаемый источник пищевых ресурсов непосредственно из атмосферы. Важнейшими задачами этого направления являются создание методологии управляемого онтогенеза и продуктивности растений; исследование стратегии и механизмов их адаптации к стрессовым факторам среды; конструирование биологически безопасных линий растений с заданными свойствами при помощи генетического редактирования.

Исследования в области биохимии, биофизики и структурной биологии направлены на идентификацию и установление состава и пространственной структуры биомолекул; понимание того, как структура биомолекул определяет их функцию. Изучение совокупности химических реакций клетки и закономерностей их катализа позволит выявить новые точки приложения для создания новых лекарств и иных биорегуляторов клеточных процессов. На основе полученных данных будет разрабатываться дизайн (в первую очередь компьютерный) и синтез биомолекул любого класса и их неприродных аналогов, в том числе посредством методов органического синтеза, а также белковой, клеточной и генной инженерии.

Молекулярная биология, молекулярная генетика и геномные исследования направлены на изучение механизмов хранения, передачи и реализации генетической информации. Особое значение имеют установление молекулярных механизмов взаимодействия белков и низкомолекулярных биорегуляторов с ДНК и РНК, а также раскрытие регуляторных механизмов координированного функционирования генов, приводящего к появлению определенных признаков, и изучение посттранскрипционных этапов экспрессии генетической информации. Полногеномные исследования позволят создать новые методы диагностики и терапии наиболее распространенных наследственных заболеваний. Большие перспективы открываются в связи с развитием геномного редактирования, посредством которого будет широко развито получение видоизмененных организмов.

Исследования в области клеточной биологии и иммунологии направлены на выяснение причин онкологических заболеваний, в значительной степени связанных с нарушениями клеточной дифференцировки и иммунитета. В связи с этим важнейшими задачами данного направления являются выявление генетических программ старения, смерти и механизмов нарушения нормального развития клеток, разработка методов повышения эффективности иммунной системы организма. Особое значение имеет получение стабильных линий стволовых клеток человека, способных к тканеспецифической дифференцировке и применению при создании искусственных органов.

Исследования в области системной биологии и биоинформатики направлены на решение актуальных задач биологии с использованием современных математических и вычислительных методов. Особую актуальность имеет разработка алгоритмов и программ для высокоэффективной функциональной аннотации геномов, транскриптомов, протеомов, метаболомов микроорганизмов, растений, животных и человека, создание теоретических основ и методических подходов к изучению сетевых динамических взаимодействий биомолекул.

Работы в области биотехнологии позволят создать новые эффективные технологии для промышленности, сельского хозяйства, медицины, рационального природопользования и сохранения природных экосистем.

Исследования в области синтетической биологии направлены на создание технологий и инструментов целенаправленного изменения и конструирования геномов с целью создания организмов и их компонентов, содержащих не встречающиеся в природе биосинтетические пути. В результате этих работ в дальнейшем предполагается разработка подходов к разработке технологий создания полностью искусственных живых организмов.