В декабре в «Сириусе» состоялась образовательная программа по генетическим технологиям. Она включала в себя лекции, а также практические занятия по классической, популяционной, молекулярной и медицинской генетике, агробиотехнологиям и биоинформатике. Рассказываем о нескольких практических задачах, поставленных перед участниками программы. Все они связаны с актуальными проблемами современной генетики, а также являются действующими проектами, которые ведут ученые.
Преподаватель программы Илья Семенов курировал на программе задачу в области молекулярной биологии. Школьники под руководством наставников учились с нуля конструировать гены. Такие разработки помогут создавать биологические системы с необходимыми свойствами и функциями. Подчас подобные системы не имеют аналогов в природе. Это новая и перспективная научная сфера.
«Исследования в этой области позволят создавать принципиально новые генетические конструкции. Чтобы ребята поняли, как работать с такими системами в лабораториях, мы взяли в работу зеленый флуоресцентный белок, который встречается в природе. Используя методы секвенирования, мы превратим ген светящегося зеленого белка в новый ген синего белка. Смысл всей молекулярной биологии – создать что-то действительно новое. В частности, такие методы позволят нам вырастить новые культуры, устойчивые к различным патогенам, неблагоприятным климатическим условиям. Также эта методика может стать основой для выведения новых бактерий, которые смогут перерабатывать пластик. Тут уже речь о проекте в сфере экологии. Таких прикладных сфер применения может быть очень много», – рассказывает Илья Семенов.
Школьники работали над этой задачей, разделившись на пять небольших групп. Антон Матковский приехал в «Сириус» из Мурманска. Это его вторая образовательная программа по генетике.
«На программе я научился делать динамическую ПЦР, познакомился с методами рестрикции и лигирования, первый раз самостоятельно выращивал бактерии в лаборатории. Эта программа позволила мне получить структурированную картину того, как работает молекулярная биология, как обращаться со сложными приборами, как взаимодействовать с коллегами в команде. И это действительно современный научный проект. Над такими задачами работают профессиональные ученые, и очень здорово, что школьники могут тоже включиться в них», – говорит Антон Матковский.
Софья Корнева приехала на программу из Волгограда. Это ее четвертый образовательный интенсив в «Сириусе». Примечательно, что впервые Софья приезжала на литературное творчество, но впоследствии заинтересовалась биологией и генетикой и стала развиваться в этих сферах. На декабрьской программе по генетическим технологиям Софья вместе с командой работала над проектной задачей в области фитогенетики под руководством экспертов Всероссийского института генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова. Проектная задача была разделена на две части, затрагивающие методы ускоренной селекции. В первой ребята учились вводить в культуру in vitro семена и экспланты гороха, во второй приняли участие в разработке молекулярно-генетического маркера к гену интереса. Разрабатывать молекулярные маркеры к хозяйственно ценным признакам необходимо, чтобы уже на ранних стадиях селекционного процесса отбирать нужные формы с желаемыми признаками. Эксперты анализируют сорта той или иной культуры не только по внешним признакам, но и на генетическом уровне.
«Глобально речь идет о том, что селекционеры смогут отбирать сорта, которые обладают большей урожайностью и другими положительными свойствами. Разработка молекулярных маркеров позволит еще на стадии проростков определять свойства будущих растений и понимать, какой генотип можно использовать фермерам, а какой нецелесообразно. Мне было очень интересно работать в лаборатории: проводить ПЦР, электрофорез в агарозном геле, впервые я попробовала метод введения в культуру in vitro. Очень важно изучать генетику растений. Это поможет улучшить урожайность, создать сорта с повышенным содержанием полезных веществ. Например селекционеры вывели золотой рис – это сорт специально для тех регионов мира, где существует нехватка витамина А. Генетика растений помогает в вопросах здоровья, продовольственной безопасности, промышленности. Это очень большое поле для реализации», – говорит Софья.
Как отметила один из руководителей проекта, старший научный сотрудник Крымской опытно-селекционной станции – филиала ВИР Ольга Путина, результаты этой работы будут применяться в практической селекции специалистами института.
«Мы изучаем огромные объемы коллекционного материала ВИР для того, чтобы включить в селекционный процесс нужные генотипы. Те же молекулярные маркеры можно использовать при отборе в расщепляющихся гибридных популяциях, полученных в результате проведенных скрещиваний. Таким образом, селекционеры смогут ускорить процесс создания сортов с необходимыми свойствами: как потребительскими, так и сельскохозяйственными. Востребованные с точки зрения промышленности сорта будут запущены в массовое производство. В итоге школьники помогают выполнять одну из составляющих большой и очень важной задачи по обеспечению продовольственной безопасности страны и приобщаются к работе в научных группах», – говорит Ольга Путина.
Вторая часть проекта была посвящена генетике декоративных растений. Объектом исследований стал львиный зев. Школьники под руководством наставника изучали гены, ответственные за окраску цветка. Вариабельность генов позволяет менять цвета. Анализируя генетический материал и выявляя закономерности в проявлении той или иной окраски, ученые создают условия для дальнейшего генетического редактирования. Уже сейчас выращивают цветы и растения, аналогов которым в природе нет. Всем известная голубая роза – это тоже продукт генной инженерии. И работы в этом направлении из года в год приобретают все большую популярность. На проекте участники научились создавать питательные среды c оптимальными показателями, работать с помещенными в них семенами и выделять ДНК уже из пророщенного растительного материала – он был заготовлен заранее и предоставлен специалистами ВИР. На финальном этапе проекта ребята с помощью разных методик изучали гены, отвечающие за цвет.
«Огромным плюсом является то, что мы включаем участников в реальные большие проекты, их ведут наши ученые. Это не какие-то абстрактные задачи. Это настоящая работа, которую курирует научные сотрудники. И небольшой этап этой работы выполняют школьники. Таким образом, ребята понимают, чем занимаются ученые, и решают, интересно ли им это, хотят ли они связать с этой областью жизнь», – говорит преподаватель программы, заведующий лабораторией генетики, селекции, биотехнологии декоративных и ягодных культур
Всероссийского института генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова Руслан Рахмангулов.
Еще одна проектная задача была междисциплинарной. Школьники реализовывали проект в области биоинформатики и работали не в лабораториях, а в научных классах на компьютерах, оснащенных специальными программами. Современные технологии прочтения генома позволяют больше узнать об устройстве человеческого организма, например, определить природу наследственных заболеваний. Но биологические данные о живых организмах, которые способны получить современные ученые, представляют собой огромные массивы информации. Возникает вопрос, как оперировать такими объемами данных. Для этого необходимо разрабатывать специальные алгоритмы анализа данных. На помощь приходит биоинформатика.
«На программе школьники работали над учебным проектом. Ребята собирали митохондриальный геном неизвестного для них организма. Далее из полученного генома они извлекали кодирующую информацию и строили с помощью программ филогенетическое дерево, изучая родство разных организмов друг с другом. Благодаря работе с разными базами данных участники достигли цели», – рассказал руководитель проекта, заведующий кафедрой биологии и научный руководитель биологического класса Ассоциации победителей олимпиад, сотрудник лаборатории молекулярной филогенетики Беломорской биологической станции МГУ имени М.В. Ломоносова Дмитрий Федоров.
Вера Маслова приехала в «Сириус» из Москвы. На программах по биологии и генетике она уже в третий раз, но впервые включилась в междисциплинарную задачу.
«Для меня это абсолютно новая сфера. Если честно, раньше я даже немного боялась информатики. Мне казалось, это то, что у меня не получится. Но в “Сириусе” я поняла, как эта сфера соприкасается с моей любимой отраслью научных знаний – биологией. На программе я впервые познакомилась с языком программирования Bash, поработала с базами данных. Мы научились практически с нуля собирать геном, построили филогенетическое дерево в программах, которые используют ученые в реальной практике. Мне настолько понравился проект, что я решила больше узнать об информатике. Планирую развиваться и в этой сфере», – говорит Вера.
Всего в декабрьской программе по генетическим технологиям – 2022 приняли участие 99 школьников из 39 регионов России.
