Задачи 2018

Задачи очного этапа Международного студенческого БиоТурнира 2018

1. Какое Вам КОЕ?

Согласно определению ВОЗ «Пробиотики – живые микроорганизмы, которые при введении в достаточных количествах приносят пользу организму хозяина». Однако в настоящее время не имеется достаточного количества научных данных, доказывающих предотвращение болезней или улучшение состояния здоровья людей от приема пробиотиков. Рассмотрите механизм терапевтического действия пробиотических препаратов. Предложите схему и, при возможности, проведите эксперимент, демонстрирующих механизм действия данных препаратов. Предложите способы увеличения терапевтического действия при приеме пробиотиков.

2. Сэкономь на обедах

Задача предложена ГК «ЭФКО»

Перспективным является использование микроорганизмов продуцентов для накопления в биомассе различных ценных веществ. Для удешевления таких биотехнологических процессов используются отходы сельскохозяйственных производств. Примером дешевого субстрата для микроорганизмов является лузга подсолнечника, содержащая большое количество клетчатки. Однако в процессе переработки клетчатки в биомассе микроорганизмов могут образовываться компоненты токсичные или аллергенные для человека и животных. Предложите способы биотехнологической переработки лузги подсолнечника и использования полученных питательных веществ в пищевых и кормовых продуктах.

3. Тысяча лет одиночества

В почвах, которые развиваются на «вечной мерзлоте», в зоне тундры, широко распространены разнообразные процессы криогенного массообмена. Это выражается в нарушении вертикальной связи почвенных горизонтов из-за образования льда и довольно быстрого погребения фрагментов поверхностных органогенных горизонтов вглубь профиля. В составе этих фрагментов может осуществляться миграция представителей почвенной микрофауны (жгутиконосцев, инфузорий, амёб и нематод) с поверхности вглубь почвы, где они попадают в режим околонулевых температур, а иногда и переходят в многолетнемерзлое состояние.
Известно, что покоящиеся стадии ряда организмов способны переносить длительную (сотни и тысячи лет) криоконсервацию в низкотемпературных условиях глубоких горизонтов полярных почв. Однако исследования показали, что жизнеспособность в таких условиях способны сохранять лишь определенные виды из сообществ современной почвенной микрофауны.
Выявите отличия между видами, которые способны длительное время сохранять жизнеспособность в низкотемпературных условиях и видами, которые не обладают такой способностью.  Определите факторы, действие которых препятствует длительному сохранению жизнеспособности видов в сообществе «живых ископаемых» организмов.

Авторы задачи: Алексей Лупачев и Анастасия Шатилович, с.н.с. лаборатории криологии почв, ИФХиБПП РАН, Пущино.

4. Скоро ветер переменится

Проблема утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) является одной из основных экологических и экономических проблем в мире. Одним из аспектов этой проблемы является эмиссия на полигонах ТБО так называемого свалочного газа, вызывающего негативные эффекты как локального, так и глобального масштаба. В частности, накопление свалочного газа является причиной возникновения пожароопасных ситуаций, оказывает гибельное воздействие на растительный покров, загрязняет атмосферу токсичными и парниковыми соединениями.
Разработайте методы уменьшения эмиссии свалочного газа или способы минимизации негативных эффектов его образования.

Задача предложена Аладиным Данилой Юрьевичем, н.с. лаборатории ландшафтной экологии, ИФПБ РАН, Пущино.

5. Мне сверху видно все

Территория Российской Федерации составляет свыше 17 млн кв. км, и примерно 45 % ее занято лесами. В настоящее время обязательным является периодическое проведение государственной инвентаризации лесов, некоторыми из задач которой является определение качественных и количественных характеристик лесов, составление баз данных и геоботанических карт. Натурные исследования позволяют получить подробные данные о лесных биоценозах, но лишь на небольших площадях. Данные дистанционного зондирования Земли, полученные со спутников, зондов, в результате аэросъемки и пр., не позволяют учитывать некоторые особенности лесных сообществ, в первую очередь многоярусность. Например, для хвойно-широколиственнойтайги на юге Дальнего Востока, обычным является наличие трех древесных ярусов, подроста и кустарников. Одним из самых современных подходов для картографирования является использование лазерных сканеров, однако оно не позволяет определять видовую принадлежность отдельных компонентов.

Предложите новые или усовершенствуйте имеющиеся способы картографирования растительности, которые значительно ускорят процесс картографирования и снизят его трудоемкость.

Задача предложена Петруненко Екатериной Александровной, м.н.с. лаборатории геоботаники, Ботанический сад-институт ДВО РАН.

6. Градус комфорта

Задача предложена официальным партнером БиоТурнира – ЗАО «Биокад»

РНК-термометр, или РНК-термосенсор — температурочувствительная некодирующая РНК, которая принимает участие в регуляции экспрессии генов. Принцип работы РНК-термометра заключается в изменении вторичной структуры этой молекулы в ответ на изменение температуры. В ходе таких структурных изменений важные участки этой РНК, например, сайт связывания рибосомы, выставляются наружу или, наоборот, уходят вглубь молекулы, тем самым влияя на трансляцию близлежащего гена. Обычно это гены, необходимые для ответа на тепловой или холодовой шок.

Объясните молекулярный механизм срабатывания термосенсора в ответ на изменение температуры. Предложите любые возможные сферы применения температурочувствительной РНК. В каком интервале температур могла бы она использоваться?

Задача предложена Соловьевым Валерием Владимировичем, к.б.н., Отдел клеточной инженерии, ЗАО Биокад.

7. Превосходство пленки

Задача предложена генеральным партнером БиоТурнира – АО «Р-Фарм»

Большинство инфекционных заболеваний вызывается микроорганизмами, существующими в форме биопленок. Бактерии, живущие внутри биопленок, проявляют значительно более высокую устойчивость к антибиотикам и другим лекарственным препаратам. Наибольшую угрозу среди пленкообразующих бактерий представляют Staphylococcus epidermidis, Staphylococcus aureus, Staphylococcus spp., Pseudomonas aeruginosa, вызывающие инфекции мочеполовых путей, пневмонию, а также инфекции после хирургического вмешательства.
Предложите стратегии борьбы с заболеваниями, обусловленными пленкообразующими бактериями, учитывая рост их антибиотикорезистентности.

8. Кармин для Кармен

Пищевой краситель кармин получают из бескрылых самок кошенильного червеца Dactylopius coccus. Эта технология мало изменилась с древнейших времен, что ограничивает объемы его производства. При этом спрос на него постоянно растет, так как кармин стабилен, безопасен и долговечен.
Предложите способы интенсификации производства кармина или предложите и экспериментально обоснуйте использование другого красного пищевого красителя, не уступающего по характеристикам кармину.

9. Трудно быть богом

Все известные попытки создания масштабных замкнутых экосистем, которые могут быть полезны и как автономные поселения в космосе, и в случае крайнего ухудшения условий жизни на Земле, оказывались неудачными (например, Биосфера-2). Выделите фундаментальные проблемы, возникающие при функционировании подобных проектов и предложите пути их решения. Спроектируйте максимально автономную экосистему, способную к длительному существованию.

10. Сложносочиненные плазмиды

Задача предложена официальным спонсором БиоТурнира – ЗАО «Биокад»

Плазмиды — небольшие молекулы ДНК, физически отдельные от геномных хромосом и способные реплицироваться автономно. Это и другие свойства плазмид сделали их широко используемым инструментом генетической инженерии. Для генной инженерии используются сравнительно небольшие количества плазмид. Однако, некоторые современные биотехнологические методы, такие как получение генно-терапевтических вирусов или создание ДНК-вакцин требуют наработки плазмид в количествах до нескольких грамм. Исследуйте факторы, влияющие на количество плазмиды, способное накапливаться в одной бактериальной клетке. Предложите способы изменения этого количества.

Задача предложена Кругловым Артемом Александровичем, с.н.с., Отдел генетической инженерии, ЗАО Биокад.

11. Гепатиту – нет.

Задача предложена генеральным партнером БиоТурнира – АО «Р-Фарм»

Гепатит С — социально-значимое заболевание, во всем мире хронической инфекцией гепатита С страдают 130–150 миллионов человек. На рынке представлен отечественный препарат Нарлапревир — ингибитор NS3/4A сериновой протеазы второго поколения, предназначенный для лечения хронического гепатита С (генотип 1) в комбинации с другими противовирусными препаратами.

В настоящее время проводятся дополнительные клинические исследования, призванные показать возможность использования Нарлапревира в монотерапии.

Рассмотрите жизненный цикл вируса гепатита С, выделите основные возможные механизмы угнетения его активности, предложите мишень, на которую можно воздействовать с высокой степенью эффективности в монотерапии.

12. Птичку жалко?

С момента своего основания в 1945 году Приокско-Террасный государственный заповедник является научной «лабораторией в природе». Для выполнения основной задачи заповедника, сохранения биоразнообразия, необходимо изучать влияние внутрипопуляционных механизмов, а также факторов внешней среды на динамику популяций модельных видов. Модельным видом, уже долгое время находящимся под наблюдением в Приокско-Террасном заповеднике, является мухоловка-пеструшка (Ficedula hypoleuca). На территории более 200 га, включающей в себя участки соснового, елового, смешанного леса и березняки, развешаны 230 деревянных и бетонно-гипсовых дуплянок. Динамика успешности размножения за последние 20 лет приведена в таблице:

Год % гнезд с вылетевшими птенцами от числа кладок Год % гнезд с вылетевшими птенцами от числа кладок
1997 70 2007 67
1998 79 2008 62
1999 80 2009 57
2000 84 2010 57
2001 73 2011 64
2002 60 2012 65
2003 61 2014 62
2004 42 2015 47
2005 45 2016 36
2006 76 2017 28

Кроме этого, в 2017 году показатели количества отложенных яиц и слетевших птенцов были самыми низкими за все время наблюдения.

Предложите причины наблюдаемой в последние годы тенденции и спрогнозируйте дальнейшую динамику успешности размножения.

13. Больше народа, меньше кислорода

Тяжелая непрекращающаяся гипоксия или ишемия ведет к смерти нейронов мозга и организма в целом. Менее тяжелые гипоксические состояния, особенно кратковременные и чередующиеся с нормоксией, вместо развития патологии в мозге вызывают мобилизацию его защитных механизмов на тканевом, клеточном и геномном уровнях, то есть реализуется нейропротекторный эффект гипоксического прекондиционирования. Другими словами, после такого «гипоксического стресса», или «гипоксической тренировки» тяжелые формы гипоксии переживаются мозгом легко и без последствий. Замечено, что позитивный эффект гипоксического прекондиционирования развивается лишь при условии достаточно высокой дозы этого воздействия. Иногда даже применяют термин «сублетальная» гипоксия.

Проблема заключается в том, что понятие «сублетальная» доза носит статистический характер, а в конкретном случае определяется и индивидуальным фенотипом, и индивидуальным функциональным состоянием на момент прекондиционирования.

Предложите минимально инвазивный экспресс-тест, который показал бы предрасположенность объекта к гипоксическому повреждению и дал бы основание для расчета индивидуальной дозы прекондиционирующего воздействия.