Задачи 2019

Задачи очного этапа БиоТурнира 2019

Задачи отборочного этапа

1. Бери от краба все

В акватории Дальнего Востока, а так же в Баренцевом море каждый год вылавливается около десяти тысяч тонн камчатского краба. Переработка краба сопряжена с большим количеством отходов, которые выбрасываются в море. В эти отходы входит гепатопанкреас, который содержит высокоактитвные пищеварительные ферменты. Однако масштабная переработка гепатопанкреаса камчатского краба в России до сих пор не ведется, что связано со сложностью сбора, хранения и транспортировки и, соответственно, высокой стоимостью этого сырья. Предложите пути решения проблем, связанных с масштабированием процесса переработки гепатопанкреаса камчатского краба.

Автор задачи – к.б.н Согорин Евгений Анатольевич, заведующий лабораторией прикладной энзимологии ФИЦ
«Пущинский научный центр биологических исследований РАН».

2. Хорошо в краю родном

Промышленные методы ведения свиноводства экономически эффективны и позволяют в короткие сроки решить проблему снабжения населения мясными продуктами. При этом эксплуатация существующих животноводческих комплексов поставила ряд серьезных вопросов, связанных с охраной окружающей среды. Основным источником загрязнения окружающей среды являются жидкие стоки от животноводческих комплексов.  Внесение свежих отходов свиноводства на поля в качестве удобрения нецелесообразно по ряду агротехнических и санитарных причин, только через несколько лет отходы оказываются готовы к внесению в качестве удобрения, что требует больших площадей, занятых под отходы.

Предложите экономически выгодные для территории Российской Федерации способы ускоренной переработки жидких отходов крупных свиноводческих комплексов, в результате которых может быть получен коммерческий продукт, имеющий спрос на рынке сельхозпроизводителей.

Автор задачи – к.б.н. Шитов Александр Васильевич, Институт фундаментальных проблем биологии РАН, Пущино.

3. Великая экспрессия

Задача предложена ГК ЭФКО

Химозин — сбраживающий молоко фермент сычуга жвачных животных, который используется при производстве сыра. Долгое время основным источником природного химозина являлась вытяжка из перетертых желудков телят. Чтобы обеспечить более дешевый и удобный способ промышленного производства химозина был получен штамм-продуцент генно-инженерного телячьего химозина на основе метилотрофных дрожжей Pichia pastoris X-33 с экспрессией целевого белка в количестве 0,1 г/л культуральной среды. При разработке продуцента использовался ген телячьего прохимозина (номер последовательности в ГенБанке NM180994), а в качестве вектора для интеграции гена в геномную ДНК дрожжей использовалась плазмида pPICZaA (Invitrogen). Вставка гена в плазмиду проводилась по сайтам EcoRI/SalI. В процессе культивирования дрожжей химозин экспрессируется в виде неактивного профермента с последующей активацией при закислении среды до pH<3. После хроматографической очистки активного химозина и анализа его физико-химических показателей и удельной активности, установлено, что по основным свойствам рекомбинантный фермент не уступает нативному телячьему химозину. Для рентабельного промышленного производства генно-инженерного химозина необходима стабильная экспрессия фермента штаммом-продуцентом не менее 0,5 г/л. Не меняя штамм-продуцент, предложите наиболее оптимальную генетическую конструкцию для увеличения экспрессии рекомбинантного химозина. Составьте карту предложенной генетической конструкции, опишите ее структурные элементы и их функцию. Автор задачи – Сычев Антон Александрович, заместитель генерального директора по генной инженерии ООО «ИЦ «Бирюч-НТ».

4. Посылка для вашего мальчика

Задача предложена компанией MEL Science

Компания MEL Science производит и распространяет обучающие наборы по физике и химии для проведения экспериментов в домашних условиях. Предложите прототип экспериментального набора по биологии и медицине, позволяющий наглядно продемонстрировать основные достижения молекулярной биологии, биохимии и физиологии человека. Предлагаемый набор должен быть полностью безопасным и соответствовать правилам почтовой пересылки в США.

5. Два по цене одного

Задача предложена ЗАО «BIOCAD»

Аденоассоциированные вирусы (AAV) являются одним из инструментов для доставки генно-терапевтических препаратов в организм. Для их производства клеточную линию трансфицируют несколькими плазмидными векторами, кодирующими всё необходимое для сборки вирусных частиц. После этого в клетках синтезируются вирусные капсиды, в которые упаковывается ДНК, однако сборка AAV проходит с низкой эффективностью. Вследствие низкой эффективности сборки AAV приходится использовать значительные количества плазмид (по массе) для трансфекции клеток, что увеличивает стоимость данной технологии.

Проанализируйте причины низкого выхода сборки AAV и предложите способы повышения выхода вирусных частиц по отношению к количеству использованных для трансфекции плазмидных векторов.

Автор задачи – Круглов Артем Александрович, руководитель группы молекулярной инженерии и клонирования, ЗАО «BIOCAD».

6. Вы еще кипятите?

Задача предложена OOO «SunProtein»

Шрот подсолнечника – ценное растительное сырьё, образующееся в процессе производства масла, является перспективным источником белка для пищевой промышленности. На цвет белкового концентрата, получаемого из подсолнечного шрота, влияют соединения, содержащиеся в ядре и оболочке семени. Основным соединением, придающим зеленый цвет белковому концентрату, получаемому методом водно-щелочной экстракции, является хлорогеновая кислота (3-кофеилхинная кислота).

Предложите способ разрушения указанного фенольного соединения с целью получения белкового концентрата подсолнечника светлых тонов, с возможностью его дальнейшего применения в пищевой промышленности.

7. Никогда такого не было, и вот опять!

По оценке ЮНЕСКО, за последние 50 лет площадь зон с низким содержанием кислорода (менее 20 мкмоль/л) в открытом океане увеличилась на 4,5 миллиона км2. Наличие кислорода в воде обязательно для существования большинства организмов, поэтому увеличение площади бескислородных зон широко обсуждается в научном сообществе. Выделяют целый ряд факторов, влияющих на данный процесс.

На основании анализа научных публикаций выберите факторы, повлиявшие на увеличение площади бескислородных зон, и проранжируйте их вклад в данный процесс.

8. Свой среди чужих, чужой среди своих

Задача предложена АО Р-ФАРМ

В 2018 году Лауреатами Нобелевской Премии по физиологии и медицине стали Джеймс Эллисон и Тасуку Хондзе, за открытие белков CTLA-4 и PD-1, позволяющих опухолевой клетке избегать иммунного ответа. На основе этих открытий, были разработаны иммуноонкологические препараты, которые сейчас успешно применяются во всем мире. Одним из таких препаратов, относящихся к PD-1 ингибиторам, является препарат пембролизумаб, который на данный момент используется в терапии рака легкого и для лечения взрослых пациентов с неоперабельной или метастатической меланомой. Недавно данный препарат был одобрен также для использования в терапии солидных опухолей, характеризующихся высокой микросателлитной нестабильностью (MSI-H).

Предложите механизм, по которому солидные опухоли с высокой микросателлитной нестабильностью также хорошо отвечают на терапию пембролизумабом.

Задачи полуфинального/финального этапа

1. От рассвета до заката

Молекулярный водород – перспективная альтернатива ископаемым источникам топлива вследствие его высокой энергетичности, возможностям хранения, способности топливных элементов напрямую конвертировать водород в электричество, к тому же, при сжигании водорода образуется только вода. Фотосинтетическая продукция водорода микроводорослями – это потенциальный источник возобновляемой чистой энергии, т.к. водоросли используют только воду и солнечный свет для образования водорода. Фермент Fe-Fe гидрогеназа катализирует продукцию водорода в микроводорослях с очень высокими скоростями, однако этот процесс происходит после адаптации к темноте и прекращается в течение нескольких минут на свету – что ограничивает масштабное использование микроводорослей для продукции водорода. Рассмотрите возможные механизмы прекращения фотосинтетического образования водорода и предложите способы преодоления ограничения масштабного использования микроводорослей для продукции водорода.

Автор задачи – к.б.н. Козулева Марина Алексеевна, Tel Aviv University.

2. Уроборос

Бактериолитические ферменты микробного происхождения, например, продуцируемые бактериями рода Lysobacter, представляют огромный интерес для биомедицины в качестве альтернативы антибиотикам. Однако нативный штамм-продуцент, как правило, не способен синтезировать данные ферменты в достаточных количествах. Экспрессия рекомбинантных генов литических ферментов, в частности в E.coli, может сопровождаться лизисом бактерий продуцентов. Кроме того, для секреции этих ферментов необходима специфическая секреторная система, аналоги которой не всегда есть в используемых микроорганизмах. Разработайте эффективную экспрессионную систему для наработки бактериолитических ферментов в производственных масштабах, на примере α-литической протеазы микроорганизма Lysobacter enzymogenes.

Автор задачи – к.б.н. Кудрякова Ирина Валерьевна, н.с. лаборатории биохимии клеточной поверхности микроорганизмов ФИЦ ПНЦБИ РАН ИБФМ РАН.

3. Спасение рядового Пони

Инфекционная анемия лошадей (Anaemia infectiosa equorum, ИНАН) — вирусная болезнь, характеризующаяся поражением органов кроветворения и проявляющаяся рецидивирующей или постоянной лихорадкой, анемией, явлениями геморрагического диатеза во время температурных приступов и нарушением функций сердечно-сосудистой системы. В Российской Федерации для диагностики ИНАН выпускается «Набор для диагностики инфекционной анемии лошадей в реакции диффузионной преципитации (РДП) СТП », в состав его входят:  специфический преципитирующий антиген из ткани селезёнки лошади, экспериментально инфицированной вирусом, и поликлональная специфическая сыворотка.

Препарат антигена — высокоспецифичен, однако для его производства требуется большое количество инфицированных лошадей, что приводит к значительным материальным затратам, к снижению стандартности препарата из-за большого разнообразия сырья и не исключает вероятности заболевания людей, контактирующих с инфицированными животными.   Кроме того, вирус ИНАН относится к труднокультивируемым вирусам, сбор вируссодержащей суспензии проводят длительностью до 3 месяцев из-за недостаточного накопления вируса.

Разработайте инновационные, менее затратные и более эффективные технологии получения компонентов тест- системы для диагностики инфекционной анемии лошадей в реакции диффузионной преципитации.

Автор задачи – д.б.н., проф. Матвеева Ирина Николаевна, Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности, Московская область, Щелковский р-н, пос. Биокомбината.

4. Иммунный вопрос

Задача предложена ЗАО «BIOCAD»

Активность иммунного ответа в организме регулируется системами, обеспечивающими его индукцию или ингибирование. Так в опухолевом микроокружении зачастую баланс сдвинут в сторону ингибирования, что делает опухоль невидимой для иммунной системы организма. Активация иммунной системы за счет блокирования ингибиторов и активации индукторов является одним из перспективных направлений в области онкологии. Однако сдвиг баланса во всем организме в сторону индукции способствует развитию аутоиммунных реакций.

Предложите подходы, обеспечивающие сдвиг баланса в сторону индукции активности иммунной системы только в опухолевом окружении, не затрагивая весь организм.

Автор задачи – Доронин Александр Николаевич, Руководитель группы клеточной инженерии, ЗАО «BIOCAD».

5. Слушая наше дыхание

Задача предложена АО Р-ФАРМ

В 1949 году ученые выдвинули теорию о том, что максимальная глубина, на которую может погрузиться человек, без специального оборудования, использую лишь воздух в легких, (фридайв) – 30-40 метров. При более глубоком погружении, предполагалось, что высокое давление воды приведет к сжатию и к коллапсу легких. С середины XX века, фридайвинг начал стремительно развиваться, а вместе с ним, и изучение особенностей приспосабливания организма человека к высокому давлению, долгим задержкам дыхания и кислородному голоданию. Спортсмены не раз доказали, что свободное погружение на глубину в 100 метров не является пределом человеческих возможностей. Например, Guillaume Nery в 2015 году установил национальный рекорд по фридайву погрузившись на глубину в 126 метров.

Опишите физиологические перестройки, происходящие в организме при глубоководном погружении, предложите применения знаний об этих процессах в медицине.

6. Immigraniada

Каждый вид имеет свой ареал, однако всё чаще можно встретить популяции за пределами исконного ареала. В таком случае говорят о «биологических инвазиях». В ходе инвазии, чужеродные виды могут погибнуть, не распространившись на новой территории; могут освоить вакантную экологическую нишу или вытеснить аборигенный вид и расширить границы своего ареала. Нередко виды-вселенцы негативно влияют на аборигенные экосистемы.
На данный момент многосторонних исследований биологических инвазий не так много, особенно если речь идет о непреднамеренном попадании вида в экосистему (в отличие от интродукции). Существуют разнообразные исследования тех или иных аспектов инвазий, но довольно сложно дать комплексную оценку данного явления.
Предложите стратегию исследования биологической инвазии и количественные методы прогнозирования жизнеспособности популяций вида-вселенца и его дальнейшего воздействия на экосистему-реципиент.

Автор задачи – Адамова Валерия Владиславовна, Белгородский национальный исследовательский университет.

* Все задачи подготовлены научно-методическим советом в составе: к.б.н. Ветошкина Д.В., к.б.н. Журикова Е.М., к.б.н. Согорин Е.А., Юдин С.В., председатель  Надеев А.Д.