Наука в Сибири

от 26.03.2019 г.

Оригинал статьи


Олимпиада НТИ: наука «по-взрослому»На всех парусах: ИХБФМ СО РАН отмечает 35-летие

В Новосибирске завершились финалы школьного трека Олимпиады Национальной технологической инициативы, включающие командные соревнования по трем направлениям: «Наносистемы и наноинженерия», «Инженерные биологические системы: геномное редактирование» и «Нейротехнологии». Финалисты овладели новыми практиками и получили колоссальный опыт в разных областях наук; задачи, стоящие перед участниками, выходили далеко за рамки школьной программы.

Олимпиада Национальной технологической инициативы — первая российская командная инженерная олимпиада для школьников и студентов. Она проводится с 2015 года Кружковым движением НТИ, Агентством стратегических инициатив (АСИ) и Российской венчурной компанией (РВК) в партнерстве с крупнейшими российскими университетами и ведущими технологическими компаниями.

В этом году финалистами школьного трека ОНТИ стали более тысячи учащихся 8—11 классов. Участники проходили несколько отборочных туров в течение 3,5 месяцев и приобрели навыки и знания, необходимые для успешного преодоления дальнейших этапов. В этом году финалы по 19 различным направлениям (профилям) проводятся в Москве, Санкт-Петербурге, Владивостоке, Новосибирске, Иркутске, Томске и других городах России.

«Наносистемы и наноинженерия»

Финалы ОНТИ по профилю «Наносистемы и наноинженерия» проводились параллельно в Москве и Новосибирске. Все материалы профиля были разработаны при поддержке и непосредственном участии ФИОП «Роснано» — компании, реализующей государственную политику по развитию наноиндустрии.



Перед школьниками стояла серьезная задача: создать фотонное светоизлучающее устройство на основе полупроводниковых квантовых точек. На протяжении трех дней ребята синтезировали зеленые, синие и красные квантовые точки и изготавливали на их основе RGB-матрицы.

«Синтез квантовых точек — это абсолютно не школьная программа. Разработчики хотели дать ребятам знания о перспективной технологии будущего, — прокомментировал организатор площадки профиля «Нанотехнологии» в Новосибирском государственном университете, научный сотрудник Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН кандидат биологических наук Сергей Евгеньевич Седых. — Перед ребятами стояла вполне решаемая задача, поскольку речь идет о самых простых квантовых точках, которые относительно легко можно синтезировать из доступных реактивов. Нужно смешать две соли в растворителе и нагреть. В результате реакции получается жидкость с желтоватым оттенком. После ее центрифугирования образуется осадок квантовых точек. При подсветке синим лазером они испускают зеленый свет. Далее из зеленых точек по похожей методике синтезируются точки красного и синего цвета».

В разгар олимпиады лабораторию, в которой кипела практическая работа, посетил лауреат Нобелевской премии по физике 2014 года, профессор Нагойского университета и университета Мэйдзё, почетный профессор НГУ Хироси Амано. Ученый не скрыл своего восхищения результатами, полученными финалистами ОНТИ: «Впервые вижу, что ученики старших классов синтезируют квантовые точки. Это непросто. В Японии даже студенты зачастую не могут этого сделать».

Профессор Амано отметил, что квантовые технологии — очень важное направление в современной науке, и удивительно, что сейчас подрастающее поколение имеет возможность прикоснуться к ним.

«У нас есть глобальная научная программа, которая позволяет наиболее талантливым ученикам старших классов съездить в зарубежные страны в хорошие научные центры. И я думаю, что стоит объединить нашу программу с возможностями Новосибирска, чтобы еще более активно обмениваться как студентами, так и школьниками», — добавил Нобелевский лауреат.

«Ребятам очень повезло, прежде всего — с темой, которая сейчас находится на острие науки. Буду рада, если кто-то из них свяжет свою жизнь с этим направлением», — сказала организатор профиля, аспирантка МГУ, сотрудница компании «STEM-игры» Наталья Ходыкина. Она отметила, что командная работа на результат в максимально сжатые сроки и трезвая оценка своих сил и времени — очень полезный опыт для старшеклассников.

Бренд-амбассадор ОНТИ, победитель командного этапа прошлого года Юрий Алёхин из Санкт-Петербурга признался, что у ребят далеко не всё получалось с первого раза: «Вчера мы синтезировали просто умопомрачительные квантовые точки, а сегодня у нас совсем не получились синие. Порой возникала необходимость что-то переделывать, чтобы нагнать расписание прошлых дней. Было трудно сосредоточиться, приходилось постоянно переключаться с одной задачи на другую».

Что полезного дала олимпиада? «Прежде всего — опыт работы, особенно с такими химическими реактивами, которые по определению не достать в школе. Да и вообще, всегда интересно создавать что-то новое. То, чего нельзя получить в обычной повседневной практике», — сказал Юрий.

«ИБС: геномное редактирование»

Финалисты профиля — биохимики и биоинформатики — смогли познакомиться на практике с современными технологиями геномного редактирования CRISPR/Cas9 и секвенирования, которые сегодня широко используются в научных лабораториях. Участники самостоятельно выполнили все этапы работ, необходимые для описания результата направленного редактирования ДНК клеток человека.



«Сама задача для площадки нашего профиля была взята из реальной научной работы современной лаборатории. Ребята на олимпиаде выполняли те же этапы, что и научные сотрудники, изучающие результаты редактирования вновь созданных клеточных линий. Это технологии, которые актуальны не только сегодня, но и будут востребованы ближайшие несколько лет во всём мире», — рассказал разработчик профиля, заведующий лабораторией геномного редактирования ИХБФМ СО РАН кандидат химических наук Григорий Александрович Степанов.

Биохимики в первый день выделяли ДНК, измеряли ее концентрацию на спектрофотометре, во второй — ставили полимеразную цепную реакцию с этой ДНК, получали ПЦР-продукт и анализировали его в геле. В третий — выделяли ДНК из полученной реакционной смеси и определяли ее концентрацию. Затем участникам были предоставлены результаты секвенирования анализируемых областей генома клеток человека. В заключительный день ребята при помощи биоинформатических инструментов анализировали секвенограмму и пытались понять, какая мутация произошла в результате действия инструментов редактирования генома на выделенной ДНК.

Биоинформатики учились работать с последовательностью ДНК на компьютере. Ребята анализировали результаты секвенирования целевого гена с помощью программы Mega. «Нам дали готовые данные секвенирования, мы уже нашли название гена и пытаемся понять, какие мутации несут аллели полученной клеточной линии», — прокомментировали участники свое задание в заключительный день финала.

Старшекласснице из Новосибирска Алине Джаго наиболее интересной показалась работа в лаборатории. «Мы проводили полимеразную цепную реакцию с целью увеличения количества ДНК, а также электрофорез. Мне очень нравится работать с ДНК, с пробирками. В дальнейшем я хочу связать свою жизнь с медициной», — поделилась Алина.

«Стоит отметить, что для реализации подготовительных этапов и проведения самого финала профиля на двух площадках в НГУ и МФТИ использовали реагенты, которые были предоставлены местными партнерами — биотехнологическими компаниями “Биолабмикс”, “Сибэнзим”, “МБС — детям”. Важно понимать, что научные исследования с применением геномного редактирования возможно реализовывать в России. Для этого есть не только научная, но и формируется реагентная база», — добавил Григорий Степанов.

В программу были включены и творческие задания. Биохимикам дали возможность пофантазировать на тему того, как отредактировать геном реально существующего организма, чтобы получить подобие вымышленного персонажа — Человека-паука, Халка, морячка Папая, вампиров, смурфиков и других. «К примеру, чтобы сделать из женщины Русалочку, необходимо изменить структуру позвоночника, чтобы вместо нижней конечности получился хвост, как у рыбы. Ребята должны были определить, в какие именно области генов надо вносить мутации», — рассказал разработчик и организатор профиля Сергей Седых.

У биоинформатиков была более сложная, но очень интересная задача: построить филогенетическое дерево по секвенограммам двух генов норовирусов (РНК-содержащие микробы, вызывающие заболевания желудочно-кишечного тракта. — Прим. ред.). «Иными словами, нужно было определить, какой вирус от какого произошел, насколько они друг другу “родственники”», — прокомментировал автор задачи, научный сотрудник ИХБФМ СО РАН Артём Тикунов.

«Творческими эти задания называются потому, что не имеют однозначного правильного ответа. Здесь возможны разные варианты решений, — пояснил Сергей Седых. — Нам был интересен скорее ход мыслей, степень вникания в проблематику, а не научная работа как таковая».

Он добавил, что творческое задание было предусмотрено не только на новосибирской площадке. Ребята получили за него не баллы в командный тур, а отдельные призы от партнера профиля олимпиады — биотехнологической компании BIOCAD. «Мы очень хотели, чтобы биоинформатики выполнили эту сложную задачу, потому что они три дня к ней готовились. Не оценить их старания было бы неправильно», — подчеркнул Сергей Седых.

В промежутке между экспериментами научные сотрудники ИХБФМ СО РАН доктор биологических наук Дмитрий Олегович Жарков и аспирант Иван Вохтанцев познакомили ребят с инструментами редактирования генома, Григорий Степанов рассказал о реализации научного проекта с применением технологии геномного редактирования в научно-технологической компании «Биолабмикс». Вечером на базе детского оздоровительно-образовательного лагеря имени Олега Кошевого школьники слушали научно-популярные лекции молодых ученых: Даниила Гладких, Татьяны Кургиной и Дарьи Петровой из ИХБФМ СО РАН и Татьяны Шнайдер из ФИЦ ИЦиГ СО РАН.

На закрытии финала в Академпарке участников поприветствовал научный руководитель ИХБФМ СО РАН и профиля «ИБС: геномное редактирование» академик Валентин Викторович Власов и рассказал об актуальности изучения системы редактирования генома. Академик Власов отметил лидирующее положение НГУ в подготовке специалистов по молекулярной биологии и генетике в России и призвал участников финала продолжить заниматься научными исследованиями в области биотехнологий.

«Нейротехнологии»

Финалы по профилю «Нейротехнологии» одновременно с Новосибирском проводились в Москве, Великом Новгороде и Владивостоке. Участники исследовали и реализовывали систему мониторинга психофизиологического состояния водителя грузового автомобиля. Раннее выявление сонливости и потери внимания водителем — задача, над которой в настоящее время работают многие лидеры автомобильной отрасли. Она крайне важна для обеспечения безопасности всех участников дорожного движения.

«Речь идет о создании рабочего прототипа устройства, которое следит за состоянием водителя, и издает громкий пронзительный сигнал, если тот вдруг заснет. Также ребята учились распознавать разные биологические сигналы и реакции человека с помощью “компьютерного зрения”», — рассказал организатор площадки профиля «Нейротехнологии» в НГУ, научный сотрудник Института систематики и экологии животных СО РАН, заведующий лабораторией ФИТ НГУ «Инжевика» кандидат биологических наук Иван Андреевич Поликарпов.

В распоряжении финалистов был набор-конструктор «Юный нейромоделист», веб-камера и комплектующие для создания системы сбора данных, а также необходимое программное обеспечение. Ребята разрабатывали систему сбора данных, осуществляли их обработку, а также выполняли физиологическую интерпретацию полученных данных.

В заключительный день финала ОНТИ на столах многих команд лежали приборы, представляющие собой проводки с датчиками. С их помощью ребята могли проанализировать свое состояние в реальном времени: с помощью компьютерной программы определить электрокардиограмму, электроэнцефалограмму, кожно-гальваническую реакцию.

«За три дня мы узнали о разработках, которые контролируют состояние водителя за рулем, и сами поучаствовали в написании программ для таких систем», — рассказала участница из Новосибирска Владислава Мортишова.

Можно ли использовать эти приборы в реальных условиях? Ричард Кауров из Иннополиса (Республика Татарстан) утверждает, что в принципе да, если доработать программный код, отвечающий за работу датчиков. «Наши датчики очень чувствительны к движению. Даже малейший взмах руки будет создавать помехи, поэтому при снятии ЭКГ нельзя будет достоверно определить частоту сердечных сокращений. Если разработать более точные датчики, то, подключив к анализирующей системе (компьютеру), можно будет использовать их достаточно эффективно», — сказал участник.

Организатор площадки профиля «Нейротехнологии» от компании-разработчика BiTronics Lab (Москва) Вячеслав Индерякин отметил: «Перед финалистами стояло несколько задач, которые они могли решать в произвольном порядке. Все задачи были комплексными. Уверен, что благодаря их решению навыки в программировании у ребят существенно возросли», — сказал эксперт.

Организатор площадки профиля «Нейротехнологии» от лаборатории ФИТ НГУ «Инжевика» Дарья Соседкина подчеркнула важность совместной работы: «Во время отборочных этапов, даже командных, участники сотрудничали в основном удаленно. А встретиться лично, пообщаться, поработать вместе ребята смогли только в финале».

В перерывах между заданиями для детей были организованы встречи-лекции. Разработчик профиля «Нейротехнологии», заведующий лабораторией прикладных кибернетических систем МФТИ, директор компании BiTronics Lab, автор набора-конструктора «Юный нейромоделист» Тимур Бергалиев рассказал про задачи, которые стоят в настоящее время перед разработчиками нейроинтерфейсов. Заместитель директора по научной и лечебной работе Научно-исследовательского института физиологии и фундаментальной медицины доктор медицинских наук Константин Васильевич Даниленко поведал ребятам о современных методах стимуляции головного мозга для терапии различных заболеваний, а также про правильную диагностику психических расстройств.

Подведение итогов профиля «Нанотехнологии» состоялось 15 марта, профилей «ИБС: геномное редактирование» и «Нейротехнологии» — 22 марта. Суперфинал пройдет в Москве с 10 по 22 июля, в нем должны принять участие 120 человек. Победители и призеры Олимпиады НТИ смогут поступить в вузы-организаторы без экзаменов или получить дополнительные баллы при поступлении.

Несколько школ Новосибирска уже несколько лет являются лидерами по числу зарегистрированных участников, победителей и призеров Олимпиады НТИ, распределенный финал этого года не стал исключением. Призером профиля «Нанотехнологии» стал ученик СУНЦ НГУ Егор Ан. Лучшая команда профиля «Геномное редактирование» на площадке НГУ — «Тимидинки» из лицея № 22 Новосибирска, призеры олимпиады — участницы этой команды Ксения Борисова, Маргарита Сулима и Полина Карицкая. Лучшая команда профиля «Нейротехнологии» — «Электромиограмма», участники которой, новосибирцы Илья Прищепа, Тимур Шарафутдинов, Алиса Киркинская, также стали победителями олимпиады.


Юлия Клюшникова