![](/bundles/app/v2/frontend/images/Prof+button.png?version=2.7_39)
Одно из 13-ти направлений научно-технологической
проектной образовательной программы «Большие вызовы»
Информационная поддержка программы — konkurs@sochisirius.ru
Каждый из нас уникален. Эту уникальность в человека закладывает в том числе его геном, который во многом определяет предрасположенность к тем или иным болезням, образу жизни и питания, возможным физическим нагрузкам. Вот почему усредненное лечение часто не дает желаемого результата — мы слишком индивидуальны и каждому требуется персональный подход.
По мнению специалистов, будущее медицины в персонализации, когда каждому пациенту будет предложено наиболее подходящее лекарство в оптимальной для него дозе, а в перспективе создают индивидуальный препарат, редактируют геном, выращивают новые не отторгаемые органы из клеток пациента на замену вышедшим из строя.
На этом пути исследователям в области геномики и молекулярной биологии, специалистам в области тканевой и биоинженерии еще предстоит сделать очень многое. Человеческий организм — сложнейшая система, в которой огромное количество процессов действуют согласовано. В этой системе все ее части и элементы, включая мельчайшие клеточные органеллы, связаны друг с другом. У нас пока нет полного представления, как функционирует эта система. Поэтому исследования тонких процессов на клеточном уровне сегодня крайне актуальны. Не менее важны и прикладные аспекты проблемы — устройства для ранней диагностики заболеваний и мониторинга биометрических параметров.
Участникам конкурса по этому направлению предлагается исследовать биологическую активность организма. Примером школьного проекта может быть исследование концентрации в слюне различных ферментов, соотнесение результатов эксперимента с физиологическими данными участников эксперимента, полученными в ходе анкетирования участников, и интерпретация полученных данных.
1. Разработка метода функциональной активности рекомбинантных аденоассоциированных вирусных частиц
2. Исследование антипролиферативной активности соединений на 3D моделях клеточных линий
3. Исследование геномной структуры трансгена, обеспечивающего восприимчивость мышей к вирусу SARS-CoV-2
4. Конструирование и синтез последовательности гена универсального синтетического запасающего белка растений
5. Выделение и изучение антибиотиков и ферментов из штаммов-продуцентов биологически-активных веществ
6. Ликвидация стареющих клеток: влияние на опухолевый рост
Описание проектов
(проекты могут быть изменены и дополнены)
1. Разработка метода функциональной активности рекомбинантных аденоассоциированных вирусных частиц
Руководители проекта: Бадэ В.Н., Бутенко Д., Габдрахманова А.Ф.
Аннотация: Генная терапия является высокоэффективным подходом для лечения тяжелых наследственных заболеваний, связанных с нарушением функции конкретных генов. Рекомбинантные аденоассоциированные вирусные векторы (AAV, AdenoAssociated Viral) являются одним из наиболее удобных методов доставки правильной, функциональной копии гена для in vivo терапии наследственных заболеваний, так как:
– AAV векторы не связаны с патогенезом каких-либо заболеваний у человека,
– AAV векторы обладают довольно низкой иммуногенностью,
– рекомбинантные AAV не содержат вирусных генов, необходимых для репликации и сборки вируса, и являются безопасной системой доставки для генной терапии in vivo.
Все одобренные биологические продукты должны сопровождаться аналитическими тестами для демонстрации безопасности, чистоты и эффективности. Для характеризации любого биотехнологического продукта, в том числе генно-терапевтического, необходимо разработать in vitro методы тестирования активности. Ключевые вопросы, которые возникают при разработке данных методов:
– Следует ли рассматривать как экспрессию, так и функциональную активность в рамках одного анализа?
– Какие соображения необходимо учитывать в отношении интересующего капсида, гена, фермента или белка?
Одним из ключевых реагентов анализа активности является биорелевантная тест-система (клетка–мишень), которая может принимать ген и показать желаемый механизм действия. Определение профиля клеток–мишеней для анализа активности является важным шагом, и здесь необходимо учитывать следующие факторы:
– общие соображения по культуре клеток, такие как доступность, рост и морфология,
– характеристики продукта, такие как совместимость с капсидом, промотором и любыми взаимодействующими ферментами или белками,
– характеристика клеточной линии для облегчения экспрессии и функциональных анализов.
Оптимизация метода тестирования in vitro. На этом этапе каждый независимый этап анализа оптимизируется в отношении общего анализа активности. Оптимизация процесса может включать:
– стандартизация условий культивирования клеток, таких как плотность клеток, формат посева и время трансдукции,
– параметры функционального анализа, включая концентрацию субстрата, растворитель и стабильность; время и температура инкубации; и специфичность положительных и отрицательных контролей,
– метод обнаружения, используемый для количественной оценки результатов функционального анализа.
Партнер проекта: Акционерное общество «Генериум»
2. Исследование антипролиферативной активности соединений на 3D моделях клеточных линий
Руководители проекта: Тяжельников С.Ф., Маланханова Т.Б., Шеуджен Т.М., Литау Е.В., Цветкова А.В., Донская И.
Аннотация: В фармацевтических компаниях при разработке нового лекарства из десятков молекул, исследуемых на этапе ранней разработки до этапа производства и выпуска доходит всего одна — тем не менее, остальные молекулы могут представлять интерес и внести значительный вклад для изучения биологии рака, валидации терапевтических мишеней и определения эффективности разрабатываемых препаратов.
Проект направлен на освоение современных технологий, связанных с разработкой новых противораковых лекарств. Участники проекта смогут на практике изучить процессы, выполняемые в современной биотехнологической лаборатории BIOCAD: заняться культивированием раковых клеточных линий, поучаствовать в разработке сложных трехмерных клеточных моделей онкологических заболеваний, а также в скрининге новых молекул на предмет противораковой активности. Помимо этого, участники освоят первые этапы технологии получения рекомбинантных белков–мишеней для новых видов терапии с использованием клеток насекомых.
Теоретическая часть проекта посвящена механизмам действия противораковых препаратов и роли в них сигнальных каскадов, физико-химическим принципам визуализации и количественной оценке активности в биологии.
Партнер проекта: Акционерное общество «Биокад»
3. Исследование геномной структуры трансгена, обеспечивающего восприимчивость мышей к вирусу SARS-CoV-2
Руководители проекта: Баттулин Н.Р., Кабирова Э.М., Нурисламов А.Р.
Аннотация: Трансгенные животные позволяют решать множество актуальных задач. Для медицинских исследований важно иметь подопытных животных для проведения экспериментов. Например, для исследований, связанных с новым коронавирусом были созданы мыши восприимчивые к этому вирусу человека. Для этого в геном мышей внедрили ген человека (ACE2), через который коронавирус проникает в клетки. Важной проблемой при редактировании генома является возможность появления незапланированных нарушений в месте встройки чужеродной ДНК. Мы предложим ребятам проверить итоговую структуру участка генома трансенной мыши в который произошла интеграция генетической конструкции с геном человека. Для этого мы проведем секвенирование с помощью технологии Oxford Nanopore. В процессе подготовки образцов для секвенирования школьники смогут попробовать использовать CRISPR/Cas9 для разрезания специфических участков ДНК. По окончании секвенирования ребята смогут самостоятельно проанализировать геном и определить произошли ли в месте интеграции трансгена незапланированные мутации. Мы также разберем какие системы репарации (защиты генома от мутаций) являются главными виновниками незапланированных модификаций при редактировании генома.
Еще одна часть проекта связана с проверкой способности клеток трансгенной мыши к заражению вирусом SARS-CoV-2. Этот эксперимент будет проведен на культурах клеток. Для эксперимента мы будем использовать безопасный имитатор вируса — рекомбинантный шипиковый белок коронавируса. Именно этот белок вируса соединяется с клетками человека и обеспечивает проникновение вируса в клетку. Мы будем использовать рекомбинантный шипиковый белок слитый с флуорофором. Так что, если полить препаратом такого белка восприимчивые клетки, белок свяжется с рецепторами клеток и это легко можно видеть по свечению в микроскопе. На основе такой тест-системы восприимчивости к коронавирусу мы протестируем несколько генетических конструкций с человеческим геном ACE2 и выберем те, что обеспечивают максимальную активность трансгена.
Ребята узнают об актуальных проблемах генной инженерии и создании трансгенных животных, получат опыт работы с передовыми генетическим технологиями.
Партнер проекта: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения РАН»
4. Конструирование и синтез последовательности гена универсального синтетического запасающего белка растений
Руководители проекта: Богомаз Д.И., Сухов И.Б.
Аннотация: Работа состоит из двух равноценных частей: биоинформатической и биоинженерной.
Участникам предстоит разработать и реализовать алгоритм замены аминокислотных остатков в белке при минимальных изменениях в пространственной структуре. Разработка подобного алгоритма подразумевает формулировку многопараметрической оптимизационной задачи для биологических последовательностей. Задачей является оптимизация количественного и качественного состава аминокислот, наилучшим образом подходящего для полноценного рациона человека. Предстоит решить проблему ограничения на замену аминокислот, которую накладывают различия в химических и структурных свойствах. При этом оценивать оптимальность изменений предполагается при помощи матриц замен (PAM, BLOSSUM). Результат работы алгоритма замен необходимо будет валидировать посредством гомологичного моделирования новой последовательности белка с целью сравнить пространственную структуру нового белка с исходной.
На основании получившейся последовательности предстоит сконструировать набор перекрывающихся олигонуклеотидов используя программное обеспечение DNAWorks. Произвести сборку последовательности in vitro, произвести клонирование в pJet вектор, анализ получившейся последовательности. Наметить пути для редактирования ошибок, полученных в ходе сборки. Результат полученный по итогу смены может быть использован для создания модифицированных растений с измененным спектром аминокислот в запасающих белках.
Участники освоят целый комплекс биоинформатических и биоинженерных методов, необходимых для реализации проекта: методы работы с последовательностями, подходы в структурной биоинформатике, ПЦР, РВ-ПЦР, клонирование, трансформация бактерий, сборка протяженных последовательностей, их анализ, редактирование последовательностей в плазмиде.
Партнер проекта: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
5. Выделение и изучение антибиотиков и ферментов из штаммов-продуцентов биологически-активных веществ
Руководители проекта: Бирюков М.В., Закалюкина Ю.В.
Аннотация: Природа таит в себе как неисчислимые опасности, так и пути борьбы с ними. На протяжении сотен лет ученые выведывали её тайны с целью улучшить жизнь человечества. В середине ХХ века Биология с изобретением антибиотиков сделала огромный рывок и, казалось бы, вплотную приблизилась к тому, чтобы избавить нас от всех болезней, однако триумф был преждевременен. Антибиотикорезистентность патогенных микроорганизмов к препаратам, использующим в клинической практике, — одна из глобальных проблем современного здравоохранения и год от года она все острее. Мы занимаемся поиском продуцентов новых антибиотически активных веществ в природных экосистемах с применением специально сконструированных рекомбинантных систем нового поколения, позволяющие осуществлять целевое обнаружение молекул с заданным механизмом действия.
Вместе с нами учащиеся пройдут увлекательный путь от сбора образцов до выделения из них микробов-продуцентов и «вызнавания их секретов». Работа над проектом позволит познакомится с работой и освоить методы микробиолога-экспериментатора, биохимика, молекулярного биолога и химика-аналитика.
Партнеры проекта: Сколковский институт науки и технологий, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова
6. Ликвидация стареющих клеток: влияние на опухолевый рост
Руководители проекта: Демидов О.Н., Богданова Д.А.
Аннотация: Старение организма неизбежно! Оно сопровождается накоплением стареющих клеток во многих органах и тканях. В то же время опухолевые заболевания и рак возникают в основном у людей пожилого возраста. А что если эти процессы взаимосвязаны? В нашем проекте мы предлагаем попробовать получить ответы на этот вопрос.
Онкологические заболевания в большинстве случаев являются болезнями старения и современные методы их лечения часто остаются неэффективными. Для повышения эффективности мы предлагаем изучить, как препараты, способные удалять стареющие клетки, могут влиять на опухолевые клетки. В процессе выполнения проекта участники с помощью современных методов иммунологии, молекулярной и клеточной биологии изучат, как изменятся условия окружающие опухоль, уменьшится ее рост или увеличится гибель опухолевых клеток после удаления стареющих клеток. Мы попытаемся понять, какие молекулы секретируемые старыми клетками играют роль в регуляции роста опухоли. Полученные результаты будут актуальны и важны для понимания механизмов старения и создания новых подходов к лечению опухолевых заболеваний. Целью проекта является оценка влияния удаления стареющих клеток на факторы, стимулирующие или подавляющие развитие опухоли.
Участникам проекта будет предоставлена возможность культивировать первичные, нормальные клетки и опухолевые клетки мыши и человека. Определять различными методами (окраска на SA-beta-gal; p16) и подсчитывать количество стареющих клеток после обработки клеток в культуре противоопухолевыми химиотерапевтическими препаратами (этопозид) и иммуномодулирующими молекулами такими, как фактор некроза опухолей (ФНО) и интерферон-гамма (ИФНг). Изучить экспрессию генов ассоциированных со старением и секрецию в окружающую среду специфических молекул, присущих SASP (интерллейкин-6, ФНО). Оценить влияние применения сенололитиков (англ. Senolytics: senile — дряхлый и lytic — разрушающий) на вышеописанные параметры и на способность опухолевых клеток активно размножаться и быть устойчивыми к лечения противоопухолевыми средствами.
Эксперименты будут проводиться с применением методов ведения клеток в культуре, дифференцировки в макрофаги, проточной цитометрии, микроскопии, количественного ПЦР, иммуноферментного анализа.
Полученные данные могут послужить основой для выработки новых стратегий повышения эффективности уже существующих методов лечения злокачественных заболеваний с помощью сенолитической терапии.
Партнер проекта: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт цитологии РАН»
Руководитель отдела клеточной биологии АО «Генериум»
Научный сотрудник отдела молекулярной и клеточной биологии АО «Генериум»
Сотрудник АО «Генериум»
Руководитель группы характеризации малых молекул компании «Биокад»
Научный сотрудник компании «Биокад»
Научный сотрудник лаборатории экспериментальной валидации мишеней компании «Биокад»
Младший научный сотрудник компании «Биокад»
Младший научный сотрудник лаборатории экспериментальной валидации мишеней компании «Биокад»
Научный сотрудник компании «Биокад»
Заведующий лабораторией генетики развития Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН
Сотрудник Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН
Сотрудник Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН
Доцент Института биомедицинских систем и биотехнологий Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, кандидат биологических наук
Доцент Высшей школы биомедицинских систем и технологий Института биомедицинских систем и биотехнологий Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, кандидат биологических наук
Исследователь Сколковского института науки и технологий, кандидат биологических наук
Научный сотрудник кафедра биологии почв факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова, кандидат биологических наук
Ведущий научный сотрудник Института цитологии Российской академии наук (Санкт-Петербург), доктор медицинских наук. Область научных интересов: повреждения ДНК, онкосупрессоры, клеточное старение
Младший научный сотрудник Института цитологии Российской академии наук
Директор Института химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения РАН, член-корреспондент и профессор РАН, профессор, доктор химических наук
Ведущий научный сотрудник Института цитологии Российской академии наук (Санкт-Петербург), доктор медицинских наук. Область научных интересов: повреждения ДНК, онкосупрессоры, клеточное старение
Старший научный сотрудник, заведующий группой молекулярной генетики Института химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения РАН, доцент Специализированного учебно-научного центра Новосибирского государственного университета, заведующий лабораториями биологического направления Регионального центра Новосибирской области «Альтаир», методист направления «Генетика и биомедицина» проектной программы конкурса «Большие вызовы», кандидат биологических наук