Научная работа руками школьников

До недавнего времени будущий ученый не задумывался о собственных научных публикациях, пока для него не наступало время готовиться к защите диссертации. По крайней мере, в школе и на первых курсах университета об индексах цитируемости и порядке соавторов в статьях никто, как правило, не задумывается. Но научный мир стремительно меняется — и сегодня у студентов и даже у школьников есть возможность если не самостоятельно написать полноценную научную статью, то, во всяком случае, принять активное участие в ее создании. Об одном таком подобном опыте работы с молодыми учеными я и расскажу.

Подобно олимпиадам, которые раньше служили скорее развлечением для любознательных старшеклассников и дружеским соревнованием между школами и городами, а теперь стали одним из способов поступления на бюджетные места в хорошие вузы, ранние публикации юных исследователей дают им возможность, например, попасть в хорошую аспирантуру и поэтому обладают высокой ценностью.

Вообще-то, если говорить честно, редко какой студент на втором-третьем курсе способен сделать работу, достойную публикации в хорошем журнале, сам от начала и до конца. Конечно же, тут необходимо участие руководителей. Иногда это выглядит просто как помощь, мол, давайте включим «ребенка» в наш научный труд, пусть он и мало в нем участвовал, но ему это потом пригодиться. Порой это доходит до абсурда — в Южной Корее, например, родители принялись включать в соавторы публикации своих детей, притом что те в половине случаев вообще не имели никакого отношения к научным работам. В конце концов это вызвало немалый скандал, и, с точки зрения прессы, стало отдавать прямым мошенничеством.

Однако тут важно не перегнуть палку с критикой самой идеи. Несмотря на то, что старшеклассник обычно не может самостоятельно выполнить научную работу от начала и до конца, есть немало ребят, которые с удовольствием подключаются к научным проектам, потому что хотят не только научиться чему-то новому, но и сделать что-то в научном мире «своими руками».

Именно такие ребята подают заявки, например, на участие в Школе молекулярной и теоретической биологии, которая уже шесть лет проходит в летние месяцы под руководством Федора Кондрашова на территории России и Испании. В этой Школе российским школьникам предоставляется возможность как поработать в прекрасных современных лабораториях, так и научиться методам компьютерной биологии, анализируя последовательности ДНК, строя модели взаимодействия белков с лекарствами и кровотока внутри сосудов и занимаясь еще многим, многим другим.

Плюс здесь в том, что школьники подключаются к самым настоящим существующим научным проектам и работают скорее с учеными, чем с учителями, а сама их работа больше похожа на настоящий научный процесс, чем на занятия. А если результаты выходят интересные и новые, то такое исследование можно доработать и опубликовать, что уже несколько раз и происходило — и только что произошло еще раз. Об этом я и хочу рассказать подробнее.

Все началось еще в 2014 году. Тогда я впервые приехала на Школу молекулярной и теоретической биологии в хорошо знакомый мне город Пущино. В составе биоинформатической лаборатории под руководством Михаила Сергеевича Гельфанда в тот раз, как, впрочем, и во все остальные годы, нас оказалось довольно много. Поэтому после проведения ротаций пришедших к нам школьников было хотя и немало, но все же меньше, чем преподавателей, и на мой проект участников не хватило. Я слегка расстроилась, но решила, что все равно пригожусь — буду помогать всем остальным. Однако уже на следующий день ко мне пришла старшеклассница, которая решила поменять проект в лаборатории на работу за компьютером («мокрую» работу сменить на «сухую», как говорят у нас). И наши занятия с ней начались.

Я занималась эволюционной геномикой сахарного метаболизма у бактерий, и в течение двух недель, которые были у нас с Сашей Ереминой, мы работали с моими базами данных и программами, пробовали найти что-нибудь интересное и считали всякую общую статистику.

Окружение гена зачастую может много сказать о его функции, особенно, если оно консервативно. Действительно, если гену «все равно», какие у него соседи, то их состав не будет сохраняться на бактериальном эволюционном дереве, а будет постепенно перетасовываться все сильнее и сильнее. Если же этот состав по какой-то причине сохраняется из вида в вид и даже из рода в род, то это повод посмотреть на такую комбинацию генов повнимательнее, потому что она поддерживается естественным отбором, а значит, зачем-то нужна клетке именно в таком виде.

Под самый конец школы мы обнаружили, что у энтеробактерий (это бактерии, наиболее известным представителем которых является кишечная палочка) есть некая длинная комбинация генов, лежащих рядом на бактериальной хромосоме, которая похожа по своему функциональному составу на комбинацию генов, необходимых для метаболизма лактозы у других бактерий — бацилл. Саша рассказала об этом на итоговой конференции, причем, как у нас принятно, на двух языках, русском и английском. Казалось бы, предположение о том, что энтеробактериальная кассета также может работать на утилизацию лактозы, тут немного притянуто за уши. Но, услышав эту историю, Мария Тутукина, сотрудник Сколтеха и пущинского Института биофизики клетки, предложила проверить нашу теорию экспериментально.

Наиболее распространенным субстратом для кишечной палочки служит всем известный моносахарид — глюкоза, которая в большом количестве поступает в организм из пищи при разложении более сложных углеводов. Кроме того, удобным источником питания является лактоза — дисахарид, который содержится в молочных продуктах и состоит из остатков глюкозы и галактозы. В 50-х годах прошлого столетия французские ученые Франсуа Жакоб и Жак Моно задались вопросом: как бактериям удается быстро перерабатывать такие большие количества лактозы и как они выключают синтез всех ферментов ее утилизации, когда лактоза заканчивается? Ведь тратить ресурсы «вхолостую» никогда и никому не выгодно.

Сейчас известно, что гены зачастую расположены на бактериальной хромосоме не в случайном порядке. Лежащие по соседству гены нередко объединены в опероны — то есть считываются с ДНК одновременно. Клетке это удобно, так как можно одновременно регулировать экспрессию сразу нескольких генов. Кроме того, белок-регулятор (фактор транскрипции) часто бывает закодирован тоже по соседству. Именно так и оказался устроен оперон, в котором были закодированы все три фермента, необходимые для эффективного усвоения лактозы.

За свое открытие «касающееся генетического контроля синтеза ферментов и вирусов», Жакоб и Моно, вместе с Андре Львовом, получили в 1965 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Сейчас предложенная ими «концепция оперона» описана во всех учебниках по биологии, и без преувеличения можно сказать, что именно она положила начало всесторонним исследованиям регуляции бактериального метаболизма.

С тех пор считалось, что у кишечной палочки есть только один пусть метаболизма лактозы, и если его выключить, то клетка просто не сможет существовать на этом субстрате.

Тут надо упомянуть, что, исследуя нашу кассету энтеробактерий, мы нашли вышедшую за пару месяцев до этого статью в Nature как раз об этой кассете. Там говорилось, что ее гены нужны для переработки экзотического субстрата — серосодержащих углеводов, а значит, они участвуют в не до конца еще изученном круговороте серы в природе. В этой работе, однако, ничего не было сказано о том, зачем бактерии постоянно синтезировать столь узкоспециализированные ферменты и как она регулирует их синтез, если она делает это не постоянно.

С помощью методов сравнительной геномики мы проверили, нет ли там поблизости какого-нибудь подходящего локального регулятора, — и нашли его. Более того, помимо этого закодированного поблизости фактора транскрипции в регуляции исследуемой кассеты участвовал глобальный метаболический регулятор cAMP-CRP. А это уже прямое доказательство того, что кассета используется клеткой довольно часто, что вряд ли возможно, если предположить, что она нужна лишь для редко встречающихся в природе сероуглеводов.

Первые же результаты анализа экспрессии генов на разных субстратах показали, что как минимум некоторые гены из этой кассеты действительно активируются, когда клетка растет на лактозе. Это был удивительный и очень приятный результат, и мы поняли, что с этим проектом можно работать и дальше.

На следующей школе, в 2015 году, им занялась уже целая команда ребят — мы с Марией руководили «сухой» и «мокрой» частью соответственно, а Женя Белоусова, Настя Коростелева, Даша Быкова и Вера Емельяненко (которые в тот момент учились в 9, 10 и 11 классах) бегали от компьютера к пипеткам и обратно. Выяснилось, что по крайней мере четыре гена из кассеты участвуют в лактозном метаболизме; кроме того, оказалось, что большинство из них не имеет единой оперонной организации, а считывается с отдельных промоторов (то есть задействуются разные ее части по-отдельности и по мере надобности), а в некоторых бактериях вообще присутствуют только «куски» этой кассеты — что говорит о том, что это не единая структура, нужная лишь для одной цели, а некий набор инструментов, которые в разных ситуациях включаются по-разному.

На следующем этапе работы мы «выключили» гены главного лактозного оперона кишечной палочки (описанного выше оперона Жакоба и Моно) и показали, что даже в его отсутствие бактерии сохраняют способность к росту на лактозе, который к тому же увеличивается, если выключить пресловутый локальный регулятор. Они растут слабее, но растут — что, по-видимому, вносит некоторую значительную поправку в прежнюю картину мира, касающуюся лактозного метаболизма кишечных палочек.

На финальном этапе мы разобрались с регуляцией транскрипции и выяснили, как именно локальный регулятор и глобальный регулятор cAMP-CRP влияют на работу всех интересующих нас генов этой кассеты при росте на разных субстратах.

После этого работа была подана в журнал Scientific Reports. Это журнал группы Nature, с довольно высокими требованиями, поэтому статью пришлось еще дважды править, доделывать некоторые дополнительные эксперименты и оправдываться за разные неожиданные вещи (трудно оказалось формальным языком объяснять редакции, что необрезанную фотографию электрофореза четырехлетней давности «с краями» мы прислать не можем, потому что ее «дети случайно стерли», хотя это и была сущая правда) но, в конце концов, ее опубликовали.

Таким образом, в числе соавторов оказались пять старшеклассниц, которые сейчас уже являются студентками разных российских и даже шотландских вузов. Можно с чистой совестью сказать, что каждая из них внесла в проект свою лепту и ее работа действительно пригодилась. Получается, что даже смелые и кажущиеся наивными предположения можно и нужно проверять, а интенсивная совместная работа может привести к очень плодотворным результатам вне зависимости от возраста участников.