ЭкспертНаука

Охота за микробами в масштабе всей страны

В Новосибирске создан крупнейший в стране генетический банк микроорганизмов и разработана масштабируемая методика вовлечения школьников в практическую науку

Виталий Лейбин

Всероссийский атлас почвенных микроорганизмов, включающий в себя более десятка тысяч образцов из разных регионов страны, создан на базе новосибирского Института химической биологии и фундаментальной медицины (ИХБФМ) СО РАН и продолжает интенсивно развиваться. По смыслу он похож на знаменитую коллекцию семян Николая Вавилова, которая позже стала первым в мире крупным банком генов. Здесь тоже речь идет о коллекции и генетическом банке — но не растений, а микробов (в дополнение к коллекции в Пущино). Эта работа должна принести научные результаты в разных сферах. В первую очередь она поможет в поисках новых антибиотиков и бактериофагов (вирусов, которые атакуют бактерии), полезных для сельского хозяйства, и биотехнологий бактерий, полезных ферментов, в том числе новых инструментов геномного редактирования, подобных знаменитой системе CRISPR/Cas9, которая тоже была открыта при исследовании микроорганизмов. Уже обнаружены новые бактериофаги, публикации готовятся.

Наука и микробы

Коллекцию такого масштаба невозможно было создать только силами ученых, даже если бы они объединились в команду, имели массу свободного времени и неограниченный бюджет на командировки. Почвенные образцы собирали методом гражданской науки: этим занимались группы заинтересованных школьников во главе с наставниками. Около 3500 школьников из 600 групп за полгода прислали в Новосибирск 10 тыс. образцов почвы из 60 регионов.

«Если бы ученые решили собрать такой материал сами, им бы потребовалось во много раз больше времени и денег, чем мы потратили на обучение наставников, производство наборов и рассылку, — говорит один из лидеров проекта, научный сотрудник ИХБФМ СО РАН, руководитель профиля «Геномное редактирование» Национальной технологической олимпиады Сергей Седых. — Дети не просто присылают образцы почвы — они организуют экспедиции, проводят собственные исследования, пишут статьи, делают презентации, выступают на конференциях. То есть побочным продуктом этого проекта стало вовлечение детей в научную деятельность, действенное образование и профориентация, расширение кругозора и развлечение со смыслом. Иногда можно услышать, что кислород — побочный продукт фотосинтеза. Но ведь именно благодаря тому, что цианобактерии и растения умеют фотосинтезировать, на Земле есть кислород и жизнь. Так что еще неизвестно, какой продукт основной, а какой побочный. С атласом микроорганизмов похожая история».

С точки зрения «побочного продукта» здесь можно говорить об инновации в образовании. По форме это школьные лабораторные работы и традиционные проекты вроде дневника наблюдений за природой, но в отличие от них это реальный и полезный научный труд, результаты которого могут изменить мир.

«Это не просто лабораторные — в обычных лабораторных работах нет никакой дополнительной ценности, кроме того, что так написано в параграфе учебника. Открытия, которые делают школьники, могут быть разного уровня, но это всегда что-то нужное. Например, десятки новых бактериофагов найдены благодаря тому, что школьники из Ингушетии, Бурятии, Мурманской, Челябинской областей и других регионов направляют почвенные образцы, которые нужны медикам», — отмечает другой лидер проекта, директор новосибирского фонда «Образование» Майя Гичгелдиева.

Впрочем, говорить, что большое количество открытий уже сделано благодаря школьникам, пока рано. Это связано со сроками научных публикаций. Сейчас в прессе пишут о результатах, полученных примерно год назад. Лабораторная стадия разработки нового антибиотика — три–пять лет. Но в ближайшие годы, очевидно, следует ожидать вала работ на основе собранных материалов.

Атлас микроорганизмов существует в форме сайта и базы данных, которой могут пользоваться ученые из любых научных организаций, и лаборатории в разных городах уже заказывают конкретные образцы. База данных информативна, из нее можно понять, какие образцы могут содержать, например, продуценты антибиотиков. Очевидно, что эти продуценты уже найдены; не исключено, что после анализа образцов будут открыты природные перспективные формулы.

База полезна не только для исследователей, но и для школьников. «Группы школьников кроме точного геотега вносят результаты первичного анализа, данные собственных исследований, описывают место взятия образца, — рассказывает Сергей Седых. — Лаборатория, которая изучает продуценты антибиотиков, может заказать новые образцы. Например, они посмотрели образец из ручья, заинтересовались и попросили взять дополнительный образец рядом с ручьем. И наставники, и школьники знают, из каких институтов приходят запросы. Какие научные результаты из этого получатся, они тоже увидят в базе данных».

Сотни микроорганизмов уже охарактеризованы, в лаборатории ИХБФМ СО РАН ученые ищут новые генетические инструменты, молекулярные механизмы точного разрезания, репликации (копирования) и репарации (восстановления) ДНК — все они могут стать перспективными инструментами геномного редактирования.

Кроме того, найдены микроорганизмы, которые в дальнейшем найдут применение в растениеводстве. Речь идет о бактериях, стимулирующих рост: азотфиксирующих, фосфатстабилизирующих, сидерофорах (фиксирующих железо) и иных микробах — продуцентах полезных веществ, которые живут на корнях растений.

Первичный скрининг проводили сами школьники: они прицельно выбирали, например, поиск азотфиксирующих микроорганизмов. Почвенные образцы выращивались на среде Эшби, которая содержит все необходимое для жизни бактерий, но не азот, — там выживают только те микробы, которые способны получать азот прямо из воздуха. Поскольку ни растения, ни животные этого не умеют, но нуждаются в азоте, азотфиксирующие микроорганизмы — необходимая часть экосистемы. Ну и конечно, такие бактериальные добавки стимулируют рост растений более естественно, чем азотные удобрения. Но механизм полезного действия бактерий может быть сложным. «Даже читая литературу по этой теме, я не смогу ответить, полезен ли конкретный микроб, потому что он фиксирует азот или потому что секретирует гормоны, которые стимулируют рост корней», — признает Сергей Седых.

В любом случае, после того как ученые-микробиологи опишут потенциально полезные бактерии, в игру вступят ученые-аграрии, которые обработают ими участки земли с разными культурами в разных регионах, чтобы понять, для каких растений и в каких условиях те или иные микроорганизмы могут использоваться.

Дети и микробы

В школе № 1 рабочего поселка Чистоозерное в Новосибирской области работает центр образовательной технологической и естественно-научной направленности «Точка роста». Его страница в VK полна сообщений о научных достижениях и наградах школьников: «Шесть учениц, занимающихся по программе ДООП “Экспериментальная химия” получили дипломы соавторов за участие в исследовательской программе “Всероссийский атлас почвенных микроорганизмов”». В том, что такая «Точка роста» возникла, а вокруг нее объединились школы из соседних районов, велика роль «микробного проекта».

Идея «охотников за микробами» возникла еще до того, как гражданская наука нашла свое отражение в поручениях президента, а потом и вошла в разного рода показатели. «Мы поняли, что занимаемся гражданской наукой, когда уже ею занялись. Мы просто придумали интересную и важную штуку. Но спасибо тем, кто вписал в лот министерства добавление “методами гражданской науки”, — говорит Сергей Седов. (Проект реализуется в рамках Федеральной научно-технической программы развития генетических технологий на 2019–2027 годы при поддержке Минобрнауки. — “Эксперт”). — Это не ново: даже звезды и галактики порой открываются непрофессиональными астрономами. У нас все чуть сложнее устроено: требуются микроскопы, лаборатории. Найти сейчас новый микроорганизм — большая удача. Но выяснить, что конкретная бактерия может фиксировать атмосферный азот, а никто об этом не знал, тоже открытие, да еще в перспективе имеющее практическое применение».

Все началось с группы ученых и деятелей неформального образования, которым хотелось чего-то нового и настоящего. «Зачем нам это надо? Умный любит учиться, а дурак — учить, — смеется Сергей Седых. — Моя любимая пословица, ни один из наших педагогов еще ни разу не обиделся. Мы были методистами в центре “Сириус”, проводили смены по генетике, биомедицине и промышленным биотехнологиям, придумали профильную олимпиаду». Так возникло «перемешивание» ученых и сферы школьного образования.

«В 2016 году мы поняли, что читать лекции школьникам — это хорошо, но мало. Нужна реальная научная задача от реальной научной организации. Мы встречались с учеными, и где-то через полгода они поняли, что им действительно нужно. Мы вместе отрабатывали методику», — говорит Майя Гичгелдиева.

Биология оказалась наиболее простой областью для вовлечения школьников: микробы под каждым кустом разные, а законы физики везде одинаковы, труднее придумать межрегиональный проект. «Мы в 2018 году провели профильную олимпиаду по геномному редактированию, — рассказывает Сергей Седых. — Наши школьники начали изучать ископаемую ДНК до того, как за это дали Нобелевскую премию. Мы убедили чиновников и министерства, что дети способны этим заниматься и могут быть полезными. “Сириус” и другие передовые проекты работы со школьниками это подтверждают. Для кого-то школьники — обуза, лишние сложности, но здесь они и правда приносят пользу».

В 2019 году в Новосибирске прошла первая Школа наставников за пределами Сколково. Из разных районов области приехали 250 учителей и вместе с учеными размышляли, как правильно вместе работать: что нужно науке, что нужно школе. Но быстро оказалось, что совместная работа не складывается. Ученые не стремились делать проекты с детьми, а учителя этого не умели.

Чтобы передать школьным наставникам часть научной технологии в очень простой форме, потребовалось разработать специальную методику. Ее построили по принципу франшизы, включив туда курсы, исследовательские наборы, консультации и обучение учителей, конференции и участие школьников в олимпиадах и конкурсах. Было понятно, что наставники для детских групп нужны обязательно, поскольку ученые не могли отвечать за соблюдение техники безопасности в школьной лаборатории. Наставниками, по словам Майи Гичгелдиевой, обычно становились молодые ребята, которые хотели, чтобы школьники увлеклись их предметом; умудренные опытом учительницы из малых городов и деревень, которые всерьез отнеслись к выполнению госзадания по проектной работе школьников; руководители кружков и даже активные родители. Кроме того, требовалась понятная методика экспериментов и коробочки с реактивами и инструментами. Методика, кстати, прошла экспертизу в новосибирском «Векторе».

В первый год в проекте участвовали 40 команд из Новосибирской области, в 2021-м заявки подали уже сотни команд со всей страны — франшиза заработала. «Поначалу мы набивали шишки. Объясняли ученым, зачем возиться со школьниками, — говорит Сергей Седых. — Что тогда получается научная польза и какие-то деньги ученым, а учителям и школьникам все достается бесплатно. Все выполняют показатели, и все в плюсе. Делиться знаниями — отличная идея, ведь и у тебя в голове не убывает».

«Школьники, отработавшие цикл охоты за микробами, часто говорят: “Мы раньше думали, что почва — это грязная хрень, в которой растут грязные корни грязных растений. А сейчас мы знаем, что там полезные бактерии, которые приносят пользу растениям, благодаря им мы можем питаться и вообще жить на этой планете. Бактерии хорошие, выливать хлорку на них не надо. Руки мыть мылом с антибиотиками не стоит — нужно жить в симбиозе с природой”», — вспоминает Седых.

Сейчас в новосибирском фонде «Образование» кроме «Охотников за микробами» действует 14 тематических направлений. «У нас есть проект по органической химии, в котором школьники из 15 регионов выделяют полезные вещества, витамин Е и другие компоненты для БАДов, — делится Майя Гичгелдиева. — Есть проект по археологии с “Иннопрактикой” и Институтом этнологии и этнографии СО РАН, в котором участвуют группы из Ингушетии и Хакасии. Ребята обнаружили самые ранние пересечения древних хакасов с Китаем. Есть проект по гидропонике: школьники выращивают разные растения, от микрозелени до более объемных посадок, строят технологические карты, изучают необходимые параметры — освещение, влажность. В проекте по квантовой физике знакомятся с возможностями защищенной квантовой связи, пытаются разрабатывать новые протоколы для квантового компьютера. Среди гуманитарных проектов — “Семейная реликвия и культурно-историческая память”, проводимый в сотрудничестве с Санкт-Петербургским университетом: здесь ребята описывают семейные реликвии, берут интервью у бабушек и дедушек — получается потрясающий материал».

Говоря о проблемах и трудностях, Майя Гичгелдиева удивляется, что власти ряда регионов не спешат оповещать школы о множестве новых возможностей. В том числе о том, что ученики действительно способны помочь реальным ученым, а их проектная работа может стать не формальной данью административной моде, а настоящим приключением.

Фото: из личного архива Сергея Седых, TASS

Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl