Автор питання і коментар: А. С. Смоляр, студентка 2-го курсу КНУ ім. Т. Шевченка Навчально-наукового центру «Інститут біології та медицини» спеціальності біологія.Найважливішою частиною у самому питанні є те, що не потрібно було вказувати конкретне місце, а потрібен був саме аналіз і вибір правильної стратегії. Перед тим, як ми вибираємо стратегію, нам треба обрати, яку хімію клітини нам потрібно досліджувати.Є кілька варіантів, умовно кажучи, органіка та неорганіка клітин (щоб простіше було зрозуміти). Якщо ми беремо органіку клітини, те основне, що ви знаєте зі школи, — це білки, жири та вуглеводи. І дуже багато хто з вас у своїй доповіді базувався на досліді Міллера-Юрі, який був частковим підтвердженням гіпотези Опаріна.Проблемою цього досліду стала саме хіральна частота. Оптичні ізомери (це поняття широко використовується в органічній хімії) — це ті ізомери, які різняться площиною обертання. Є праві та ліві ізомери. У кожного такого ізомеру є хіральний центр. Хіральний центр – це атом Карбону, відносно якого будується сама асиметрія. Проблема саме в тому, що організми є хірально чистими. У результаті досліду Міллера-Юрі утворюється суміш правих і лівих ізомерів. Наприклад, амінокислоти в людському організмові (але не лише в людському) є тільки лівообертаючими. І коли утворюється велика кількість лівих і правих ізомерів, вони можуть поєднуватися у полімери, але проблема полягатиме в тому, що вони будуть згортатися у неправильну конформацію і не матимуть змоги виконувати свої функції.Неорганічна хімія, а саме, йони. Усі ви знаєте елементарний хімічний склад клітини: елементи органогени, макроелементи та мікроелементи. Чому саме неорганічна хімія? Тому що органічна хімія клітини з плином часу дуже сильно модифікується, змінюється, деякі функції втрачаються, деякі функції набуваються, в неорганічній хімії функції також змінюються, але ж сам йон, в принципі, модифікувати дуже важко в самій клітини. Тому ми можемо сказати так, що неорганічна хімія клітини не має віку. Відповідно, щоб визначити, де саме у нас зародилося життя, нам треба визначити умови, у яких це могло відбуватись.Можемо виокремити такі важливі стратегічні йони: йони Фосфору, Феруму, Цинку, Мангану та Купруму. Це саме ті йони, які відіграють дуже важливу роль у життєдіяльності клітини. Це йони, які входять до різних кластерів, до АТФ, ГТФ тощо. Потрібно подумати, звідки нам взяти ці йони? Щоб відповісти на це запитання, треба знати, в якій вони мають бути формі, тобто не з усіх неорганічних речовин можна добути потрібні йони, адже, наприклад, вони будуть не в тому ступені окиснення. А для того щоб це знати, нам треба визначити умови. Дуже важливими умовою і фактором є температура, тому що деякі мінерали, взяти той самий апатит, який є важливим джерелом Фосфору, є фактично нерозчинними. Та за певних умов, за певних температури і мінерального складу середовища Фосфор з нього може вивільнятись. І так само взяти пірофосфати та фосфіти. За певних умов з них можуть виділятися фосфати, які гарно відповідають неорганічному складу клітини.Дуже важливим фактором для зародження життя є також відносна ізоляція. Як це пояснити? Дуже багато хто з вас згадував про чорні і білі курці. Їхньою  особливістю є те, що у них міститься велика кількість мінеральний міцел — це якісь солі, якісь мінеральні речовини, які є або осадженими, або завислими у воді. У міцелах є дуже багато «лабіринтів», які можуть забезпечувати ізоляцію для органіки, яка утворилася, для того щоб убезпечити її від різних зовнішніх впливів (УФ, агресивна дія температури та інших мінеральних речовин).Далі — каталізатори ( Цинк, Ферум та ін.). Адже нам потрібно осадити органіку, яка утворилась за таких умов.Якщо взяти всі фактори і поєднати їх, то найбільш імовірні місця – це геотермальні поля, які поділяються на гейзери та грязьові котли. Різниця між ними: гейзери викидають гази (фумароли). Вони, з одного боку, підходять, а з іншого — ні, тому що у них не вистачає певних важливих факторів, які ми назвали. А грязьові котли – те, що треба. Чому? – Тому що у них достатня кількість важливих хімічних елементів (йони у потрібному ступені окиснення), вбудоване джерело тепла (вони постійно підігріваються знизу вулканічною лавою), мінеральні міцели і пересихаючі бані. Коли дощами змиваються мінеральні речовини, вони збираються у грязьових котлах, там вони перебувають у розчиненому стані, частина води випаровується і мінеральні речовини концентруються, можна сказати, що утворюється розсол.Іще один фактор – сонячні промені. Вони важливі для уможливлення різних реакцій. Звідси можна визначити місце.

Мені б хотілося почути від вас саме вибірку, але ви самі вирішуєте, як розв’язувати це питання. Ця вибірка може складатися із Єллоустоуна, Камчатки. Це одні з варіантів. Іще є Нова Зеландія і Ісландія. Там є грязьові котли, які підходять за цими факторами.

Ця вибірка — це наочний приклад умов, у яких могло зародитись життя, але це не є чітко визначеним територіальним прикладом колиски всього живого.

Автор питання і коментар: Соколенко В. Л., кандидат біологічних наук, доцент Черкаського національного університету імені Богдана ХмельницькогоПідставою для формулювання питання стала публікація, в якій вказувалося, що певні види «розплатилися» за швидку еволюцію скороченням тривалості життя. Такий ефект можна було б брати як одну з базисних тез для формування турнірної відповіді. А загалом, під час розв’язування цього питання, як і багатьох інших цьогорічних турнірних завдань, варто було проаналізувати філогенетичні дерева різних систематичних груп, особливості розгалужень, порівняти з тривалістю життя представників. Зосередитися на розгалуженнях, які свідчили про швидкий еволюційний розвиток певних видів. Зокрема, у вище згаданій публікації наводився приклад гризунів, які дуже швидко еволюціонували, виникла велика кількість видів цих тварин. Проте, значна частина гризунів мають короткий період життя. І це лише один із прикладів.Загалом, питання передбачало оцінку філогенетичних дерев, відбір кількох яскравих прикладів швидкого розвитку видів, пошуку позитивів чи негативів, аналіз можливих причин. Наприклад,  було б цікаво розглянути версії у зіставленні із сучасними теоріями старіння організмів. Проте, звісно, могли бути й інші варіанти вирішення цього завдання. Як для кожного турнірного питання, давався значний простір для фантазії. Але з науковим підґрунтям.

Автор питання і коментар: Ісакова Л. Г., студентка Київського Національного університету ім. Тараса Шевченка, срібний призер Міжнародної Біологічної Олімпіади 2018 року, учасник та капітан київської команди «Дослідник» на Турнірі юних біологів 2016 та 2017 років.

Часто при проведенні геномних досліджень знаходять неанотовані консервативні регіони геному різної довжини з невідомими функціями. Запропонуйте схему дослідження для визначення функцій таких надконсервативних ділянок геному.Цей варіант розв’язання — це скоріше рекомендація щодо того, як варто було б робити.Я є автором двох питань (15, 16). Вони обидва про методологію.Власне мікробіом мозку — це питання про «мокру», тобто експериментальну біологію, а консервативне незрозуміло-що — про біоінформатику.Почну з більш зрозумілого експериментально-біологічного питання.Проблема в тому, як перевірити, чи існує в нашому мозку мікробіом, чи ні. Під час розв’язання цієї задачі спочатку необхідно було визначитися саме з цим питанням, а не розглядати те, як бактерії потрапляють у мозок, коли ми ще навіть не впевнені чи вони там взагалі є.Власне, чому я задала таке питання? Тому що, насправді, останнім часом завдяки можливості проведення метагеномних досліджень мікробіоми знаходять в різних органах — плаценті, молочних залозах. Але потім виходить багато статей, які стверджують, що мікробіому там, насправді, немає, це була контамінація. Питання полягає у тому, як відрізнити артефакт дослідження від науково доведеного факту.

Загальна схема, як я пропонувала б вирішити це питання, це ознайомитися з першоджерелом — статтею вчених з Алабамського університету, пошукати схожі дослідження, подивитися, як вирішуються аналогічні проблеми при вивченні мікробіому, наприклад, молочної залози. Є також і інші статті про те, як боротись із контамінацією при такого роду досліджень. Це те, на що потрібно було звернути увагу. Далі — проаналізувати знайдені методи та адаптувати їх саме для вирішення питання про дослідження мозку. Ну і те, що також можна було зробити, — це доповнити відповідь якимись власними гіпотезами чи ідеями щодо методів дослідження тощо.

І далі, скомбінувавши знайдені факти та ідеї, сформулювати власну фінальну концепцію та план експерименту.

Ну якщо нас питають про методи експериментів, то найлогічніший варіант — брати методи з оригінальної статті, з першоджерела. Варто зазначити, що вказане першоджерело не є статтею, це абстракт з конференції, тези. Там інформації не так багато. Потім варто було також пошукати й інші статті про мікробіом мозку, зокрема, статтю 2012 року. Це, власне, джерело, де написано про його можливе існування. Отже, варто було проаналізувати методи, які використовувались у дослідженнях, що описано в цих статтях, і проаналізувати недоліки дослідження, які могли спричинити сумніви у реальності існування мікробіому мозку.

Недоліками досліджень, описаних у цих статтях, були: по-перше, відсутність або недостатня кількість контрольних груп; по-друге, це розмір вибірки, оскільки він також був маленький (контрольні групи — 2 мишки, 4 людини). І цього, звичайно, замало.

Виходячи з цього, статті, які обговорюються, скоріше, не є глобальними скринінгами досліджень, чи існує взагалі мікробіом мозку. Це, скоріше, дослідження case-study, коли вивчається одиничний випадок. Бачимо, що дослідження були проведені не ідеально.

Варто було подивитися, які ж є джерела контамінації. Я думаю, з цим всі розібралися, це достатньо очевидно.

А тепер про те, як з цією контамінацією варто було боротися і на що також варто було звернути увагу піл час постановки вашого експерименту. Я б сказала, що питання про контамінацію зводиться до питання про контроль — позитивний і негативний.

Виходить багато статей про існування загальних контамінантів — контамінанти, що часто трапляються у разі проведення метагеномних досліджень. Всі ці бактерії представлені на слайді. У більшості статей, а також у тих статтях про мозок зазначається, що серед мікробіому мозку знайдено саме цих контамінантів. Тому обов’язково те, що мало бути в вашому плані експерименту, які б методи ви не використовували, це контроль, як позитивний, так і негативний.

Проте, навіть якщо ми бачимо, що бактерії з мозку виявлено в цьому списку загальних контамінантів і в бактеріях із контрольних груп, навіть якщо ми провели якийсь додатковий аналіз (я не буду детально розказувати, якщо хочете, зайдете, подивитесь), то ми розуміємо, що наявність певного виду у контрольному зразку не значить його відсутність у реальному мозку.

Втім, ми переходимо від контролю того, які ж конкретно бактерії ми знайшли, до контрольних груп вибірки. У статті було зазначено, що використовувались миші стерильні, які вирощувались у стерильних умовах. Над цим також варто було подумати і у ваш план експерименту внести контроль не тільки того, наскільки у вас є чи нема контамінації під час виділення ДНК, секвенування (визначення послідовності ДНК) тощо, якщо це метагеномний аналіз. Також контроль мав бути і в вибірки контрольної групи, наприклад, в стерильних мишах.

Іншими причинами хибних результатів є проведення дослідів в різні дні тощо, які також можуть призвести до помилкових висновків.

Схема експерименту. Проаналізувавши ті статті, з яких можна було взяти методи, які вони використовували, і використати їх так само, а це було власне секвенування ДНК, в іншій статті використовували секвенування рРНК (кДНК, яка була ампліфікована з рРНК), електронна мікроскопія та іммуноблотинг. Можна було використовувати ці методи, цього цілком достатньо було б. Основне, що я хотіла б почути під час розгляду цього питання, це, звичайно, контрольні групи. Контрольні групи на різних рівнях, як було сказано, при модифікації, при аналізі, так само і контрольній групі, як вибірка. Власне, це, по суті, таке мінімальне, що мені хотілося б почути при розв’язку цього питання.

Автор питання і коментар: Ісакова Л. Г., студентка Київського Національного університету ім. Тараса Шевченка, срібний призер Міжнародної Біологічної Олімпіади 2018 року, учасник та капітан київської команди «Дослідник» на Турнірі юних біологів 2016 та 2017 років.

Спочатку розкажу трохи бекграунду, звідки взагалі взялося це питання. Якщо подивитися на геном і порівняти його з геномами інших видів (зробити повногеномне порівняння), то можна побачити, що є якісь ділянки, які достатньо високо консервативні, але це ні для кого не секрет, насправді. І коли ми трохи ближче дивимось на ці консервативні ділянки, ви бачите: тут ген, там рибосомальна РНК, вона надзвичайно консервативна, класно. Але якщо ми відкинемо всі ділянки, про які ми розуміємо, що це, наприклад рРНК чи якийсь інший консервативний білок, і візьмемо всі консервативні ділянки, що залишилися, виникає проблема, а чому ж оці ділянки консервативні і що вони взагалі роблять? Це питання було про те, як визначати функцію цих консервативних ділянок з незрозумілими функціями. Ось це, власне, приклад такої ділянки, ми бачимо, що це порівняння геномів хребетних. Після конкретного нуклеотиду починається велика кількість якихось замін у послідовності, а до цього сама ділянка дуже консервативна. І зараз це насправді існуючі ультраконсервативні елементи, і їхні функції на сьогодні не є визначеними. Необов’язково було розглядати конкретно ці, але це те, звідки з’явилася ідея такого питання.В умові зазначені два ключових слова. Це «неанотовані» та «консервативні». Перше, що потрібно було зробити під час розв’язання цього питання, — це поставити рамки, що ви вважаєте неанотованим. Потрібно розібратися, що таке «анотація». Анотація — це, по суті, коли нам відомо що елемент, який ми розглядаємо, — це якась кодуюча послідовність, або якась некодуюча РНК, або це якийсь регуляторний елемент, або якийсь повтор транспозона. Ми щось про цю ділянку знаємо. Неанотовані — це ті, про що ми, по суті, не знаємо нічого, крім того, що вони в певному випадку є консервативними. Тут також існують різні варіанти трактування терміну «анотація», але, по суті, у будь-якому випадку, це визначення функцій. Класичними методами анотації є проходження кожним геномом автоматизованого пайплайну — це пошук по базах даних та порівняння досліджуваної ділянки з уже відомими (пошук ортологів та паралогів), а також автоматизований пошук відкритих рамок зчитування. І по суті, ми маємо працювати в рамках цього питання з тими елементами, які не потрапляють під жодну з цих категорій, про які ми не змогли знайти ніякої інформації (на слайді).Тепер що таке «консервативні». Консервативні — це ті, які мають мінімальну кількість змін у максимально еволюційно далеких організмів. Наприклад, якщо в якійсь ділянці геному дуже мало замін (відмінностей у послідовності) порівняно з Escherichia coli — це високо консервативна ділянка. Ну і звичайно ж, це поняття є відносним. Також з цього випливає те, що, по суті, чисто математично, чим більша довжина послідовності, тим менша консервативність. Набагато легше знайти короткі послідовності, які є висококонсервативними.Тоді також виникає інше питання: якщо ми беремо щось консервативне, то якої довжини? Можемо взяти мегабазу геному (ділянку геному довжиною у 1 мільйон нуклеотидів), і вона дуже консервативна, або можемо взяти 60 нукеотидів. І це теж консервативне. В розв’язку питання варто було реалістично брати довжину десь до декількох тисяч нукеотидів, тому що реальна більшість ділянок геному, зокрема людського, має такий вигляд. Це різноманітні анотовані елементи. Тому необхідно просто знайти якийсь елемент, де понад декількох тисяч нуклеотидів, який буде неанотований, про який нічого не відомо. Розглядати варто ділянки, які одночасно є і неанотованими, і консервативними.Власне, план експерименту та методологія. Можна було запропонувати різні варіанти розгляду. Перший — це якийсь in-silico аналіз. Перше, що ми можемо зробити, що більш дешево, умовно кажучи, — це проаналізуати компьютерними методами. Що це може бути? Це пошук якихось уже відомих паттернів і використання нових алгоритмів (відмінних від тих, які використовують стандартні анотаційні пайплайни), це визначення того, який елемент наявний поруч, взаємне розташування цих елементів, це варіанти дослідження, які дають нам якусь інформацію про цей елемент. Знову ж таки, це такі речі, як Chip-seq (хроматин імунопреципітація) та Hi-C — це, по суті, визначення того, які ділянки хромосом між собою розташовані поруч, а також які білки взаємодіють і з якими ділянками хромосом. Із цього ми теж можемо брати інформацію про функціонал. Також можна було перевіряти на утворення 3-Д структур цими ділянками (фолдинг in-silico). Щодо експериментальних методів — можна було брати щось на кшталт делеції (нокауту) цих елементів і дивитися, що ж станеться із організмом у разі делеції даної ділянки.