Введение

          Биотехнология и биомедицина активно развиваются с середины двадцатого века. В развитых и развивающихся странах неуклонно растет спрос на квалифицированных специалистов, способных проводить научные исследования на высоком уровне, разрабатывать новые технологии. В связи с этим принимаются различные меры для привлечения молодежи в вузы, готовящие специалистов в области естественных и точных наук, разрабатываются новые методы преподавания, позволяющие включить мотивированную молодежь в научную работу на более ранних этапах и отбирать наиболее перспективных молодых исследователей. В последние годы в США и в ведущих европейских странах внедряются новые подходы к обучению школьников и студентов, основанные на проведении так называемых массовых экспериментов и организации учебно-научных курсов для студентов. Внимание этому вопросу уделяется и в России, наиболее ярким примером является создание образовательного центра и университета «Сириус» в г. Сочи. Накопленный к настоящему времени опыт позволяет сделать заключение о том, что массовые эксперименты и учебные программы, ориентированные на научные открытия, дают возможности для отбора мотивированной и способной молодежи для работы в науке. Актуальность подготовки специалистов, имеющих практические навыки научной работы, сегодня не вызывает сомнений [Центр HealthNet], отечественный рынок биотехнологии и медицинской генетики по скорости роста и выводу новых продуктов практически не уступает зарубежным. Существенным ограничением для появления новых стартапов и развития высокотехнологичных компаний является кадровый голод. Появление новых программ подготовки специалистов, компетентных в исследовательской деятельности в области естественных наук и наук о жизни, является несомненным приоритетом современного образования.

Массовые эксперименты с участием неподготовленной молодежи

          Массовые эксперименты, в которые вовлекаются тысячи школьников, уже несколько лет проводятся в Швеции в рамках Европейского научного фестиваля. В экспериментах участвуют все школы страны, в 2017 году участниками экспериментов стали более двенадцати тысяч школьников. Молодые исследователи под руководством инструкторов и наставников собирают биологические образцы или проводят простые измерения, школьники помогают ученым, планирующим эксперимент, получить большое количество данных. Такая форма работы соединяет образование и исследование, устанавливает живой контакт ученых со школьниками, получающими возможность приобщиться к настоящей науке. Эксперимент выгоден обеим сторонам. Ученые за счет огромного количества исполнителей проекта получают намного больше данных, чем если бы они собирали их сами, а школьники получают возможность участвовать в реальном научном исследовании и ознакомиться с методами исследований и научными подходами к решению проблем.
          В качестве примера простейшего эксперимента, проведенного при участии школьников в Швеции, можно привести изучение скорости разложения биологического материала в различных регионах страны в зависимости от типа почвы. Тысячи чайных пакетиков были закопаны школьниками в почву, ученики определяли скорость их разложения в зависимости от погодных условий, состава почвы и температуры. Ряд экспериментов был направлен на изучение пищевых предпочтений жителей страны, на оценку светового загрязнения в населенных пунктах Швеции.
         Массовые эксперименты могут быть направлены на получение ценных образцов, важных для исследования и развития технологий. Примером может служить эксперимент, проведенный школьниками в Дании Датским национальным центром образования в области естественных наук Астра с участием компании Novozymes [Schoolchildren’s bacteria hunt results]. Задачей эксперимента было ознакомление школьников с основами микробиологии и сбор коллекции микроорганизмов, полезных для приготовления молочных продуктов. В эксперименте участвовали более двадцати пяти тысяч школьников, их задачей был поиск полезных лактобактерий. Под руководством наставников ученики собирали образцы почвы в лесах, полях и на школьных площадках, исследовали способность образцов сквашивать молоко. Образцы, содержащие лактобактерии, отправляли для дальнейшего анализа в компанию. Более семидесяти сотрудников компании Novozymes, среди которых были ученые и инженеры, изучили более одиннадцати тысяч образцов, собранных школьниками. В результате эксперимента было получено четыре тысячи чистых штаммов лактобактерий, десять из которых ранее не были известны. Это очень большая цифра: в результате работы всех микробиологических лабораторий Дании удается обнаружить лишь один новый штамм лактобактерий в год.
         Этот массовый эксперимент позволил получить и фундаментальные научные результаты. Была построена карта распределения разных штаммов лактобактерий по территории страны, результаты секвенирования геномов новых штаммов бактерий опубликованы в научных журналах. Кроме того, был получен и перспективный прикладной результат — были найдены новые штаммы лактобактерий, которые представляют ценность как потенциальные пробиотики и ключевые компоненты, необходимые для производства йогуртов и других кисломолочных продуктов.

Массовые эксперименты, программы для вузов, ориентированные на научные открытия

         В последнее десятилетие в США успешно развиваются массовые эксперименты, рассчитанные на студентов первых курсов. В 2012 году Президентский совет специалистов по науке и технологии США представил доклад о том, что для обеспечения потребностей растущей экономики страны в предстоящее десятилетие дополнительно к ожидаемому числу выпускников вузов потребуется около одного миллиона выпускников-специалистов в области естественных наук [Report to the President 2012]. В связи с этим прогнозом было признано необходимым обеспечение активного привлечения молодежи в вузы, готовящие специалистов в области естественных наук, поднятие качества образования и ускорение процесса подготовки молодых исследователей.
         Для решения проблемы были разработаны предложения по созданию новых принципов обучения, которые делают точные и естественные науки более привлекательными для студентов, а также позволяют повысить качество подготовки будущих ученых, вовлекая их в исследовательский процесс на ранних стадиях обучения. Основной подход — замена стандартных лекционных и лабораторных курсов на научно-исследовательские курсы, ориентированные на научные открытия. Данный формат предполагает участие студентов на самом раннем этапе обучения в реальных научных исследованиях. Участие в реальных научных исследованиях привлекает молодых студентов в естественные и точные науки и ориентирует их на научную карьеру. Такой подход рассматривается как приоритетный в научном образовании в двадцать первом веке.
         В ряде вузов студентов традиционно привлекают к научным работам в исследовательских лабораториях. Однако в большинстве случаев в таких работах может участвовать относительно небольшое число студентов и только на старших курсах. Дело в том, что для вовлечения в исследовательский проект, реализуемый с использованием традиционных подходов, новые участники должны иметь глубокие фундаментальные знания и знать современные методы исследования. Кроме того, в большинстве вузовских лабораторий уровень научных исследований недостаточно высок, и в них работает не настолько много ученых, чтобы руководить научными работами большого числа студентов.
         Выходом из положения является разработка специальных образовательных программ, ориентированных на научные открытия, в которые могут вовлекаться студенты младших курсов. Также к образовательному процессу привлекают сильные исследовательские институты, способные создавать такие программы и обеспечивать квалифицированное руководство научными работами. Программы и подробные методические рекомендации могут быть разработаны ведущими институтами таким образом, чтобы они могли быть внедрены практически в любых вузах, даже не располагающих современной приборной базой, для того, чтобы расширить число участников программы за пределы ведущих исследовательских организаций. Специалисты из ведущих научных институтов обеспечивают подготовку наставников в вузах-участниках программы и курируют ход выполнения программ.
         Наиболее успешным проектом, ориентированным на научные открытия, функционирующим в США, является программа, в рамках которой студенты занимаются поиском и изучением бактериофагов — вирусов, поражающих бактерии и являющихся перспективными средствами борьбы с инфекционными заболеваниями. Программа SEA-PHAGES (seaphages.org) имеет целью ознакомление студентов с исследовательскими методами и подходами, планированием эксперимента, интерпретацией данных в пределах одного биологического исследования. Основным достоинством программы является то, что студенты являются прямыми участниками научного открытия. Поиск и изучение бактериофагов представляет пример привлекательного для начинающих ученых эксперимента, в котором возможно сделать настоящее открытие. На первом этапе работ с микробиологическими образцами не нужны глубокие теоретические знания и владение сложными методами.
         Программа поиска новых бактериофагов была инициирована профессором университета Питтсбурга Г. Хатфуллом. В 2002 году в Университете им была разработана программа PHIRE «Интеграция исследований и образования охотников за фагами», далее эта программа выросла в программу национального масштаба, Science Education Alliance Phage Hunters Advancing Genomics and Evolutionary Science, возглавляемую институтом Говарда Хьюза. В основе программы лежит разработанная Г. Хатфуллом методология для обнаружения и исследования фагов [Jordan, Burnett, Carson et al. 2014]. В соответствии с разработанными протоколами, студенты первых курсов ведут поиск бактериофагов, поражающих не опасный для человека штамм микобактерии M. smegmatis. Анализ бактериофагов позволяет исследовать общие принципы эволюции вирусов, закономерности их взаимодействия с бактериями, в ходе исследований получаются важные научные знания. Однако результаты работ по программе имеют и важное практическое значение, поскольку некоторые из бактериофагов, поражающих Mycobacterium smegmatis, способны также уничтожать родственные бактерии, являющиеся возбудителями заболеваний человека. В результате работ по программе накапливается коллекция фагов, потенциально перспективных для терапии.
         В 2014 году в программу было вовлечено более 2600 студентов, 80% из которых были студентами первого или второго курса. Программа рассчитана на два семестра и включает лекции и лабораторные исследования. Первый семестр посвящен микробиологии: выделению фагов, их очистке, размножению, изучению с помощью электронной микроскопии и выделению фаговой ДНК. На втором курсе студенты анализируют фаги с помощью современных физико-химических методов и исследуют их геномы. Вся работа организована так, что ее можно начать, не имея никаких начальных знаний: обучаться на программе может любой неподготовленный студент. Все, что нужно для достижения успеха — любознательность и желание работать, а необходимое будет дано и усвоено по ходу экспериментов. Сейчас в программе SEA-PHAGE участвует около 4200 студентов более чем из 100 вузов. Программа оказала положительное влияние на качество образования, привлекла активных студентов на факультеты, готовящие биологов и биотехнологов, и привела к получению важных практических результатов: общее количество выделенных студентами бактериофагов против микобактерий составляет около шести тысяч, и полные последовательности генома были определены почти для тысячи из них. На сегодня это крупнейшая в мире коллекция бактериофагов. Студенты, прошедшие обучение по этой программе, способны выполнять роль наставников для первокурсников. К началу 2020 года по результатам работы программы было опубликовано более 20 работ в изданиях, индексируемых PUBMED [Результаты по запросу].
         Высокий уровень и успех программы SEA-PHAGE были обеспечены за счет организаций-лидеров: университетов Питтсбурга, James Madison Univeristy, а также Howard Hughes Medical Institute. Они составили необходимые учебные программы, обучили преподавателей-инструкторов. Это облегчает включение в программу вузов, не имеющих сложной исследовательской инфраструктуры: только одна треть вузов-участников входит по национальной классификации в число исследовательских университетов. Можно сказать, что в настоящее время в США программы, подобные SEA-PHAGES, распространяются «со скоростью вируса».

Опыт организации массовых экспериментов в России

          Примером может служить опыт сотрудников ИХБФМ СО РАН, полученный в Образовательном центре «Сириус» [Власов, Седых 2018]. В 2018 году для направления «Агропромышленные биотехнологии» научно-технологической программы «Большие вызовы» поступил запрос от Всероссийского НИИ цветоводства и субтропических культур. Учеными ВНИИЦСК была поставлена практическая задача: провести видовую идентификацию патогенов сельскохозяйственных культур — фитопатогенных грибков, вызывающих бурую гниль фруктов на территории Краснодарского края. В течение трех недель группа школьников под руководством научных сотрудников ИХБФМ СО РАН и ГНЦ ВБ «Вектор» собрала биологический материал — фитопатогенные грибы рода Monilia, поражающие сливы, персики, черешни яблоки и алычу на Черноморском побережье Краснодарского края и в сопредельных регионах Абхазии. На фруктах были идентифицированы три вида бурой гнили и был обнаружен неожиданный факт — широкое распространение на яблоках, персиках и мушмуле фитопатогенного гриба, который ранее не был зарегистрирован в европейской части России. Участники про - екта под руководством сибирских ученых разработали и про - тестировали диагностический набор на основе полимеразной цепной реакции для идентификации патогенов фруктовых культур, на эту разработку оформлен патент, результаты исследования опубликованы [Воронина, Карташов 2018].
          В 2019 году сотрудники ИХБФМ СО РАН совместно с Открытым университетом Технопарка Новосибирского Академгородка, Фондом «Образование» и региональным центром «Альтаир» реализовали пилотный проект «Охотники за микробами» [Федорова 2019]. В масштабах Новосибирской области более 200 школьников под руководством педагогов собрали образцы азотфиксирующих почвенных бактерий. В декабре 2019 года состоялась отчетная конференция участников проекта, на которой были представлены результаты пятидесяти исследовательских работ. Полученные знания о распространении азотфиксирующих бактерий рода Azotobacter на территории области представляют интерес для оценки качества почв; возможно, среди выделенных микроорганизмов будут обнаружены перспективные бактерии для производства биоудобрений. Полученный положительный опыт позволяет рассчитывать на успех в проведении массовых экспериментов в масштабе страны, направленных на решение важных задач, привлечение мотивированных школьников в науку и эффективное обучение студентов. Сегодня более 200 образцов бактерий рода Azotobacter анализируются в лабораториях ИХБФМ СО РАН, определяется их видовой состав и особенности генов системы фиксации атмосферного азота.
          В 2020 году ИХБФМ СО РАН и его партнеры планируют провести подобные массовые эксперименты в масштабе Российской Федерации. Обсуждаемые темы — поиск бактериальных ферментов, представляющих интерес для развития генетических технологий, поиск бактериофагов, перспективных для борьбы с устойчивыми к антибиотикам бактерий, поиск эффективных микроорганизмов-нефтедеструкторов.  

      Методика «охотника за микробами»

        На первом этапе в школы Новосибирской области было разослано письмо с информацией о проекте и приглашением принять участие. Для того чтобы войти в проект, требовалось собрать команду и придумать ей название (количество членов команды — не больше 10 человек, желательно учеников 7–10 класса). В команде обязательно должен быть наставник, который несет ответственность за соблюдение участниками техники безопасности и выполнения методических рекомендаций. Также необходимо было разработать план-проект поиска бактерий азотфиксаторов и дальнейших экспериментов с найденными штаммами.
        План охоты должен включает следующие разделы:
        Цель исследования. Необходимо уточнить, какие именно характеристики азотфиксирующих бактерий будут исследованы. Это могут быть уникальные места, почвы, экосистемы, которые имеются в регионе, можно собрать образцы азотфиксаторов «с грядки» и далее изучать их стимулирующую активность, можно проанализировать пораженные грибковыми заболеваниями культуры и исследовать противогрибковую активность бактерий рода Azotobacter.
        План сбора образцов. Описание участков, на которых будут отобраны образцы почвы, с указанием причины выбора этих мест (уникальность, особенность экосистем, обладание каким-то важным набором качеств).
        План эксперимента. Количественное сравнение содержания азотфиксирующих бактерий в различных образцах почв, возможно, какие-то другие качества.
        Полученные проекты оценивались экспертами по критериям: актуальность и оригинальность места сбора, план исследования, обоснованность экспериментальной гипотезы. Команды, которые предложили наиболее интересные проекты, получили набор реактивов и расходных материалов для реализации собственного проекта. Все участники получили инструкции с описанием методов,необходимых для исследования азотфиксирующих бактерий.
        Изучение почвенных азотфиксирующих бактерий состоит из нескольких этапов: сбор образца почвы и описание почвенного разреза, определение механического и химического состава почвы, посев образца почвы в чашку Петри, наблюдение за ростом колоний, микроскопическое исследование образцов. Обязательные этапы научной работы должны были быть сделаны всеми участниками, а вот в месте отбора проб и в сравнении разных мест сбора команды могли проявить свою фантазию.
        В процессе работы возникало большое количество обращений наставников по реализации некоторых методик — как готовить питательную среду, сколько растить бактерии, как приготовить микропрепарат. Для консультации был проведен мастер-класс по микроскопии для учителей Новосибирской области.
        На последнем этапе команды по результатам работы подготовили тезисы для участия в конференции и оформили постерный доклад по предложенному шаблону. Тезисы прошли научную экспертизу, для участия в конференции были приглашены участники, которые представили результаты практической работы (а не только анализ литературных данных).
        Конференция проходила в Региональном центре «Альтаир». Были представлены лекции о современных направлениях микробиологии и биотехнологии от ведущих ученых и руководителей биотехнологических компаний. На постерной сессии команды представляли экспертам свои находки и открытия, отвечали на вопросы, слушали рекомендации по развитию проекта. Многие команды получили рекомендации принять участие с результатами работы на школьных научно-практических конференциях. Полученные от участников образцы азотобактерий депонируются в коллекции микроорганизмов, проводится их генетический и биохимический анализ.  

Благодарности

         Авторы статьи благодарят партнеров проекта «Охотники за микробами»: АО «Вектор Бест», АО «Вектор Би-Альгам», ПО «Сиббиофарм» за финансовую поддержку; Фонд «Образование» и РЦ «Альтаир» за организационную поддержку; д. б. н. Альбину Афанасьевну Данилову за неоценимую методическую поддержку, к. б. н. Наталью Валентиновну Смирнову за работу с командами и наставниками и Дарью Витальевну Петрову за вклад в отработку методики.

Литература

1. Власов, Седых 2018 — Власов В. В., Седых С. Е. Им светят звезды: «Большие вызовы» 2018 на «Сириусе» // Наука из первых рук. 2018. № 4. С. 6–15.
2. Воронина, Карташов 2018 — Воронина Е. Н., Карташов М. Ю. ПЦР-диагностика для персика и сливы // Наука из первых рук. 2018. № 4. С. 33–39. 
3. Результаты по запросу — Результаты поиска в базе данных PUBMED по запросу «SEAPHAGES». URL https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=sea-phages
4. Федорова 2019 — Федорова М. «Охотники за микробами» собрали для сибирских ученых более двухсот образцов азотфиксирующих бактерий // Наука в Сибири. 2019. № 50. С. 4. URL: http://www.sbras.info/articles/education/okhotniki-za-mikrobami-sobrali-dlya-sibirskikh-uchenykh-bolee-dvukhsot-obraztsov
5. Центр HealthNet — Инфраструктурный центр HealthNet НТИ. Анализ российского и международного рынка медицинской генетики: технологические и рыночные тренды. URL: http://healthnet.academpark.com/upload/iblock/8d0/genetic_medicine.pdf
6. jordan, Burnett, Carson et al. 2014 — Jordan T. C., Burnett S. H., Carson S. et al. A Broadly Implementable Research Course in Phage Discovery and Genomics for First-Year Undergraduate Students // mBio. 2014. V. 5. P. e01051-13.
7. Report to the President 2012 — President’s Council of Advisors on Science and Technology. Report to the President. Engage to excel: producing one million additional college graduates with degrees in science, technology, engineering, and mathematics. February 2012. URL https://obamawhitehouse.archives.gov/sites/default/files/microsites/ostp/pcast-engage-to-excel-final_2-25-12.pdf
8. Schoolchildren’s bacteria hunt results — Schoolchildren’s bacteria hunt results in the discovery of 10 new species. URL: https://www.novozymes.com/en/news/news-archive/2019/02/schoolchildrens-bacteria-hunt-results-in-the-discovery-of-10-new-species