Лаборатория количественной биологии

Заведующий лабораторией Миша Пантелеев

Идея лаборатории

В соответствии со стилем нашей собственной научной деятельности мы решили сделать "влажную" лабораторию, где сочетался эксперимент и теория. Ее главная мысль заключалась в том, чтобы показать, как в любой части биологической науки могут быть количественные описания, математические модели и точные законы; что физика уже не может называть все остальные науки "коллекционированием марок". И если получится — показать как работают сложные биологические системы и как законы биологии вырастают из законов физики, химии и математики.

Что конкретно делалось

В лаборатории было четыре проекта. Ребята должны были поделиться на две группы, выбрав  каждый один из двух проектов в первой части школы, и то же во второй.

1) Ферментативная кинетика

Ферментативная кинетика — базовая единица почти любой количественной биологии на клеточном уровне. Используя тромбин, хромогенный субстрат и планшетный спектрофотометр, ребята разбирались в ее тонкостях и исследовали действие ингибиторов (механизм и параметры). Задача включала много уравнений кинетики и много технических моментов (расчет и приготовление буферов, работа с белками, пипетирование и т. п.)

2) Динамика клеточных популяций

Близнец первой задачи, только на надклеточном уровне. Ребята изучали рост культуры бактерий, методы стерильной работы и моделировали это уравнениями. Помимо привезенной культуры с геном GFP и геном устойчивости к антибиотику, они развлекались выращиванием культур, собранных на разных частях тела и комнаты.

3) Реакция Белоусова-Жаботинского

Переход к кинетике пространственных реакций. Экспериментальная задача с некоторым количеством уравнений.

4) Моделирование озерного биоценоза

Разработка и анализ математической модели реальной системы, где все друг друга едят. Единственная чисто теоретическая задача.

В рамках работы лаборатории мы провели курс лекций по количественной биологии, направленным в помощь эксперименту. Он включал лекции по физико-химическим основам жизни вообще (в итоге мы перенесли ее в пленарный вариант), по химической и ферментативной кинетике, использованию дифуров и графов для исследования сложных систем, системной биологии в целом и анализу метаболизма, кинетикой за пределами клетки (экология, эволюция и т. п.), а также по пространственной динамике неравновесных систем (автоволны, структуры Тьюринга, нервный импульс, морфогенез и т. п.).

Состав команды

Нас было восемь человек, в их числе пять аспирантов, два старших научных сотрудника и руководитель проекта. Не все присутствовали всё время (одновременно присутствовали 4-5 человек), но в целом я нашел такой состав коллектива вполне адекватным. В лабораторию пришло больше десяти школьников, и два сотрудника на каждую из двух групп — это самое оно.

Что было неожиданного

В процессе подготовки постеров ребята спонтанно разработали логотип с глубоким смыслом, который я серьезно думаю сделать символом для нашей деятельности вообще. Вот он:

Еще из интересных находок: в реакции Белоусова-Жаботинского на школе нашли очень странный режим, который не похож на режимы, описанные в литературе. Увы, пока мы не продолжили исследование этого вопроса.

Какие есть впечатления и выводы

Сама идея лаборатории оказалась чрезвычайно уместной. На школе лаборатории четко делились на молекулярно-генетические и биоинформатические. Мы удачно вписались в "экологическую нишу" между ними, где можно было и писать уравнения, и капать пипеткой, и в целом вопросы кинетики в других лабораториях не разбирались за одного совместного проекта с ругой лабораторией. Второй удачной находкой оказались разнообразие задач и методов, а также их смена по ходу школы, что позволило разнообразить не только тематику но и рутинную работу. Неудачным оказался процент математики в лекциях и задачах. Возможно, это произошло из-за того, что в школу отобрались фанаты биологии, а не физики или математики. Два-три человека из школьников в лаборатории понимали все, а остальные иногда страдали. Возможно, математическая нагрузка была слишком высокой. Другой неудачей оказалась малая научность работы. За исключением нескольких спонтанных опытов, ребята в этом году не делали исследовательских работ, где результат был бы неожиданным или где у них был бы шанс что-то открыть. Не была реализована работа в команде. Имеет смысл срежиссировать ситуации, когда результаты одних ребят будут нужны другим. Было сотрудничество с лабораторией Математического анализа (в рамках которого школьник с нами осваивал эксперимент и разрабатывал и анализировал модель под руководством ). У меня очень положительные впечатления от такого опыта, и я думаю, что впредь варианты таких коллабораций также надо планировать. Заодно коллаборация между лабораториями поможет у некоторых школьников снять стресс связанный с необходимостью сделать выбор одной лаборатории для работы. В целом, оптимальным вариантом организации мне бы представлялся единый проект для всей лаборатории, который бы разбивался на несколько больших подзадач. Разные группы ребят могли бы осваивать разные методы, специализироваться каждый в чем-то одном и выполнять свои подзадачи, чтобы результаты одних могли пригодиться другим. При этом сам проект должен быть поисковым (например, мы исследовали известный ингибитор тромбина, и  в принципе нам ничего не мешало выделять ингибиторы из трав или круп или картофеля). Такая схема позволила бы достичь всех целей: получение прикольного научного результата, а не просто практикум, достичь разнообразия методов и задачи построить коллаборации.