Задания Студенческого Биологического Турнира (2018/19 уч. год)
Вы здесь
| Загрузить задания: | в формате MS Word >>> | Опубликованы |
| в формате PDF >>> | 3 сентября 2018 года | |
| Задания в базе: | перейти >>> |
Всероссийский Студенческий Биотурнир состоялся 1 - 5 марта 2019 года на Биологическом факультете Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова
На Биологическом Турнире обсуждаются задачи, опубликованные заранее. Это задания открытого типа: они не имеют окончательного или однозначного ответа и допускают использование разнообразных подходов при их решении. Условия сформулированы максимально кратко и не содержат всех необходимых данных, поэтому необходимо самостоятельно выбрать модель решения и сделать определенные допущения. Решать задачи предпочтительнее коллективно, проводя теоретические исследования с использованием различных источников информации. Допускается помощь наставников команд и консультации со специалистами.
1. «Невидимки» Вирусы, патогенные бактерии и протисты, поражающие различных животных, могут различным образом модифицировать свою поверхность для ухода от иммунного ответа хозяина. Это позволяет им реализовать две основные стратегии маскировки: 1) пассивная «игра в прятки» и уменьшение антигенного разнообразия такого патогена, либо 2) активное «запутывание» хозяина при помощи модулирования его собственных сигналов и мимикрии под его собственные белки. Какие принципы организации и механизмы позволяют указанным патогенам реализовать данные стратегии? Какой из приведенных вами механизмов является наиболее универсальным среди указанных патогенов для ухода от иммунного ответа хозяина? Предложите, как его можно усовершенствовать.
2. «Гликозимы» В настоящее время показано, что широкое распространение в живых клетках имеют каталитические белки (классические ферменты) и РНК (рибозимы), однако пока не обнаружено никаких свидетельств в пользу существования каталитических углеводов. Предложите основные принципы структуры и функционирования биокатализаторов на основе углеводов. Какие реакции они могли бы катализировать наиболее эффективно? Какие преимущества и недостатки были бы характерны для таких гликозимов по сравнению с классическими ферментами и рибозимами? Предложите основные причины, по которым углеводные биокатализаторы не распространены в природе.
3. «Другая вилка» Репликативные ДНК-полимеразы способны присоединять новые нуклеотидные остатки только на 3'-конец растущей цепи ДНК. Какие преимущества и недостатки может иметь альтернативная модель синтеза ДНК, где происходит удлинение 5'-конца растущей цепи ДНК? Рассмотрите как изменится белковый состав репликативной вилки и механизм ее функционирования в случае двух альтернативных моделей репликации: 1) синтез ДНК за счет ДНК-полимеразы, способной удлинять растущую цепь как с 3'-конца, так и с 5'-конца; 2) синтез ДНК за счет ДНК-полимеразы, удлиняющей растущую цепь только с 5'-конца. Какие нуклеотиды и почему было бы выгоднее использовать в качестве субстратов в каждой из этих моделей?
4. «Ахиллес и черепаха» Скорость работы ферментов характеризуется числом оборотов Kcat и может значительно различаться у ферментов из разных источников, но обладающих одинаковой субстратной специфичностью. Какие преимущества и недостатки для функционирования живой клетки будет иметь увеличение значения Kcat в случае какого-либо фермента? Какие факторы накладывают ограничения на скорость работы ферментов? Сравните потенциальную возможность увеличения в ходе эволюции скорости работы ферментов в случаях прокариот и эукариот. К каким изменениям в метаболизме бактерии приведет превращение всех ее ферментов в максимально «быстрые»?
5. «Расширенный код» Генетический код является почти универсальным для всех живых организмов, однако в ряде случаев возникает необходимость закодировать некоторые дополнительные аминокислоты. Изменение смысла отдельных кодонов приведет к нарушению синтеза белков с уже имеющихся в геноме последовательностей, а также ограничит обмен информацией с другими организмами. Предложите несколько способов закодировать в геноме новые белки, содержащие четыре или более произвольные новые аминокислоты, без "перекодировки" уже существующих генов. Какой из способов будет наиболее простым и универсальным?
6. «Вторичные митохондрии» При возникновении фотосинтезирующих эукариот в процессе эндосимбиоза с предками пластид приобретение и потеря симбионта происходили многократно и параллельно в разных систематических группах. Однако в случае возникновения митохондрий путем эндосимбиоза такого не обнаружено. По каким причинам в случае митохондрий не распространены случаи вторичного эндосимбиоза? В каких условиях и каким образом эукариотическая клетка могла сначала потерять митохондрии в ходе эволюции, а затем приобрести новые?
7. «И ад следовал за ним» Природно-очаговые инфекции являются естественной защитой биомов от вторжения инвазивных видов. Для нормального функционирования системы природно-очаговой инфекции кроме самого возбудителя требуются также животные-переносчики, активно заражающие других существ, и животные-резервуары, в популяциях которых осуществляется долговременное существование возбудителя. Однако иногда инвазивные виды не погибают, а напротив, становятся новыми резервуарами для инфекции, позволяя ей значительно расширить свой природный очаг (например, так произошло с крысами и чумой в Средние века). Выделите признаки, которыми должно обладать оптимальное животное-резервуар. Предложите пять животных, перспективных для того, чтобы сделать их новыми резервуарами пяти любых природно-очаговых инфекций в максимально возможном количестве различных биотопов и климатических зон.
8. «Вирусные коммуникации» Недавно у некоторых бактериофагов было обнаружено чувство кворума. Кажется логичным, что коммуникация между вирусными частицами одного или нескольких разных вирусов могла бы быть выгодна для более успешной инфекции и их размножения. Предположите, какие пять функций с наибольшей вероятностью могла бы выполнять коммуникация между вирусами? Для каждой из этих пяти функций предложите правдоподобный механизм коммуникации между вирусами. В каких группах вирусов наиболее вероятно существование предложенных вами механизмов коммуникации?
9. «Гендерная инженерия» На жалобы горожан о тополином пухе чиновники часто отвечают, что они посадили аллею «мужских» тополей, но деревья сменили пол. Рассмотрите существующие механизмы определения пола у различных двудомных цветковых растений. Предложите наиболее универсальные биотехнологические способы намеренного изменения пола, а также предотвращения спонтанного изменения пола у растения в генеративном возрастном состоянии.
10. «Белки-трансформеры» На заре молекулярной биологии была популярна гипотеза, что функциональная трехмерная структура белков определяется не собственно аминокислотной последовательностью, а в результате комплементарного взаимодействия с какими-либо другими молекулами. При этом белки с разными первичными структурами могут приобретать одинаковую третичную структуру, а с одинаковой первичной структурой - разные третичные. Предложите, как могла бы быть устроена такая система «молекул-матриц», которые бы определяли третичную структуру взаимодействующих с ними белков. С какими недостатками и преимуществами был бы связан такой механизм приобретения белками функциональной третичной структуры? Предположите, в каких биохимических и молекулярно-биологических процессах он мог бы быть полезен.
Авторы задач: А.А. Агапов, В.С. Вьюшков, Е.Б. Ковалева, А.И. Костюк, И.А. Кузин, А.Н. Либерзон, Н.А. Ломов, Д.М. Никитин, Д.И. Пащенко, Д.В. Пупов, Е.М. Пуховая, Е.С. Шилов, О.Н. Шилова.
1. «Невидимки» Вирусы, патогенные бактерии и протисты, поражающие различных животных, могут различным образом модифицировать свою поверхность для ухода от иммунного ответа хозяина. Это позволяет им реализовать две основные стратегии маскировки: 1) пассивная «игра в прятки» и уменьшение антигенного разнообразия такого патогена, либо 2) активное «запутывание» хозяина при помощи модулирования его собственных сигналов и мимикрии под его собственные белки. Какие принципы организации и механизмы позволяют указанным патогенам реализовать данные стратегии? Какой из приведенных вами механизмов является наиболее универсальным среди указанных патогенов для ухода от иммунного ответа хозяина? Предложите, как его можно усовершенствовать.
2. «Гликозимы» В настоящее время показано, что широкое распространение в живых клетках имеют каталитические белки (классические ферменты) и РНК (рибозимы), однако пока не обнаружено никаких свидетельств в пользу существования каталитических углеводов. Предложите основные принципы структуры и функционирования биокатализаторов на основе углеводов. Какие реакции они могли бы катализировать наиболее эффективно? Какие преимущества и недостатки были бы характерны для таких гликозимов по сравнению с классическими ферментами и рибозимами? Предложите основные причины, по которым углеводные биокатализаторы не распространены в природе.
3. «Другая вилка» Репликативные ДНК-полимеразы способны присоединять новые нуклеотидные остатки только на 3'-конец растущей цепи ДНК. Какие преимущества и недостатки может иметь альтернативная модель синтеза ДНК, где происходит удлинение 5'-конца растущей цепи ДНК? Рассмотрите как изменится белковый состав репликативной вилки и механизм ее функционирования в случае двух альтернативных моделей репликации: 1) синтез ДНК за счет ДНК-полимеразы, способной удлинять растущую цепь как с 3'-конца, так и с 5'-конца; 2) синтез ДНК за счет ДНК-полимеразы, удлиняющей растущую цепь только с 5'-конца. Какие нуклеотиды и почему было бы выгоднее использовать в качестве субстратов в каждой из этих моделей?
4. «Ахиллес и черепаха» Скорость работы ферментов характеризуется числом оборотов Kcat и может значительно различаться у ферментов из разных источников, но обладающих одинаковой субстратной специфичностью. Какие преимущества и недостатки для функционирования живой клетки будет иметь увеличение значения Kcat в случае какого-либо фермента? Какие факторы накладывают ограничения на скорость работы ферментов? Сравните потенциальную возможность увеличения в ходе эволюции скорости работы ферментов в случаях прокариот и эукариот. К каким изменениям в метаболизме бактерии приведет превращение всех ее ферментов в максимально «быстрые»?
5. «Расширенный код» Генетический код является почти универсальным для всех живых организмов, однако в ряде случаев возникает необходимость закодировать некоторые дополнительные аминокислоты. Изменение смысла отдельных кодонов приведет к нарушению синтеза белков с уже имеющихся в геноме последовательностей, а также ограничит обмен информацией с другими организмами. Предложите несколько способов закодировать в геноме новые белки, содержащие четыре или более произвольные новые аминокислоты, без "перекодировки" уже существующих генов. Какой из способов будет наиболее простым и универсальным?
6. «Вторичные митохондрии» При возникновении фотосинтезирующих эукариот в процессе эндосимбиоза с предками пластид приобретение и потеря симбионта происходили многократно и параллельно в разных систематических группах. Однако в случае возникновения митохондрий путем эндосимбиоза такого не обнаружено. По каким причинам в случае митохондрий не распространены случаи вторичного эндосимбиоза? В каких условиях и каким образом эукариотическая клетка могла сначала потерять митохондрии в ходе эволюции, а затем приобрести новые?
7. «И ад следовал за ним» Природно-очаговые инфекции являются естественной защитой биомов от вторжения инвазивных видов. Для нормального функционирования системы природно-очаговой инфекции кроме самого возбудителя требуются также животные-переносчики, активно заражающие других существ, и животные-резервуары, в популяциях которых осуществляется долговременное существование возбудителя. Однако иногда инвазивные виды не погибают, а напротив, становятся новыми резервуарами для инфекции, позволяя ей значительно расширить свой природный очаг (например, так произошло с крысами и чумой в Средние века). Выделите признаки, которыми должно обладать оптимальное животное-резервуар. Предложите пять животных, перспективных для того, чтобы сделать их новыми резервуарами пяти любых природно-очаговых инфекций в максимально возможном количестве различных биотопов и климатических зон.
8. «Вирусные коммуникации» Недавно у некоторых бактериофагов было обнаружено чувство кворума. Кажется логичным, что коммуникация между вирусными частицами одного или нескольких разных вирусов могла бы быть выгодна для более успешной инфекции и их размножения. Предположите, какие пять функций с наибольшей вероятностью могла бы выполнять коммуникация между вирусами? Для каждой из этих пяти функций предложите правдоподобный механизм коммуникации между вирусами. В каких группах вирусов наиболее вероятно существование предложенных вами механизмов коммуникации?
9. «Гендерная инженерия» На жалобы горожан о тополином пухе чиновники часто отвечают, что они посадили аллею «мужских» тополей, но деревья сменили пол. Рассмотрите существующие механизмы определения пола у различных двудомных цветковых растений. Предложите наиболее универсальные биотехнологические способы намеренного изменения пола, а также предотвращения спонтанного изменения пола у растения в генеративном возрастном состоянии.
10. «Белки-трансформеры» На заре молекулярной биологии была популярна гипотеза, что функциональная трехмерная структура белков определяется не собственно аминокислотной последовательностью, а в результате комплементарного взаимодействия с какими-либо другими молекулами. При этом белки с разными первичными структурами могут приобретать одинаковую третичную структуру, а с одинаковой первичной структурой - разные третичные. Предложите, как могла бы быть устроена такая система «молекул-матриц», которые бы определяли третичную структуру взаимодействующих с ними белков. С какими недостатками и преимуществами был бы связан такой механизм приобретения белками функциональной третичной структуры? Предположите, в каких биохимических и молекулярно-биологических процессах он мог бы быть полезен.
Авторы задач: А.А. Агапов, В.С. Вьюшков, Е.Б. Ковалева, А.И. Костюк, И.А. Кузин, А.Н. Либерзон, Н.А. Ломов, Д.М. Никитин, Д.И. Пащенко, Д.В. Пупов, Е.М. Пуховая, Е.С. Шилов, О.Н. Шилова.