Молекулярно-кинетические механизмы и математическое моделирование биологических процессовНИР

Molecular and kinetic mechanisms and mathematical modeling of biological processes

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Молекулярно-кинетические механизмы и математическое моделирование биологических процессов
Результаты этапа: Проведена работа по анализу механизмов регуляции процессов в фотосинтетическом аппарате растений и микроводорослей в условиях стресса с использованием математических методов кинетического моделирования и анализа больших массивов экспериментальных данных. Выполнено экспериментальное исследование и математический анализ данных по изменению формы кинетических кривых в присутствии солей тяжелых металлов в разных концентрациях на фотосинтетический аппарат растений и микроводорослей. С использованием математических моделей проведена оценка гетерогенности реакционных центров фотосистемы 2 при голодании по азоту и сере и выявлены изменения в направленности метаболических реакций в клетках микроводорослей при недостатке фосфора в среде. Предложена оригинальная агентная модель процессов фотосинтетического электронного транспорта с учетом реальной геометрии хлоропласта. Выполнено молекулярное моделирование взаимодействия фотосенсибилизаторов октакатионный фталоцианин цинка и монокатионный метиленовый синий со спайковым белком (S-белки) возбудителя COVID-19 (коронавирус SARS-CoV-2). Выявлены сайты связывания обоих фотосенсибилизаторов в месте соединения <<ножки>> и <<головки>> S-белка и на <<голове>> S-белка, обуславливающие наблюдаемое в эксперименте антивирусное действие. Продолжены работы по моделированию молекулярной динамики микротрубочек, показано, что С-концевой <<хвост>> альфа-тубулина может перекрывать продольный полимеризационный интерфейс микротрубочек, что свидетельствует о существовании субпопуляций микротрубочек с отчетливой динамикой, что является принципом гипотезы тубулинового кода. Созданы молекулярно-динамические модели свободных цитохромов с и с1 проведены длительные молекулярно-динамические расчеты как отдельных белков, так и процесса образования ими комплекса.
2 1 января 2022 г.-3 декабря 2022 г. Молекулярно-кинетические механизмы и математическое моделирование биологических процессов
Результаты этапа: В ходе выполнения этапа 2022 были произведены работы по изучению кинетических и молекулярных механизмов биологических систем разной природы. Разработанные математические и компьютерные модели позволяют использовать данные наблюдений и экспериментов для воспроизведения динамики процессов, происходящих в биологических системах на разных пространственных и временных масштабах, проследить изменения характеристик системы в различных условиях, в том числе в условиях стресса. В рамках этапа 2022 г. усовершенствована структура модели фотосинтетической мембраны, позволившая воспроизводить наблюдаемые в эксперименте кривые индукции флуоресценции и редокс превращений фотоактивного пигмента фотосистемы 1 на временных масштабах от миллисекунд до минут. С использованием редуцированной модели фотосистемы 2, метода мультиэкспоненциальной аппроксимации и статистических методов (кластеризация, классификатор «Случайный лес», нейронные сети») обработаны данные наблюдений фотосинтетических характеристик Псковских водоемов, позволившие идентифицировать присутствие в воде тяжелых металлов с вероятностью 87%. На основе данных наблюдений фотосинтетических характеристик проб воды, полученных в ходе арктических рейсов исследовательского судна «Академик Келдыш», разработана агентная модель вертикальной динамики фитопланктона северных морей. С использованием методов молекулярной, крупнозернистой и броуновской динамики создана первая трехмерная электростатическая карта поверхности SARS-CoV-2, показывающая распределение зарядов на компонентах оболочки коронавируса. Возможности карты в предсказании сайтов связывания противовирусных препаратов с поверхностью вирионов продемонстрированы на примере взаимодействия вириона SARS-CoV-2 с фотосенсибилизатором металлофталоцианом цинка, который обладает вирулицидной активностью по отношению к вирусам гриппа и коронавирусу человека SARS-CoV-2. Разработанные в ходе выполнения работ методы исследований используются в Большом практикуме для магистров, на летней практике по экологической биофизике кафедры биофизики биологического ф-та МГУ имени М.В.Ломоносова. По результатам исследований опубликовано 10 статей в научных журналах, из них 5 статей в высокорейтинговых журналах.
3 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Молекулярно-кинетические механизмы и математическое моделирование биологических процессов
Результаты этапа: В ходе выполнения работ этапа 2023 г. продолжены исследования с использованием кинетических и молекулярных моделей процессов в фотосинтетической мембране. Путем учета подвижности светособирающих комплексов в фотосинтетической мембране усовершенствована структура модели, воспроизведены экспериментально наблюдаемые в эксперименте кинетические кривые флуоресценции зеленых водорослей и циановых бактерий во временном интервале от мс до сотен секунд. Анализ массивов спектральных измерений состояния фотосинтетического аппарата водорослей с помощью кинетических моделей и статистических методов использован для контроля качества воды в водоемах Псковской области и Донецкой Народной Республики Разработанная на предыдущем этапе модель динамики популяции диатомовых водорослей фитопланктона арктических морей верифицирована по данным спектральных измерений фотосинтетических характеристик фитопланктона. На модели получено разнообразие динамических режимов, соответствующее разнообразию фотосинтетических характеристик, наблюдаемых в разные сезоны и в разных погодных условиях в ходе арктических рейсов исследовательского судна «Академик Келдыш». Методы молекулярной, крупнозернистой и броуновской динамики применены для изучения молекулярных механизмов взаимодействия плазматических мембран болезнетворных бактерий с флуоресцентными красителями – индикаторами заряженных областей, служащих мишенью для противобактериальных препаратов. Охарактеризованы молекулярные взаимодействия между органическим катионным красителем НАО и модельной плазматической мембраной, состоящей из цвиттер-ионных и анионных фосфолипидов. Описаны различные типы комплексов НАО с отдельными липидами. Исследование показало, что, несмотря на упрощение, использованное в крупнозернистом подходе, моделирование мембранных систем отражает реальные процессы взаимодействия мембранотропных соединений и бислоев. Разработанные в ходе выполнения работ методы и результаты исследований используются при чтении спецкурсов и в Большом практикуме кафедры биофизики биологического ф-та МГУ, а также на летней практике по экологической биофизике. По результатам исследований опубликовано 8 статей в рецензируемых научных журналах, и 7 статей в сборниках материалов конференций.
4 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Молекулярно-кинетические механизмы и математическое моделирование биологических процессов
Результаты этапа:
5 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Молекулярно-кинетические механизмы и математическое моделирование биологических процессов
Результаты этапа:
6 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. Молекулярно-кинетические механизмы и математическое моделирование биологических процессов
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".