Физические основы строения, функционирования и регуляции биологических системНИР

Physical

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
11 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Физические основы строения, функционирования и регуляции биологических систем
Результаты этапа: Проведена клинико-лабораторная апробация диагностической лабораторной системы «Регистратор тромбодинамики Т-2» ТУ 9443-001-66307734-2011 в программе экстракорпорального оплодотворения. Налажена методика исследования свертывания крови у пациентов и отобранная группа пациентов для исследования в течении года. Разработан протокол исследования, подобраны точки исследования и проведены контрольные эксперименты с использованием «Регистратора тромбодинамики Т-2» в клинике вспомогательных репродуктивных технологий. Подтверждена эффективность метода «Тромбодинамики» по сравнению с использованными ранее известными методиками. Методом «Тромбодинамики» в ЭКО-центре обследовано 20 пациентов по 5 точкам для исследования изменения системы свертывания крови при индукции суперовуляции гормональными препаратами. Показано, что гормональная терапия в цикле экстракорпорального оплодотворения и пункции яйцеклеток отрицательно влияет на систему свертывание крови. У пациентов в день пункции яйцеклеток обнаружено состояние гиперкоагуляции со спонтанной свертываемость, причем у 20% исследованных антикоагулянтная терапия была неэффективна. Разработан протокол создания нового криопротектанта с добавлением куриного желтка для улучшения качества спермы после криоконсервации.
12 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Физические основы строения, функционирования и регуляции биологических систем
Результаты этапа: Развита и обоснована выдвинутая ранее синергетическая концепция относительно структурообразования в природных, в том числе, молекулярно-биологических хиральных системах, основанная на спонтанном формировании структурных иерархий с чередующимся знаком хиральности и увеличивающимся масштабом. Методами электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и люминесцентного анализа изучена кинетика электронного транспорта в листьях китайской розы в зависимости от условий адаптации листьев растения к свету и темноте. Показано, что индукция окисленных фотореакционных центров Р700+ фотосистемы 1 (ФС1) является многофазной, что связано с процессами светозависимой активации реакций цикла Кальвина, рН-зависимой модуляции активности фотосистемы 2 (ФС2) и перераспределением энергии поглощаемого света между ФС1 и ФС2. Обнаружено, что в условиях окислительного стресса, обусловленного переносом электронов от ФС1 к молекулярному кислороду, наблюдается появление сигнала ЭПР от монодегидроаскорбата. Экспериментально исследовано влияние противовирусного препарата «Панавир» БЛМ, тяжелой воды и изменений температуры на проводимость бислойных липидных мембран (БЛМ) и БЛМ, модифицированных грамицидином D. Показано, что БЛМ после модификации грамицидином D дают более дифференцированный ответ на такие внешние воздействия, что открывает принципиальную возможность использования ансамблей ионных каналов в качестве сенсоров состояния БЛМ. В результате исследования динамики формирования микрососудистых тромбов в проточных камерах с помощью конфокальной микроскопии впервые выявлено движение прокоагулянтных тромбоцитов к поверхности тромба в результате его ретракции. Построена уникальная компьютерная модель роста тромба в потоке крови, учитывающая появление и перемещение прокоагулянтных тромбоцитов, а также процесс ретракции тромбоцитарного агрегата. Разработан программный инструмент для моделирования конформационной динамики фактора Виллебранда в заданных гидродинамических условиях потока. Исследовано антиоксидантное действие природных полифенольных соединений (ресвератрола, куркумина, кверцетина и кофейной кислоты) на функциональную активность митохондрий сердца крысы и образование супероксидных радикалов в комплексе III дыхательной цепи при нормальной оксигенации и гипоксии различной степени. Показано, что антиоксидантный препарат «Оксаком» эффективно взаимодействует с образуемыми в комплексе III митохондрий сердца супероксидными радикалами при разных парциальных давлениях кислорода, включая условия глубокой гипоксии. Впервые обнаружена структура стебель-петля в 3’UTR области ретротранспозонов L1 и Alu человека. Предложена модель ретротранспозиции, в которой распознавание транспозонной РНК обратной транскриптазой происходит посредством взаимодействия со структурой в 3’UTR области. Выявлен класс транскрипционных регуляторов в бактериях, содержащих стабильные структуры стебель-петля в промотерных областях. Разработан алгоритм и реализующая его программа для сравнения топологий деревьев с помощью матриц нодальных расстояний. Создана программа, осуществляющая автоматический поиск в базе данных CDD и отображающая доменную архитектуру белка. Разработан алгоритм кластеризации белков по семействам на основе доменной архитектуры. Исследована интерференция путей внутриклеточной сигнализации, идущих от различных рецепторов на поверхности клетки, на примере тромбоцита крови. Построены стохастические компьютерные модели внутриклеточной сигнализации в тромбоците при активации через рецепторы PAR1, PAR4 и P2Y12. Обнаружено синергетическое усиление сигнала от рецептора PAR1 при активации PAR4 или P2Y12, обусловленное интерференцией сигналов от этих рецепторов. Разработана новая система поляризационной микроскопии, позволяющая визуализировать внутриклеточные структуры сперматозоидов, такие как хроматин, хромосомы, акросомы, вакуоли, митохондрии, поры ядерной мембраны, микрофибриллы хвостового отдела, мембрана, хромоцентр. Метод позволяет проводить отбор морфологически неабберантных живых сперматозоидов без фиксации и окрашивания c целью дальнейшего их использования для оплодотворения ооцитов. Выявлены типичные повреждения на субклеточном уровне сперматозоидов после цикла заморозки-разморозки в жидком азоте. Полученные данные позволяют оптимизировать процесс криоконсервации сперматозоидов, в том числе одиночных. Экспериментально показано, что комплексная диэлектрическая проницаемость сильно разбавленных водных растворов бромида цетилтриметиламмония и хлористого натрия в диапазоне концентраций от 10–7 до 10–17 М при последовательном десятичном разведении меняется незначительно (не более 3%), что обусловлено случайными причинами. Методами математического моделирования установлено различие распределения внутренних параметров сеток водородных связей в объемной воде и гидратных оболочках белков и установлена периодичность в распределении плотности молекул воды в гидратной оболочке белка. Созданы новые гибридные и нанокомпозитные биомиметические мембранные везикулы, содержащие биогенные липиды, рН-чувствительные амфифильные молекулы, амфифильный полимер стеароилспермин, магнитные наночастицы оксида железа, наночастицы золота, молекулы полиэлектролитов (ДНК, полистиролсульфонат), и исследованы их структура и свойства. Впервые созданы нанокомпозитные липосомы, содержащие в своей структуре анизотропные неорганические наночастицы – золотые нано-стержни диаметром 10 нм и длиной 100 нм. Полученные наноструктуры были охарактеризованы с помощью методов динамического светорассеяния, электрофореза, электронного магнитного резонанса, просвечивающей электронной микроскопии и сканирующей зондовой микроскопии.
13 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Физические основы строения, функционирования и регуляции биологических систем
Результаты этапа: Разработана теоретическая модели иерархического структурообразования в молекулярно-биологических системах, основанного на термодинамических представлениях о формировании знакопеременных хиральных структурных уровней. Развиты физические представления о роли иерархического структурообразования в молекулярно-биологических системах, основанного на формировании знакопеременных хиральных структурных уровней, в процессах фолдинга и функционирования молекулярных машин. Развита математическая модели электронного транспорта в хлоропластах, учитывающая структуру цепи электронного транспорта на акцепторном участке фотосистемы 1. С помощью разработанной модели оценен вклад двух ветвей электронного переноса в процессы электронного транспорта на акцепторном участке фотосистемы 1 у растений. Результаты расчетов позволяют заключить, что ветвь А вносит основной вклад в перенос электронов на донорной стороне ФС1. Методом NTA (nanopartickle tracking analysis) показано, немонотонно зависящее от концентрации, образование наночастиц с максимальным размером 115 нм при концентрации хлористого натрия около 10–12 M, что подтверждает полученные нами ранее люминесцентные характеристики сильно разбавленных растворов. Изучены функциональная активность митохондрий сердца (крысы линии Wistar) и образование ими супероксидных радикалов в условиях, моделирующих карбонильный стресс. Выявлены особенности действия динитрозильных комплексов железа, модифицированных метилглиоксалем, показано антиоксидантное действие ряда природных полифенольных соединений – кверцетина, кофейной кислоты, куркумина и ресвератрола. Полностью описана внутриклеточная сигнализация, приводящая к образованию прокоагулянтных тромбоцитов в зависимости от концентрации тромбина. Показано, что активность PAR1 рецептора определяет уровень прокоагулянтных тромбоцитов, а активность PAR4 – динамику их образования. Показаны роли положительных и отрицательных обратных связей в этом процессе. Показано, что ускорение активации фактора X на поверхности прокоагулянтных тромбоцитов связано с задержкой фактора на мембране благодаря его олигомеризации. Проведено исследование динамики формирования прокоагулянтных тромбоцитов в процессе артериального тромбообразования ex vivo. Показано, что распределение прокоагулянтных тромбоцитов на поверхности тромбов является результатом сжатия (контракции) тромбоцитарных агрегатов – и, как следствие, вытеснения прокоагуалянтных тромбоцитов на поверхность. Показано, что пространственное распределение фибрина также носит поверхностный характер, качественно соответствуя распределению прокоагулянтных тромбоцитов. Построена компьютерная модель контракции тромбоцитарного агрегата, позволяющая описать процесс вытеснения слабо-адгезивных прокоагулянтных тромбоцитов на поверхность агрегата. Проведены детальные эксперименты по выявлению изменений параметров бислойных липидных мембранах разного состава, не модифицированных каналоформером грамицидином, при добавках тяжелой воды, воды активированной фуллеренами, а также при варьировании ионного состава буфера и температуры. Показано, что эти факторы на вызывают статистически значимых изменений параметров мембран. Для исследования роли вторичных структур стебель-петля в ДНК в процессе ретротранспозиции участков Alu и L1 у человека создана программа поиска консервативных позиций вторичных структур ДНК. Найдена консервативная структура в 3’UTR транспозонов человека, проведен ее эволюционный и структурный анализ. На основе физических представлений о роли иерархического структурообразования в молекулярно-биологических системах, разработана новая концепция формирования знакопеременных хиральных структурных уровней, в процессах фолдинга и функционирования молекулярных машин. Показано, что тромбоцитарные митохондрии не участвуют в метаболизме покоящегося тромбоцита и могут не принимать участие в нормальной активации тромбоцита. Показано, что «перегрузка» митохондрий кальцием является ключевым триггером некроза тромбоцитов. Методом флуоресцентной микроскопии и микроскопии Номарского измерены распределения глубин деполимеризации микротрубочек in vitro при различных температурах. Проведен теоретический анализ полученных данных. Выявлена несостоятельность одной из общепринятых гипотез о механизме остановки деполимеризации – гипотезы, базирующейся на понятии остаточных островков гуанозинтрифосфата в теле микротрубочки Исследованы промотерные области 3000 бактерий на наличие консервативных структур стебель-петля. Обнаружено статистически значимое обогащение промотерных областей бактерий структурами стебель-петля. Разработан и программно реализован генетический алгоритм поиска оптимальных параметров структуры стебель-петля на примере геномов бактерий рода Bacillus.
14 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Физические основы строения, функционирования и регуляции биологических систем
Результаты этапа: Получено теоретическое обоснование новой биофизической теории о чередовании знака хиральности в иерархически стратифицированных молекулярно-биологических системах. Развиты термодинамические представления о механизмах структурообразования в молекулярно-биологических системах, основанного на формировании знакопеременных хиральных структурных уровней, в процессах фолдинга белков и нуклеиновых кислот. Проведен анализ электронного и протонного транспорта в хлоропластах высших растений на основе модифицированной математической модели, учитывающей тиоредоксин-зависимую активацию ферментов цикла Кальвина-Бенсона (ЦКБ) и ATP-синтазы. Смоделировано влияние восстановленного тиоредоксина на кинетику электронного транспорта, изменения рН внутритилакоидного пространства и производство АТР. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по кинетике окисления фотореакционного центра P700 показало, что учет тиоредоксин-зависимой активации ЦКБ и АТР-синтазы позволяет наиболее точно описать многофазную кинетику индукции . Смоделирована динамика распределения потоков электронов через ФС2 и на акцепторной стороне ФС1. Показано, что на начальной стадии индукционного периода существенный вклад в работу цепи электронного транспорта вносят циклические потоки электронов вокруг ФС1 и поток электронов на О2 (реакция Мелера), которые ослабляются по мере активации реакций ЦКБ. Показано, что такие стрессовые факторы, как водные растворы, содержащие хлористый натрий или сахарозу обладают сильным ингибирующим действием на прорастаемость семян амаранта. Впервые показано значительное достоверное ингибирующее действие сильно разбавленных потенцированных растворов как в области 10–7–10–9М, так и в области мнимых концентраций, что связано с появлением в растворах мезоструктур нанометрового диапазона. Изучены особенности распределения в органах и тканях крыс динитрозильных комплексов железа (ДНКЖ) с глутатионовыми лигандами (лекарственный препарат Оксаком) и механизмы действия этих комплексов в организме. С помощью спектроскопии ЭПР спиновых ловушек и ЭПР-оксиметрии показано антиоксидантное действие ДНКЖ с разными лигандами. Установлено, что ДНКЖ проявляют эффективный перехват супероксидных радикалов, независимо от парциального давления кислорода. Экспериментально исследовано действие коротких импульсов электрического поля длительностью менее 10 нс различной напряженности на нанокомпозитные липосомы, содержащие адсорбированные на поверхности мембраны наночастицы магнетита, в водном растворе электролита (NaCl), концентрация которого соответствует физиологическому раствору. Установлено, что импульсы электрического поля напряженностью 15 кВ/см и более приводят к нарушению структуры нанокомпозитных липосом и выходу содержимого липосом из внутреннего объема в наружное пространство. Проведены расчеты значений псевдоскалярного индекса хиральности, зависящего от электронной структуры молекулы и связанного с ее оптической активностью, для ряда аминокислот и минибелков, а также его изменений в моделях фолдинга. Показано, что изменения величины этого индекса коррелирует с изменениями энтропии, но индекс не вполне аддитивен и сильно зависит от точности определения координат атомов, в связи с чем необходима разработка новых подходов к конструированию непрерывной меры молекулярной симметрии. Предложена качественная модель влияния природных высокомолекулярных полисахаридов растительного происхождения на сигнальные цепи трансформированных клеток эукариот. Экспериментально показано, что природные полисахариды растительного происхождения могут непосредственно влиять на функционирование ансамбля грамицидиновых каналов в бислойной липидной мембране. Построена трехмерная компьютерная модель адгезии клетки крови к микрорельефной адгезионно-неоднородной поверхности. Новизна модели заключается во внедрении вероятностного механизма образования лиганд-рецепторной связи между мембраной клетки и субстратом. Проведены расчеты с использованием указанной модели. Полученные результаты проанализированы, построены диаграммы адгезии клетки к искусственной микрорельефной поверхности. Сформулированы рекомендации по проектированию новых антибактериальных покрытий на основе полученных результатов. Разработана стохастическая модель тромбообразования в микрососуде, включающая два основных типа взаимодействия между тромбоцитами. Исследована зависимость динамики тромбообразования от внутренних и внешних параметров модели. Показано увеличение стабильности тромбов, формирующихся при увеличенной длине повреждения. Описана внутриклеточная сигнализация при активации тромбоцита через рецептор CLEC-2, приводящая к развитию стохастических спайков концентрации кальция в цитоплазме тромбоцита. Теоретически показано, что интенсивность активации тромбоцита через CLEC-2 лимитируется сборкой сигнального комплекса, которая в свою очередь, определяется скоростью диффузии молекул рецептора в мембране и стабильностью мембранных микродоменов. Экспериментально показано, что увеличение температуры или увеличение стабильности микродоменов приводят к качественному изменению картины спайков осцилляции кальция в тромбоците, в соответствии с теоретически предсказанным поведением. Методом дифференциальной калориметрии показано, что содержащий глицерин криопротектор при охлаждении претерпевает до 4-х структурных переходов. Добавление в криопротектор эмульсии яичного желтка приводит к существенным изменениям физико-химических свойств протектора. В частности, основной фазовый переход сглаживается, изменение энтропии уменьшается примерно в 1,5 раза. Методом микроскопии дифференциально-интерференционного контраста измерены параметры динамической нестабильности деполимеризации микротрубочек в присутствии различных концентраций ингибитора тубулина (паклитаксел). Построена компьютерная модель, описывающая взаимодействие пакслитаксела и микротрубочек. Построена модель связывания микротрубочек с концевым белком EB1, модулирующим динамику микротрубочек и чувствительность динамики микротрубочек к ингибиторам тубулина. Методом криоэлектронной томографии установлены распределения локальных кривизн протофиламентов микротрубочек и вычислены их механические характеристики (равновесная кривизна, изгибная жесткость, длина).
15 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Физические основы строения, функционирования и регуляции биологических систем
Результаты этапа: Выполнено дальнейшее теоретическое обоснование новой биофизической теории о чередовании знака хиральности в иерархически стратифицированных молекулярно-биологических системах белков и нуклеиновых кислот. Создан банк данных по формированию иерархических хиральных структур биомиметиками. По результатам анализа банков данных и литературных источников получены данные о связи функций белковых молекул и особенностями внутримолекулярных хиральных структур в белках. Проведено теоретическое описание и получены термодинамические критерии образования внутримолекулярных знакопеременных хиральных иерархий в белках. Развиты новые представления о роли хиральности в процессах фолдинга и в работе молекулярных биологических машин. Создан и протестирован программный пакет для моделирования адгезии тромбоцитов к месту повреждения кровеносного сосуда (ранение). Многомасштабная трехмерная компьютерная модель явно описывает динамику клеток – тромбоцитов и эритроцитов, - а также явно учитывает возникновение адгезионных связей между мембраной тромбоцита и ранением. Впервые в модели явно учитывается изменение конформации фактора фон Виллебранда под действием гидродинамических сил. Параметры модели подобраны из сравнения результатов расчетов с имеющимися в литературе экспериментальными данными по изменению жесткости и среднего времени жизни адгезионных связей. Найдены значения оптимальной длины мультимеров фактора фон Виллебранда. Эти значения качественно согласуются с экспериментальными (клиническими) данными о распределении длин фактора фон Виллебранда в плазме крови в норме. Компьютерное моделирование показало, что сплющенная (эллипсоидальная) форма тромбоцита также дает преимущества при адгезии к месту повреждения по сравнению со сферической формой. Описана внутриклеточная сигнализация при активации тромбоцита через рецепторы PAR1 и PAR4, приводящая к развитию стохастических спайков концентрации кальция в цитоплазме тромбоцита. Теоретически показано, что интенсивность активации тромбоцита тромбином кодируется частотой осцилляций концентрации ионов кальция в цитозоле тромбоцита, при этом существует как минимум две белковые системы, способные интегрировать сигнал кальция – это система белков UNI/NCLX и система белков CDG-1/RASA-3. Экспериментально подтверждено как кодирование концентрации активатора частотой осцилляций, так и достоверное декодирование сигнала белковыми системами UNI/NCLX и CDG-1/RASA-3. Описана внутриклеточная сигнализация при активации тромбоцита через рецепторы PAR1 и PAR4, приводящая к развитию стохастических спайков концентрации кальция в цитоплазме тромбоцита. Теоретически показано, что интенсивность активации тромбоцита тромбином кодируется частотой осцилляций концентрации ионов кальция в цитозоле тромбоцита, при этом существует как минимум две белковые системы, способные интегрировать сигнал кальция – это система белков UNI/NCLX и система белков CDG-1/RASA-3. Экспериментально подтверждено как кодирование концентрации активатора частотой осцилляций, так и достоверное декодирование сигнала белковыми системами UNI/NCLX и CDG-1/RASA-3. Разработан новый метод количественной оценки хиральности уровней в иерархиях белковых структур. Получены карты хиральности для вторичной и третичной структур белков. Достоверность карт подтверждается анализом реальных структур. Разработаны подходы к построению непрерывной меры симметрии и сходства биомолекул. Показано, что псевдоскалярная мера хиральности, построенная на основе тензора поляризуемости, непригодна для количественной оценки хиральности даже небольших белков из-за чувствительной зависимости от координат атомов. Измерены диэлектрические характеристики последовательных сотенных разведений диклофенака в диапазоне 20 Гц – 10 МГц с помощью прецизионного анализатора импеданса WK 65120 BD1. Обнаружено резкое увеличение проводимости и диэлектрической проницаемости на низких частотах в образце с концентрацией 3,7 10-17 М. Повторное измерение этих же растворов после двух месяцев хранения показало высокую корреляцию между «старыми» и «новыми» измерениями при значительном увеличении проводимости образцов со временем. При этом диэлектрическая проницаемость на высоких частотах меняется незначительно. Отсутствие релаксационных процессов и инкремента диэлектрической проницаемости на высоких частотах свидетельствует об отсутствии сегнетоэлектрических свойств у возможных мезоструктур в разбавленных растворах диклофенака. Для экспериментального анализа динамики тромбообразования при сужении просвета сосуда был разработан новый подход, основанный на применении микрофлюидных технологий. В экспериментах использовались рельефы специальной геометрии – с сильным сужением, которое имитирует стеноз сосуда. При помощи этой технологии было продемонстрировано формирование окклюзивного (то есть приводящего к остановке потока крови) тромба при прокачивании цельной крови здоровых доноров через проточную систему. В таких экспериментах тромбы формируются на вертикальных стенках силиконовой камеры, значительно упрощая исследование их структуры и динамики при помощи флуоресцентной микроскопии. Разработаны методы синтеза и синтезированы новые гидрофобизованные наночастицы магнетита и золота диаметром 2-5 нм на основе комплексов со стеариновой кислотой и октадецилтиолом, способные растворяться в неполярных растворах липидов в хлороформе. Наночастицы охарактеризованы методами просвечивающей электронной микроскопии, ИК-спектроскопии, электронографии. Экспериментально измерены зависимости параметров динамической нестабильности микротрубочек и ее взаимодействия с белком EB1 в присутствии различных концентраций фосфата в растворе. Построена теоретическая модель взаимодействия микротрубочек и фосфата с учетом промежуточной стадии «ГДФ-фосфат» в цикле гидролиза ГТФ в кармане тубулина. Экспериментально и теоретически исследованы особенности релаксации тубулиновых протофиламентов при быстром замораживании в процессе подготовки криоэлектронных образцов. Показано, что при высокой скорости заморозки и относительно небольшой жесткости протофиламентов, возможно возникновение градиента кривизны при замораживании, что требует введения поправки в измеренные коэффициенты изгибной жесткости ГТФ- и ГДФ-тубулиновых протофиламентов на концах микротрубочек. Получены новые данные о механизмах антиоксидантного действия коэнзима Q (водорастворимой формы убихинола-10), динитрозильных комплексов железа (ДНКЖ) и фенольных соединений (куркумина и др.), хелатирующих ионы железа. Изучены влияние ферритина на образование супероксида в митохондриях сердечной мышцы и роль ферритина в образовании физиологически значимых метаболитов оксида азота.
16 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Физические основы строения, функционирования и регуляции биологических систем
Результаты этапа: Продолжена разработка новой фундаментальной биофизической концепции «Молекулярная биология как периодическая система знакопеременных хиральных структур». Проведен анализ хиральной системности в надмолекулярных структурах цитоскелета клеток эукариотов. Разработан новый метод количественной оценки хиральности уровней в иерархиях белковых структур. Получены карты хиральности для вторичной и третичной структур белков. Достоверность карт подтверждается анализом реальных структур. Установлено, что механизмы хиральности и хиральные свойства являются инвариантными как для макроскопических, так и для микроскопических объектов. Хиральные системы обладают рядом замечательных свойств, позволяющих реализовать самоорганизацию в сложных системах. Установлены следующие свойства макроскопических хиральных систем: влияние упругости при сгибании нити, чем меньше упругость на изгиб, тем меньше шаг двойной спирали и наоборот; допустимо закручивать три, четыре и большее количество упругих нитей, ограничений нет. Прочность системы из нескольких скрученных нитей увеличивается при увеличении числа скрученных нитей; хиральные системы являются аккумуляторами энергии; имеется возможность роста «усов» в хиральной системе; необходимость существования «замков» в хиральных структурах, соединяющих отдельные скрученные нити хиральной системы; влияние начальных условий на возникновение хиральности; имеет место масштабная инвариантность (скейлинг) эволюции хиральных систем. Многие свойства хиральности для макроскопических механических систем имеет место и на молекулярном уровне. Разработана уникальная экспериментальная модель гемостаза, в которой в качестве активатора тромбообразования выступает гидрогель, содержащий необходимые молекулы – такие как тканевый фактор, коллаген и другие. Показано, что данная модель позволяет исследовать гемостатический ответ на проникающее повреждение сосуда, изготовленного из многослойного гидрогеля. Разработана компьютерная модель микрососудистого тромбообразования, в которой учитываются процессы секреции плотных гранул тромбоцитами в ответ на тромбин и АДФ, а также процессы диффузионного и конвекционного транспорта соответствующих веществ. Успешно синтезированы новые гидрофобизованные наночастицы магнетита и золота на основе комплексов со стеариновой кислотой и октадецилтиолом, способные растворяться в неполярных растворах липидов в хлороформе. Впервые получены и охарактеризованы новые планарные нанокомпозитные биомиметические липидные структуры (монослои и пленки Ленгмюра-Блоджетт), содержащие гидрофобизованные функциональные наночастицы магнетита и золота в гидрофобной области локализации углеводородных фрагментов липидных молекул. При исследовании сильно разбавленных последовательных разбавлений растворов L и D аминокислот были поставлены контрольные эксперименты с исходной водой при интенсивном механическом воздействии в ряду последовательных разбавлений. Обнаружено значительное немонотонное изменение электропроводности воды при многократных последовательных разбавлениях, сопровождающихся интенсивным механическим воздействием. Диэлектрическая проницаемость образцов при этом не изменяется с точностью 1%. Обнаруженные эффекты можно объяснить появлением активных форм кислорода в воде при механическом воздействии, что требует дополнительного исследования. Методом адиабатической калориметрии измерены термодинамические характеристики водного раствора глицерина (12% по объему) с добавлением альбумина(3,95 мг/мл) и сахарозы (0,5 М). Показано, что при добавлении непроникающих компонент криопротектора температурный промежуток между температурой плавления и температурой стеклования уменьшается; исследованы значимые свойства клеток после процесса заморозки-разморозки в присутствии изучаемых растворов. В созданной ранее модели активации канального белка сперматозоидов CatSper показана важная роль пространственного разнесения кальциевого депо с местом локализации фосфолипазы С в генерации низкочастотных осцилляций. При экспериментальном исследовании кальциевого ответа на активацию иммобилизованных на полилизине человеческих сперматозоидов прогестероном обнаружены два типа кальциевых ответов: следующее за резким пиком стабильное поднятие концентрации кальция и низкочастотные кальциевые осцилляции с периодом порядка 100 с. Осцилляторный ответ был обнаружен в ~5% исследуемых клеток. Путем комбинации теоретических (компьютерное моделирование) и экспериментальных (проточная цитофлуориметрия, микроскопия полного внутреннего отражения) подходов определен путь преобразования информации о внешних стимулах при активации тромбоцитов физиологическими активаторами (тромбин, АДФ, коллаген, подопланин). Показано, что наблюдаемая в экспериментах синергичная активация тромбоцитарных интегринов различными агонистами связана с наличием положительной обратной связи фермента фосфолипазы С. Построена модель комплекса NDC80 и фрагмента из тубулиновой решетки микротрубочки размером 3х3 мономера. Проведены расчеты молекулярно-динамических траекторий совокупной длительностью 1.5 мкс и исследованы конформационные изменения белков комплекса NDC80. Исследован интерфейс взаимодействия данного комплекса с тубулином, предсказаны наиболее важные для взаимодействия аминокислоты. С помощью метода броуновской динамики изучено движение изолированных тубулиновых протофиламентов и протофиламентов в контексте микротрубочки при наличии внешних сил, в том числе со стороны белкового сопрягающего устройства в виде кольца. Показано, что для развития существенных сил тубулин-тубулиновые взаимодействия должны обладать существенным активационным барьером. Вычислены максимальные силы, которые способна передавать микротрубочка кольцу в зависимости от механических и энергетических параметров тубулинов. С помощью спектроскопии ЭПР исследовалось действие оксида азота NO и его метаболитов на гемоглобин и эритроциты человека в условиях, моделирующих галогенирующий стресс при дыхательном взрыве. Показано, что динитрозильные комплексы железа (ДНКЖ) эффективно ингибируют гемолиз эритроцитов под действием хлорноватистой кислоты. Галогенирующий стресс и другие варианты окислительного стресса тесно взаимосвязаны с гомеостазом железа, поскольку одним из основных механизмов прооксидантного действия галогенов является их взаимодействие с ионами железа. Изучено формирование и стабильность ДНКЖ, содержащих амфифильные лиганды − N-ацетил-L-цистеин. Такие ДНКЖ способны проникать через кожный покров и накапливаться в различных тканях организма экспериментальных животных, в частности, в лёгких и печени. Несмотря на существенное увеличение общего уровня NO в ткани лёгких и печени в результате чрезкожного введения ДНКЖ-Ацц, в крови не удалось регистрировать связанных с белками ДНКЖ, а также комплексов NO с гемоглобином. В компьютерной модели, созданной в ходе первого года выполнения проекта, также произведены модификации, учитывающие механо-химические особенности фактора Виллебранда. В частности, учтен эффект механоактивации гидродинамическим течением домена A1 фактора Виллебранда, а также автоингибирования (деактивации) домена А1 доменом А2 при выключении гидродинамического потока. С помощью созданной в проекте модели впервые было показано, что прикрепление фактора Виллебранда к поверхности способствует изменению его конформации (от глобулярной к вытянутой), а следовательно, сопровождается увеличением его адгезионной активности (т.е. способности прикреплять большее число тромбоцитов к ране или тромбу). Сделанные выводы способствуют пониманию молекулярных и механических процессов происходящих на начальных этапах тромбоза, в частности результаты свидетельствую в пользу гипотезы о механо-химической регуляции роста тромбоцитарного агрегата. Кроме того, исследованы зависимости свойств фактора Виллебранда в зависимости от амплитуды потенциала гидрофобного притяжения мономеров и от длины полимерной цепочки VWF. Модель показала, что при физиологических условиях кровотока адгезионно-активными становятся только полимеры, чья длина превышает определенный порог (минимум 30 мономеров). Короткие VWF-цепочки не активируются под действием гидродинамиеских сил и не способствуют адгезии тромбоцитов.
17 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Физические основы строения, функционирования и регуляции биологических систем
Результаты этапа: Выполнен анализ теоретических основ и перспектив практического использования концепции знакопеременных хиральных структур как фундаментального механизма иерархического структурообразования в молекулярных системах неживой и живой природы. Проведен системный анализ симметрийных хиральных соответствий структур цитоскелета клеток эукариотов, а также систематизация и анализ знакового соответствия энантиомеров хиральных лекарств и макромолекул-мишеней. Разработана методики оценки знака хиральности спиральных структур белков. Созданы математическая и компьютерная модели оценки знака хиральности спиральных белковых структур. Получены карты хиральности спиральных структур белков. Достоверность карт подтверждается анализом реальных структур. Разработан подход к созданию трехмерной модели спиральных структур для суперспиралей типа coiled-coil. Построена трехмерная автоволновая модель формирования вторичных структур белков. Экспериментально показано существенное влияние содержимого гранул тромбоцитов на параметры секреции ими плотных гранул. При помощи разработанной ранее компьютерной модели тромбообразования показано влияние кооперативной секреции гранул тромбоцитами на рост артериального тромба. При помощи компьютерной модели статичного тромбоцитарного агрегата в артериоле показано существенное влияние связывания тромбина с поверхностью тромбоцитов на динамику его распространения в тромбе. Показано наличие разборки тромба в части экспериментов с новой микрофлюидной моделью тромбоза. Продемонстрирована ключевая роль синтеза тромбоксана А2 в длительном росте тромба на фибриллярном коллагене первого типа. Найдены аминокислоты, определяющие взаимодействия С-конца альфа-тубулина с телом тубулина и оценена энергия данных взаимодействий. Обнаружено, что неструктурированные конец тубулина связывается с несколькими положительно заряженными аминокислотными остатками в районе продольного интерфейса взаимодействия между димерами тубулина. Найдены аминокислоты, определяющие взаимодействия С-конца альфа-тубулина с глобулой белка Nuf2 и оценена энергия данных взаимодействий. Предсказанные с помощью молекулярного моделирования контакты между тубулином и NDC80 комплексом полностью согласуются с опубликованными данными мутационного анализа. Результаты указывают на важную роль неструктурированного C-концевого участка тубулина во взаимодействии с NDC80 комплексом. На основании анализа литературных данных предложены новые алгоритмы анализа временных рядов. Разработана и протестирована компьютерная программа на языке Python для использования в исследовании возможных корреляций между характеристиками флуктуаций токов в ансамбле ионных каналов в искусственной бислойной липидной мембране и в генераторе шума. Исследованы образцы чистой воды I класса MQ при интенсивном механическом воздействии. Зарегистрировано значительное немонотонное изменение мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости воды при многократных последовательных разбавлениях, сопровождающихся интенсивным механическим воздействием. При этом действительная часть диэлектрической проницаемости образцов не изменяется с точностью 1%. При многократной откачке образцов воды с последующей закачкой аргоном обнаруженные эффекты сохраняются. Это можно объяснить появлением активных форм кислорода в воде не из растворенного кислорода, а из схлопывающихся нанопузырьков, заполненных насыщенными парами воды, образующихся при интенсивном механическом воздействии. Выполнены теоретические работы и получены результаты количественного описания эффектов воздействия внешнего импульсного электрического поля на нанокомпозитные липосомы, содержащие золотые наночастицы. Полученные количественные оценки указывают на высокую избирательность таких воздействий и на возможности их практического применения в новых подходах к созданию биомиметических биосовместимых коллоидных систем адресной доставки и управляемого высвобождения лекарственных препаратов на основе нанокомпозитных липидных везикул. Разработаны экспериментальные методы создания новых нанокомпозитных липосом, содержащих гидрофобизованные наночастицы золота. Полученные с использованием разработанных методов нанокомпозитные липосомы охарактеризованы с использованием комплекса взаимодополняющих физических методов структурно-функциональной диагностики включая зондовую и электронную микроскопию. Методом функционала плотности проведено теоретическое исследование реакции окисления пластохинола цитохромным комплексом в хлоропластах высших растений. Показано, что первая стадия окисления пластохинола – перенос электрона на железо-серный кластер белка Риске при двухэлектронном окислении пластохинола – стадия, лимитирующая скорость переноса электронов между фотосистемами 2 и 1. В контексте задачи о регуляции электронного транспорта в хлоропластах методом электронного парамагнитного резонанса была изучена кинетика фотоиндуцированных редокс превращений фотореакционного центра Р700 в листьях Hibiscus rosa sinensis в зависимости от длительности освещения листьев. Показана немонотонная временная зависимость фотоиндуцированного восстановления и ре-окисления пластохинола, отражающая регуляторные процессы в работе цепи электронного транспорта хлоропластов in situ. Выяснены возможные механизмы взаимодействия железосодержащих соединений – индукторов ферроптоза – с липидами мембран митохондрий сердца. Показано, что инициаторы окисления смесь гидропероксида кумола с миоглобином – приводят к потере парамагнетизма встроенных в мембраны спиновых меток, при этом скорость процесса определяется как доступностью парамагнитного фрагмента метки, так и концентрацией окислителя.
18 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Физические основы строения, функционирования и регуляции биологических систем
Результаты этапа: Проведен анализ теоретических основ функционирования и перспектив практического использования биологических молекулярных машин как хиральных конструкций. Выполнен предметный анализ процесса фолдинга белков-молекулярных машин как постадийной самоорганизации знакопеременных хиральных структур. Исследованы образцы коммерческой тяжелой воды и чистой воды D2O при интенсивном механическом воздействии. Как и в случае с обычной водой зарегистрировано достоверное немонотонное изменение мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости воды при многократных последовательных разбавлениях, сопровождающихся интенсивным механическим воздействием. При этом действительная часть диэлектрической проницаемости образцов не изменяется с точностью 0,5%. В отличие от обычной воды амплитуда изменений электропроводности значительно меньше, чем в обычной воде. Это, вследствие повышенной вязкости тяжелой воды, можно объяснить большей устойчивостью нанопузырьков, которые при схлопывании генерируют активные формы кислорода. Данная гипотеза подлежит дальнейшей проверке, поскольку время жизни синглетного кислорода в тяжелой воде превышает таковое в обычной воде. При помощи разработанной компьютерной модели микрососудистого тромбообразования показано существенное влияние кооперативности процесса секреции плотных гранул тромбоцитами на динамику формирования тромба. На основе разработанной in vitro модели тромбоза продемонстрирована чувствительность процесса инициации тромбообразования от ориентации волокон фибриллярного коллагена первого типа при высоких значениях скорости сдвига. Показана ключевая роль синтеза тромбоксана А2 в процессе роста тромбов на коллагене in vitro. Создана методика качественной и количественной оценки хиральности спиральных структур белков. Создана методика качественной оценки хиральности суперспиральных структур белков. На основе теории клеточных автоматов разработана упрощенная модель внутриклеточной сигнализации при воздействии полисахарида, выделенного из топинамбура, на эукариотическую клетку. Разработаны новые средства адресной доставки лекарств и биологически активных веществ на основе коллоидных липидосодержащих частиц, являющихся миметиками биогенных липидных частиц и липопротеидов – переносчиков гидрофобных молекул в организме человека. Разработаны экспериментальные методы получения, получены и охарактеризованы новые липидные наноструктурированные магнитные коллоидные системы, являющиеся носителями водонерастворимых лекарственных веществ в водной фазе, пространственной локализацией которых можно управлять с помощью внешнего магнитного поля. Построены теоретические модели и получены новые количественные оценки эффектов влияния внешних электрических и магнитных полей на нанокомпозитные липидные коллоидные системы. Теоретические оценки находятся в хорошем соответствии с полученными экспериментальными результатами. Динамическое поведение тубулиновых микротрубочек описано методом Монте-Карло моделирования c учетом изогнутой конформации тубулина и конформационно-зависимого ГТФ-гидролиза. Модель позволяет описать не только химические (нуклеотидные), но конформационные состояния тубулина. В рамках полученной модели показано, что вероятность перехода микротрубочки от сборки к разборке зависит не только от гидролиза молекул ГТФ в стабилизирующей шапке на конце микротрубочки, но и от относительной длины протофиламентов на конце микротрубочки. Постепенное изменение конфигурации конца микротрубочки во время сборки, показанное в рамках модели, позволяет объяснить феномен «старения» микротрубочек. Исследованы переходы тубулиновых микротрубочек от сборки к разборке в очищенной системе in vitro. Рассмотрены различные гипотезы о механизмах остановки деполимеризации и роли ГТФ-тубулиновых комплексов в теле микротрубочек в этом процессе. Впервые продемонстрировано, что эти переходы могут быть вызваны неспецифическими контактами микротрубочек с покровным стеклом проточной камеры. С помощью наблюдений за изолированными микротрубочками вдали и от покровного стекла и других поверхностей, показано, что самопроизвольные остановки деполимеризации микротрубочек крайне редки. Сделан вывод о необходимости внешних воздействий дополнительных белков или факторов на микротрубочки для индуцирования их переходов от разборки к сборке в живых клетках. Исследована кинетика фотоиндуцированных редокс-превращений фотореакционного центра Р700 в листьях контрастных видов растений рода Cucumis (Melon и Cucumis sativus), выращенных при высокой (1000 мкЭ/м2с1) и низкой (50-100 мкЭ/м2с1) интенсивностях света освещения. Показано, что динитрозильные комплексы железа с тиольными лигандами являются уникальной группой соединений, способных быть донорами NO и в то же время способных реагировать с широким спектром интермедиатов окислительного, нитрозативного и карбонильного стресса. В основе антиоксидантного и антирадикального действия нитрозильных комплексов железа лежит кооперативное действие их компонентов, т.е. оксида азота, тиолов и ионов железа. Динитрозильные комплексы железа эффективно перехватывают свободные радикалы, образующиеся в различных системах, моделирующих окислительный стресс при некоторых социально-значимых патологиях, и являются одним из универсальных эндогенных регуляторов свободнорадикальных процессов в живых системах и в этом качестве обладают значительным терапевтическим потенциалом, в частности эти комплексы могут быть потенциальными геропротекторами. Получены предварительные данные о том, что нитролипиды могут быть донорами NO и участвовать в формировании динитрозильных комплексов железа. С другой стороны, в условиях окислительного и нитрозативного стрессов динитрозильные комплексы железа, вероятно, являются предшественниками нитропроизводных жирных кислот. В экспериментах с супероксид-генерирующими системами, моделирующими окислительный стресс в клетках сердечной мышцы, показано, что динитрозильные комплексы железа с глутатионовыми лигандами, как природная форма депонирования NO в организме, перехватывают реакционноспособные свободные радикалы. В этих условиях ферритин, основное депо ионов железа в клетках, проявляет прооксидантный эффект, стимулируя разрушение динитрозильных комплексов железа. Деструкция динитрозильных комплексов железа в условиях галогенирующего, нитрозилирующего или окислительного стресса, может быть важным элементом регуляции метаболизма оксида азота, а также влиять на сигнальную функцию этой молекулы, при этом нарушение функционирования различных форм NO играет ключевую роль в развитии многих патологий сердечно-сосудистой системы.
19 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Физические основы строения, функционирования и регуляции биологических систем
Результаты этапа: Разработаны новые основополагающие положения о структурообразовании и функционировании биологических молекулярных машин, являющихся основными физическими атрибутами всех земных форм жизни: – машиной можно назвать устройство (конструкцию), которое способно в циклическом режиме преобразовывать форму энергии, совершая «полезную работу», благодаря наличию в ней «выделенных» механических, (поступательных, колебательных, вращательных), в том числе, квантовомеханических, степеней свободы, кинетически разделяющих работу и диссипацию; – молекулярная машина есть инструмент сопряженного нарушения симметрии и преобразования формы энергии в неравновесной системе (конструкции с нелинейными/вентильными элементами) для совершения «полезной работы»; – молекулярная машина – динамическое хиральное устройство, поскольку с необходимостью работает в однонаправленном циклическом режиме; – молекулярная машина принципиально иерархическое устройство, поскольку имеет, как минимум, управляющий (регулирующий) и исполнительный уровни; – функционирование молекулярных машин происходит в масштабах структур, пограничных между квантовым и макроскопическим уровнями конденсированного состояния материи в поле сил, более слабых, чем ковалентные связи; – молекулярные машины содержат элементы конструкции, реализующие макроскопические (выделенные, механические) степени свободы, позволяющие реализовывать долгоживущие неравновесные энергетические состояния. К ним можно отнести спиральные и суперспиральные внутри- и надмолекулярные структуры; – молекулярная машина работает в ждущем режиме, запуская цикл при условии полного и «правильного» подсоединения к конструкции машины всех участников рабочего цикла, поскольку энергетически не может быть обеспечено прецезирование фаз рабочего цикла на молекулярном уровне в условиях теплового шума. Продолжена работа по анализу процесса фолдинга белков-машин как постадийной самоорганизации знакопеременных хиральных структур, а также по модельному компьютерному описанию структурообразования в белках-машинах. Получены два авторских свидетельства на программное обеспечение моделей. Разработана программа расчета формирования спиральной структуры белка на основе потенциала Леннарда-Джонса. Впервые получено распределение вторичных структур с учетом хиральности по полипептидной цепи белков из 4 функциональных классов: вирусные белки, изомеразы, шапероны, оксидоредуктазы. Выявлены общие для всех исследуемых классов закономерности, а также отдельные для каждого класса особенности строения. Проведен теоретический анализ нелинейных механических характеристик спиральных и суперспиральных структур биомакромолекул, выполняющих вероятные функции вентильных элементов. Начата разработка физических моделей участия хиральных структур, образуемых молекулами воды, связанными с биомакромолекулами, в работе биологических молекулярных машин. По 100 хиральным лекарственным препаратам выполнен первичный системный анализ их взаимодействия с хиральными молекулярными структурами живых клеток. Выполнены предварительные теоретические исследования по принципам формирования искусственных хиральных биоматериалов, иммуносовместимых с биологическими тканями. Изучена кинетика фотоиндуцированных редокс-превращений фотореакционного центра Р700 в листьях контрастных видов растений рода Cucumis (Cucumis melo и Cucumis sativus), выращенных при высокой (1 мЭм–2с–1) и низкой (50–100 мкЭм–2с–1) интенсивностях света освещения. Показано, что растения вида Cucumis melo (дыня) обладают повышенной, по сравнению с Cucumis sativus (огурец) устойчивостью к выращиванию при высоких интенсивностях света. Исследован импеданс водных растворов L и D аминокислот аланина, валина и треонина, приготовленных итерационным методом разбавления с последующим интенсивным механическим воздействием. Зарегистрировано достоверное немонотонное изменение мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости воды при многократных последовательных разбавлениях. Немонотонная зависимость электропроводности сохраняется в области высоких разбавлений, где понятие концентрации раствора теряет смысл. Это отражает наличие сложных химических реакции с участием активных форм кислорода, возникающих при схлопывании нанопузырьков при механическом воздействии на каждой стадии разбавления. При этом действительная часть диэлектрической проницаемости образцов не изменяется с точностью 0,5%. Зарегистрированы эволюционные изменения наблюдаемых характеристик образцов растворов, хранившихся в течение двух недель в обычных условиях и в камере с ослабленным магнитным полем не превышающем 2 мГс. Обнаружено влияние ослабленного магнитного поля на электропроводность растворов аминокислот, а также различие между L и D формами аминокислот во время хранения образцов. Разработаны оригинальные методические подходы к созданию новых биомиметических коллоидных нанокомпозитных конструкций на основе биогенных липидов и функциональных неорганических наночастиц (магнетит, золото). Получены результаты структурно-функциональной диагностики получаемых нанокомпозитных коллоидных систем с использованием методов зондовой и электронной микроскопии. Получены новые результаты теоретического анализа эффектов влияния внешних электрических и магнитных полей на нанокомпозитные мембранные липидные коллоидные системы. С помощью одномолекулярных экспериментов in vitro на установке «оптический пинцет» исследованы характеристики движения кинетохорного комплекса NDC80 и других белков вдоль микротрубочек. Обнаружено, что при движении вдоль микротрубочки данный комплекс проявляет существенно ассиметричный ответ на внешнюю силу: при приложении силы по направлению к «плюс»-концу микротрубочки, комплекс значительно медленнее отсоединяется от микротрубочки, чем при приложении силы по направлению к «минус»-концу микротрубочки. Показано, что другие белки кинетохора (CLASP2, Ska1 комплекс, Dam1) не обладают подобной ассиметрией. Это открытие заставляет пересмотреть существующие модели взаимодействия кинетохоров и микротрубочек Создана Монте-Карло модель взаимодействия микротрубочек и ассоциированных белков для интерпретации одномолекулярных экспериментов. С помощью модели описан процесс ассоциации белков с микротрубочкой, закрепленной на поверхности покровного стекла, из раствора. Показано, что ограничения пространственно-временного разрешения экспериментальной системы на основе оптической микроскопии приводят к невозможности однозначно интерпретировать наблюдаемые акты взаимодействия белков и микротрубочек, приводя к недооценке кинетических констант ассоциации и диссоциации белков от микротрубочек. Разработана экспериментальная система для проверки данных предсказаний моделирования на основе наблюдения комплексов NDC80 и регуляторного белка EB1 с микротрубочкой. При помощи in vitro модели тромбообразования были исследованы механизмы чувствительности формирования тромбоцитарных агрегатов к ориентации волокон коллагена. При помощи анализа динамики первичной адгезии показано увеличение числа длительно взаимодействующих с поверхностью тромбоцитов в случае продольной ориентации волокон. Показано, что тромбоциты перемещаются вдоль волокон, богатых фактором фон Виллебранда, – то есть такие волокна служат «рельсами» для начальной транслокации, после чего может происходить стабильное прикрепление и начало формирование тромбов. Начато исследование различий в динамики формирования тромбоцитарных агрегатов в случае непроникающего повреждения сосуда и в случае его рассечения. Анализ ведется при помощи разработанной ранее компьютерной модели тромбообразования. Получены новые данные о взаимодействии динитрозильных комплексов железа (ДНКЖ), как природной формы депонирования NO в организме, с различными реакционноспособными свободными радикалами. Показано, что ДНКЖ эффективно перехватывают такие радикалы, независимо от парциального давления кислорода – степени гипоксии. Показано, что физиологические производные оксида азота (NO) влияют на образование свободнорадикальных интермедиатов в условиях, моделирующих карбонильный стресс. При этом S-нитрозотиолы и сам NO стимулируют продукцию этих свободных радикалов, а ДНКЖ и нитроксильный анион ингибируют. С помощью спектроскопии ЭПР изучено восстановительное нитрозилирование гемоглобина и миоглобина в модельных реакционных системах. Показано, что оксоферрильная форма гемопротеинов эффективно восстанавливается нитроксилом (HNО). Сам нитроксил является продуктом одноэлектронного восстановления оксида азота. Вместе с тем, оксоферрильная форма гема представляет собой чрезвычайно сильный окислитель, вызывающий окислительную модификацию важных биомолекул и субклеточных структур. Продолжено исследование препарата стабилизированной формы NO, обладающий амфифильными свойствами, Этот препарат представляет собой ДНКЖ с лигандом на основе N-ацетил-L-цистеина. что делает возможным его проникновение в организм через природные барьеры (кожу и другие). В настоящее время проводятся исследования стабильности препарата при длительном хранении, совершение испытаний планируется в 2023 г.
20 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Физические основы строения, функционирования и регуляции биологических систем
Результаты этапа: Проведена системная разработка фундаментальных основ формирования и функционирования молекулярных биологических машин как иерархически организованных хиральных конструкций, осуществляющих в ходе фолдинга и совершения «полезной работы» сопряженное преобразование формы энергии и нарушения симметрии с участием внутри- и надмолекулярных структур, образующих «выделенные механические» степени свободы. Разработан метод анализа временных рядов с помощью расчетов перестановочной энтропии в их сегментах. Метод примененен к анализу флуктуаций тока в немодифицированных модельных бислойных липидных мембранах при различных температурах и значениях рН среды. Показано, что метод относительно устойчив к шуму и может быть использован для рядов конечной длины. По результатам работы в 2023 г. защищена квалификационная работа выпускника бакалавриата физического факультета, студента из КНР Вэнь Чжэня. Проведено сравнительное исследование флуоресцентных характеристик и кинетики фотоиндуцированных превращений реакционного центра Р700 в листьях двух видов рода Cucumis (Cucumis melo – дыня, и Cucumis sativus – огурец) в зависимости от длительности акклимации растений к высокой и низкой интенсивности света. Найдены условия культивирования этих сельскохозяйственных видов растений (длительность произрастания в лабораторных условиях), при которых сохраняются оптимальные функциональные показатели фотосинтетического аппарата этих растений. Выяснены возможности и физико-химические закономерности формирования коллоидных систем на основе поликомплексов биогенных и синтетических молекул. Получены новые поликомплексы, дополнительно содержащие наночастицы магнетита. С использованием комплекса физических методов структурно-функциональной диагностики изучены структурные и физико-химические характеристики синтезированных поликомплексов. Получены новые результаты теоретического анализа эффектов влияния внешних электрических и магнитных полей на нанокомпозитные биомиметические коллоидные системы, содержащие магнитные и электропроводящие наночастицы. Исследованы комплексные диэлектрические характеристики разбавленных растворов L и D аминокислот аланина, валина и треонина в Н2O и D2O при интенсивных механических воздействиях на каждой стадии разбавления. На частоте 100 кГц показано отсутствие изменений величины диэлектрической проницаемости с погрешностью не более 0,2% для всех растворов аминокислот, что свидетельствует об отсутствии значительного количества самоорганизующихся наночастиц с большим дипольным моментом. Установлено наличие немонотонного изменения электропроводности от числа итераций разбавления с интенсивным перемешиванием, в том числе в области, где понятие концентрации не имеет смысла. Обнаружено различие в эволюции паттернов электропроводности итерационного ряда разбавленных аминокислот разного химического состава. Существенных различий в паттернах L и D аминокислот и их эволюции при параллельном приготовлении растворов энантиомеров не обнаружено. Замена обычной воды на тяжелую D2O приводит к уменьшению рассеяния паттерна электропроводности раствора, что связано, по-видимому, с ее увеличенной вязкостью, приводящей к стабилизации нанопузырей от схлопывания с образованием свободных радикалов. Разработаны методика, математическая и компьютерная модели качественной и количественной оценки хиральности вторичных нерегулярных спиральных структур белков, а также суперспиральных структур белков с использованием международных банков данных. Разработана математическая модель клеточной динамики эпидермиса кожи человека в состоянии гомеостаза. Выявлены особенности модификации физиологически значимых биомолекул под действием активных форм азота и активных карбонильных соединений, в том числе формирование производных липидов, связанных с ДНКЖ. Изучены механизмы цитопротекторного действия нитропроизводных липидов на клетки сердечной мышцы, в том числе влияния этих биологически активных метаболитов оксида азота на функционирование митохондрий кардиомиоцитов в условиях ишемии и реперфузии. С помощью метода броуновской динамики была построена модель ассоциации и взаимодействия тубулинов при разных температурах. Была разработана экспериментальная система для изучения термочувствительности отдельных микротрубочек методом оптической микроскопии. Измерены скорости сборки и разборки микротрубочек в диапазоне температур от 5 до 37 градусов по шкале Цельсия. Вычислены значения активационных барьеров взаимодействия тубулин-тубулин. С помощью построенной модели определен вклад в температурную чувствительность процессов ассоциации-диассоциации тубулинов и гидролиза гуанозинтрифосфатов в составе микротрубочек. При помощи компьютерной модели тромбоза показано, что кооперативная секреция плотных гранул может иметь решающее значение для образования внешней части тромба (так называемой оболочки). При помощи модели гемостаза было показано, что именно благодаря активной секреции плотных гранул тромбоцитами внешняя часть тромба приводит к существенному перекрытию просвета раненного сосуда в модели, что позволяет предложить физиологический смысл оболочки тромба. В работах по данной теме научных исследований, помимо научного, профессорского и преподавательского состава кафедры, в 2023 году принимали участие 2 аспиранта и 23 студента.
21 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Физические основы строения, функционирования и регуляции биологических систем
Результаты этапа:
22 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Физические основы строения, функционирования и регуляции биологических систем
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".

Прикрепленные файлы

№ Имя Описание Имя файла Размер Добавлен