|
Результаты работы института в 2007 г.
В 2007 году Институт биофизики СО РАН выполнял НИР по следующим основным направлениям фундаментальных исследований РАН:
6.1. Биология развития и эволюция живых систем.
6.2. Экология организмов и сообществ.
6.5. Структура и функции биомолекул и надмолекулярных комплексов.
6.9. Биофизика. Радиобиология. Математические модели в биологии. Биоинформатика.
6.10. Биотехнология.
6.12. Эволюционная, экологическая физиология, системы жизнеобеспечения и защиты человека.
В 2007 году продолжались исследования, запланированные на период с 2002 по 2007 гг., в рамках научного направления "Биофизика и биотехнология живых систем, включая замкнутые искусственные и природные экологические системы, моделирование и прогноз их состояния" по шести бюджетным проектам НИР Института на период 2007-2009 гг. зарегистрированым во ВНТИЦентре с присвоением шифров государственной регистрации:
Проект 6.2.1.12. Распределение и стехиометрия незаменимых биохимических компонентов, биогенных и трансурановых (плутония, америция) элементов в трофических сетях водных экосистем бассейна реки Енисей (ИБФ). Рег.№ 01.200703094
Проект 6.5.1.3. Механизмы катализа в биолюминесцентных реакциях четырех типов светящихся организмов (бактерии, кишечнополостные, черви, светляки): общие закономерности и различия. Рег. № 01.200703093
Проект 6.6.1.3. Изучение физико-химических свойств и биологических эффектов наночастиц абиогенной и биогенной природы как основа создания новых материалов и технологий биологического и медицинского назначения. Рег. номер 01.200703090
Проект 6.9.1.6. Принцип наихудшего сценария в построении минимальных теоретических и экспериментальных биосферных моделей, согласованных с данными глобальных наблюдений, включая спутниковые. Рег. №01.200703091
ПРОЕКТ 6.10.1.5. Контролируемый синтез резорбируемых полиэфиров и разработка научных основ их применения в качестве матриксов функционирующих клеток и депонирования лекарственных средств. Рег. номер 01.200703092
Проект 6.12.1.3. Экспериментальное и теоретическое моделирование процессов трансформации и перераспределения углеродных соединений в биосистеме с круговоротом вещества, включающей растения и почвоподобный субстрат Рег. № 01.200703089.
В рамках утвержденных планов НИР по проблемам биофизики экосистем и физико-химической биологии получены следующие важнейшие результаты:
Проект 6.2.1.12. Распределение и стехиометрия незаменимых биохимических компонентов, биогенных и трансурановых (плутония, америция) элементов в трофических сетях водных экосистем бассейна реки Енисей. Рег. № 01.200703094
На пресноводном водохранилище была проверена выдвинутая ранее гипотеза, согласно которой изменение элементной стехиометрии и содержания полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) в сестоне природных водоемов происходит не за счёт изменения этого содержания в клетках той или иной популяции доминирующего вида фитопланктона, а за счёт смены видового состава сообщества. Иными словами, если какой-либо вид фитопланктона в данный момент времени доминирует в природном сообществе, это означает, что он имеет оптимальную внутриклеточную стехиометрию элементов и оптимальное содержание ПНЖК. Очевидно, что в таком случае стехиометрия и состав ПНЖК в периоды доминирования разных видов являются постоянными и видоспецифичными. Для проверки гипотезы были обобщены и проанализированы материалы трех полевых сезонов. Полученные данные свидетельствовали в пользу гипотезы о постоянном и видоспецифичном элементном и биохимическом составе фитопланктона в периоды доминирования. Наибольший интерес представляет то обстоятельство, что среди исследованных природных популяций фитопланктона, согласно стехиометрическим и биохимическим индикаторам качества пищи, не оказалось видов, абсолютно ценных или, наоборот, непригодных для питания зоопланктона, как это считалось ранее на основе анализа ограниченного числа лабораторных культур.
(Рук. д.б.н. М.И. Гладышев)
|
Рис.1. Результаты канонического анализа соответствия стехиометрии элементов и ПНЖК (квадраты) в периоды доминирования пяти видов фитопланктона (кружки) в мае-октябре 2002-2004 гг. на водохранилище Бугач, представленные в двумерном пространстве, отображающем 95,5% общей инерции. На рис. изображены представители зоопланктона, для которых элементный и биохимический состав отдельных видов микроводорослей является оптимальным.
|
Проект 6.5.1.3. Механизмы катализа в биолюминесцентных реакциях четырех типов светящихся организмов (бактерии, кишечнополостные, черви, светляки): общие закономерности и различия. Рег. № 01.200703093
Показано, что воздействие -радионуклидов высокой удельной активности (например, америция) на биолюминесцентные системы проявляется при низких концентрациях радионуклида (до 10-11М) и характеризуется начальным периодом активации (Рис. Irel > 1). Активация биолюминесценции бактерий Photobacerium phosphoreum достигала 400 % (Рис.), а ферментативных реакций - 40%. Воздействие радионуклидов низкой удельной активности (например, уран) сходно с действием стабильных тяжелых металлов: проявляется при высоких концентрациях радионуклида (более 10-7М) в виде ингибирования биолюминесценции и характеризуется отсутствием периода активации.
(Рук. к.б.н. Е.С. Высоцкий)
Проект 6.6.1.3. Изучение физико-химических свойств и биологических эффектов наночастиц абиогенной и биогенной природы как основа создания новых материалов и технологий биологического и медицинского назначения. Рег. номер 01.200703090
Установлена возможность одновременной адсорбции на частицы МНА трех ферментов (холестерин эстераза, холестерин оксидаза и пероксидаза), катализирующих цепь последовательных биохимических реакций и используемых для определения холестерина в плазме крови. Показано, что адсорбированные белки сохраняют ферментативную активность, комплекс наночастицы-ферменты может использоваться для измерения холестерина многократно.
(Рук. академик РАН И.И. Гительзон)
|
Рис. 3. Многократное использование комплекса НА-ферменты для определения холестерина. OD - оптическая плотность при ?=500nm, измеряемая с помощью спектрофотометра UV300 (Shimadzu, Япония) в образцах после проведения реакции.
|
Проект 6.9.1.6. Принцип наихудшего сценария в построении минимальных теоретических и экспериментальных биосферных моделей, согласованных с данными глобальных наблюдений, включая спутниковые. Рег. №01.200703091
На основе адаптации малоразмерной модели биосферной динамики СО2 (с учетом роли океана) к описанию процессов замены сельскохозяйственных посевов на древесные растения проверена гипотеза о механизме Малого Ледникового Периода (МЛП), вызванного уменьшением населения Европы во время Великой Чумы 14-го века. Теоретически показано, что при наиболее реалистичном значении параметра Tdel=2оС (коэффициент чувствительности климата) и предположении о половинной рефорестеризации пахотных земель - максимальное изменение глобальной температуры будет составлять 0.06оС, а максимальное падение концентрации углекислого газа - 6 ppmv. При Tdel=4оС - понижение температуры составит 0.19 оС при падении концентрации СО2 на 9 ppmv. В случае полной рефорестеризации при Tdel=2оС изменение температуры и концентрации углекислого газа составят 0.11 оС и 11 ppmv соответственно, а при Tdel=4оС - соответственно 0.4 оС и 18 ppmv. По данным IPCC (2007) на период 14-15вв. максимальное падение глобальной температуры составило примерно 0.35-0.4 градусов при падении СО2 - 10 ppmv. Таким образом, появление МЛП может быть в принципе объяснено антропогенными причинами: следствием рефорестеризации, последовавшей после Великой Чумы. Кроме того модель показала, что предположение о том, что океан сможет компенсировать дисбаланс атмосферного СО2, несостоятельно так как скорость восстановления СО2 за счет океана имеет место, но оказывается недостаточной.
(Рук. член-корр. РАН А.Г. Дегерменджи)
|
Рис. 4. Схема потоков углерода в результате декомпозиции модели и соответствующая ей модельная динамика углекислого газа А) и глобальной температуры Б). На графиках сплошная линия соответствует с чувствительности климата Tdel=2 и пунктирная - 4 oC.
|
ПРОЕКТ 6.10.1.5. Контролируемый синтез резорбируемых полиэфиров и разработка научных основ их применения в качестве матриксов функционирующих клеток и депонирования лекарственных средств. Рег. номер 01.200703092
Создана серия биоимплантатов для реконструкции дефектов костной ткани из высокоочищенных образцов резорбируемого полигидроксибутирата (ПГБ): полимерные, из гибридной композиции "полимер+гидроксиапатит", с введением в состав полимера стимулятора остеогенеза (морфогенетический белок BMP-2). Исследованы остеопластические свойства имплантатов на модели сегментарной остеотомии в экспериментах на лабораторных животных в сопоставлении с коммерческими препаратами: Bio-OSSR (деминерализованная кость) и КоллапанR (гибрид гидроксиапатита и коллагена). Доказано, что собственно полимер, а также полимер в сочетании с гидроксиапатитом обладает выраженными остеопластическими свойствами, медленно деградирует in vivo, обеспечивая нормальное протекание репаративного остегенеза, в отличие от материалов сравнения, для которых характерны активная резорбция матрикса и замедленная регенерация костного дефекта. Показано, что репаративный остеогенез значительно активизируется при введении в состав полимерных имплантатов BMP-2. Результаты позволяют рекомендовать ПГА в качестве костнопластического материала для восстановления дефектов костной ткани. В Роспатенте зарегистрирована марка материала и имплантатов БиопластотанT.
(рук. д.б.н. Т.Г. Волова)
|
Рис. 5. Декальцинированные срезы образцов костной ткани в месте модельного дефекта, закрытого различными имплантатами: I -полимер, II - гибрид "полимер + гидроксиапатит", III - полимер + BMP-2, IV - Bio-OSSR, V -КоллапанR. Окраска гематоксилин-эозин.
|
Проект 6.12.1.3. Экспериментальное и теоретическое моделирование процессов трансформации и перераспределения углеродных соединений в биосистеме с круговоротом вещества, включающей растения и почвоподобный субстрат. Рег. № 01.200703089.
Разработана и изготовлена экспериментальная установка (микрокосм) с пространственно разделенными автотрофным и гетеротрофным звеньями для моделирования круговорота углерода в замкнутом биотическом цикле. Микрокосм включает высшие растения, почвоподобный субстрат, высшие грибы, микроорганизмы, черви и позволяет поддерживать интенсивность круговорота углерода в пределах 0,0023 сут-1 - 0,007 сут-1. Проведенные испытания микрокосма подтвердили адекватность параметров среды для роста пшеницы на почвоподобном субстрате в замкнутом объеме.
(Рук.: академик РАН И.И. Гительзон, чл.-корр. РАН А.Г. Дегерменджи)
|
Рис. 6. Установка (микрокосм) для проведения экспериментов с биотическим циклом: "высшие растения- почвоподобный субстрат". Справа налево показаны:
1) общий вид установки до экспериментов;
2) эксперимент с растениями салата;
3) эксперимент с растениями пшеницы.
|
|