Результаты работы института в 2008 г.

В 2008 году Институт биофизики СО РАН выполнял НИР по следующим основным направлениям фундаментальных исследований РАН:

• 43 Экология организмов и сообществ

• 46 Структура и функции биомолекул и надмолекулярных комплексов.

• 47 Молекулярная генетика. Механизмы реализации генетической информации. Биоинженерия.

• 50 Биофизика. Радиобиология. Математические модели в биологии. Биоинформатика.

• 51 Биотехнология.

• 53 Эволюционная, экологическая физиология, системы жизнеобеспечения и защиты человека.

В 2008 году продолжались исследования, запланированные на период с 2002 по 2008 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. 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

Впервые оценено распределение 241Am по биохимическим фракциям биомассы двух видов водных растений (Рис. 1). Америций, накопленный в биомассе растений, в основном (95+1%) связан с клеточными стенками и мембранами, и лишь небольшая часть 241Am (5+1%) растворена в цитоплазме. Несмотря на отличия в удельном накоплении 241Am, исследованные виды не различались по распределению радионуклида в биомассе. Впервые показано, что липиды содержат не более 1% 241Am, накопленного в биомассе, до 10% 241Am ассоциировано с белками и углеводами, а основная часть 241Am связана с полисахаридами типа клетчатки. Слабое проникновение 241Am в цитоплазму, а также содержание основной доли радионуклида во фракции структурных полисахаридов свидетельствует о преобладании биосорбции в качестве основного механизма накопления 241Am фотоассимилирующими органами макрофитов из водной среды. (лаб. радиоэкологии, д.б.н. А.Я.Болсуновский).

Рис. 1. Распределение 241Am по биохимическим фракциям биомассы двух видов водных растений Fontinalis antipyretica и Elodea canadensis.

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

Разработан одновременный чувствительный биолюминесцентный анализ двух аналитов в одном образце плазмы с использованием в качестве репортеров мутантов рекомбинантного Са2+-активируемого фотопротеина обелина с уникальными спектрами свечения.

С помощью олигонуклеотид-направленного мутагенеза аминокислот активного центра Са2+-активируемого фотопротеина обелина получены мутанты W92F-H22E и Y138F, обладающие уникальными характеристиками свечения, высокой активностью и стабильностью. Разработан одновременный биолюминесцентный иммуноанализ двух антигенов - фолликулстимулирующего (FSH) и лютеинизирующего (LH) гормонов в сыворотке. Эффективное разделение биолюминесцентных сигналов было осуществлено с помощью широкополостных оптических фильтров, установленных перед детектором двухканального биолюминометра. Без оптимизации условий чувствительность одновременного анализа составила 0,57 mIU/мл (FSH) и 1,1 mIU/мл (LH), что не уступает чувствительности специфического радиоизотопного иммуноанализа (0.5 mIU/мл). (лаб. фотобиологии, к.б.н. Е.С. Высоцкий).

Рис.2 . Слева: спектры биолюминесценции обелинов W92F-H22E и Y138F и спектры пропускания оптических фильтров (I и II), использованных для разделения сигналов.Справа: схема проведения одновременного биолюминесцентного иммуноанализа гормонов и полученные результаты.

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

Установлено, что модифицированные наноалмазы: не связывают кольцевые молекулы плазмидной ДНК pUC19, адсорбируют линейные молекулы pUC19 с тупыми концами, полученные после рестрикции исходной кольцевой ДНК pUC19, а также линейные фрагменты ДНК с размерами от 0.25 кb до 10 кb. Количество адсорбированных линейных форм ДНК зависит от величины молекул и размера кластеров наноалмазов. Наиболее вероятным механизмом связывания является образование координационных связей между 5 - концевым фосфатным остатком (или 3 - концевой ОН группой) линейных молекул ДНК и ионами металла на поверхности наночастиц. Результаты позволяют говорить о возможности применения наноалмазов для разделения кольцевых и линейных форм ДНК и для выделения линейных молекул ДНК.

Рис. 3. Электрофореграмма образцов кольцевой (1-3) и линейной (5-7) форм ДНК pUC19 до и после обработки наноалмазами. На треках: 1 - контрольный образец кольцевой ДНК, 2,3 - образцы после их обработки наноалмазами, имеющими размеры кластеров 30-250 нм и 250-500 нм соответственно, 4 - образец маркерных фрагментов ДНК ("ДНК-маркер 1 Kb"), 5 - контрольный образец линейной ДНК, 6,7 - образцы после их обработки наноалмазами, имеющими размеры кластеров 30-250 нм и 250-500 нм соответственно.

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

В рамках разработанной математической модели, описывающей широтно-зависимые сезонные изменения скоростей чистой первичной продукции фотосинтеза, поступления органики в почву и почвенного дыхания, показано, что предположение о стационарном состоянии почвы приводит к существенному отклонению распределения углерода по почвенным блокам (Рис.4А) от известных глобальных оценок. В то же время незначительные (до 5%) изменения потоков приводят к заметным (до 16%) изменениям количества углерода в блоке устойчивой почвы и позволяют получить необходимое соответствие (Рис.4Б). Таким образом, сравнение широтно- и сезонно-зависимой модели системы "растения-почва" с известным глобальным распределением углерода по почвенным блокам позволяет выдвинуть гипотезу о том, что стационарное состояние для почвы практически недостижимо.

Рис. 4. Стационарные распределения почвенных блоков по широтным поясам. А) стационарные и Б) модифицированные значения констант скоростей реакций.

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

Разработана долговременная лекарственная форма лекарственных препаратов в виде микрочастиц из биоразрушаемого полиэфира БИОПЛАСТОТАН, пригодная для различных способов введения. В экспериментах на животных доказана лекарственная эффективность разработанной формы антипролиферативных, антибактериальных и нестероидных противовоспалительных препаратов (лаб. хемоавтротрофного биосинтеза, д.б.н. Т.Г.Волова).

Рис. 5. Принцип конструирования пролонгированных лекарственных форм в виде микрочастиц из биоразрушаемого полиэфира БИОПЛАСТОТАН.

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.

Для условий биорегенеративных замкнутых экосистем (БЗЭС) зарегистрирован пониженный уровень светового насыщения фотосинтетической продуктивности как С3 (пшеница и редис), так и С4-растений (чуфа), культивируемых на почвоподобном субстрате (ППС), что вызывает недобор потенциально возможного урожая в 2-3 раза по сравнению с гидропоникой. Эффект обусловлен ограничением скоростей образования в ППС доступных для питания растений минеральных соединений, что лимитирует увеличение синтеза ассимилятов с ростом уровня облученности. Полученный результат выявил принципиальные ограничения использования биологических субстратов для БЗЭС.

Рис. 6. Урожай растений, выращенных на ППС при различной интенсивности ФАР