Научные достижения 1995 - 2000

Основное аккредитованное направление фундаментальных исследований Института (свидетельство № 98 от 21.05.1998 г.) : биофизика экологических систем, включая замкнутые экологические системы жизнеобеспечения человека, моделирование и прогноз состояния искусственных и природных экосистем с целью рационального использования.

Приоритетные направления фундаментальных исследований Российской Академии Наук.

Основные достижения:
-по проблемам экологической биофизики
-по проблемам биотехнологии

В 1995-2000 гг. в рамках данного направления Институт выполнял НИР по приоритетным направлениям фундаментальных исследований Российской Академии Наук:

По проблемам экологической биофизики

С использованием современной спутниковой техники обеспечен новый метод визуализации и измерения распределения биомассы одноклеточных водорослей, вызывающих вспышки цветения воды в различных зонах Мирового океана. Впервые по результатам спутниковых измерений построена карта трендов концентрации хлорофилла в поверхностном слое Северной Атлантики за 5 лет. Анализ показал, что тенденция к уменьшению концентрации фитопигментов на больших площадях с одновременным ее повышением на малых площадях является устойчивой для всего региона в течение пяти лет (лаборатория экологической информатики).

Выявлены географические зоны повышенной вероятности возникновения аномалий концентрации хлорофилла в поверхностном слое тропической и субтропической Атлантики. Явления такого порядка оказалось возможным зарегистрировать только благодаря применению космических средств обеспечивающих хорошую повторяемость и достаточное пространственное разрешение. На основе статистического анализа американской спутниковой информации (аппаратура CZCS, 7.5 лет измерений) впервые в поверхностном слое океана выявлено наличие зон, квазистационарных по сезонной динамике концентрации хлорофилла. Явление носит глобальный характер и присуще различным типам акваторий - от вод открытого океана до внутренних морей (лаборатория экологической информатики).

Теоретико-экспериментальными исследованиями развито представление о ведущей роли плотностнозависимых контролирующих рост факторов (ПКРФ) в устойчивости сообществ в лабораторных микроэкосистемах и природных водоемах. На основании созданной теории разработаны новые биофизические методы поиска ПКРФ в искусственных и естественных экосистемах и оценки скоростей круговорота вещества (лаборатория биофизики экосистем).

Проведены радиоэкологические исследования реки Енисей - средообразующего фактора расноярского региона, впервые обнаружены высокоактивные радиационные частицы в пойме реки Енисей вблизи Горно-химического комбината Минатома РФ. На основании гамма-спектрометрического и радиохимического анализа сделан вывод о реакторно-топливном источнике этих частиц и определен их "возраст" (лаборатория биофизики экосистем).

Выдвинута гипотеза о том, что во времени и пространстве существует конечное число дискретных типов экосистем, каждому из которых соответствуют определенные значения интегральных кинетических характеристик (на примере удельных скоростей самоочищения от фенола). Сформулированы представления о поверхностной пленке воды природных водоемов как естественном интеграторе информации о функционировании сообщества водной толщи, позволяющие свести трехмерную задачу анализа водных экосистем к двумерному представлению. На примере водоемов Красноярского края разработаны биологические и физические основы мониторинга свободных жирных кислот (СЖК) поверхностной пленки и дешифровки их состава в терминах интегральных функциональных характеристик экосистемы (лаборатория экспериментальной гидроэкологии).

Математической моделью объяснено наблюдаемое в экосистеме соленого озера Шира устойчивое заглубленное (10-11 м) <цветение> цианобактерий Lyngbia на основе явления фотоингибирования и лимитирования первичной продукции светом (лаборатория биофизики экосистем).

Разработан популяционно-энергетический подход к изучению общих закономерностей микроэволюции микробных популяций и их ассоциаций в управляемых условиях. Разработана концепция "экспериментальных эволюционных машин", дающая возможность количественного изучения физико-химических основ действия естественного отбора, процессов микроэволюции популяций и получения активных штаммов в двух основных типах открытых термодинамических систем (лаборатория управления биосинтезом гетеротрофов).

Для решения проблемы оценки риска случайной или целенаправленной интродукции генетически модифицированных микроорганизмов предложена концепция, основанная на комплексном подходе, охватывающем все уровни экосистемного сообщества; определена методология для разработки экологических паспортов трансгенных микроорганизмов. На основе экспериментальных и теоретических моделей впервые сделан прогноз наиболее вероятного поведения трансгенного микроорганизма E. coli Z905 после случайной интродукции в окружающую среду с учетом всех уровней биологической иерархии (лаборатория управления биосинтезом гетеротрофов).

Проведен теоретический анализ горизонтальной передачи рекомбинантных плазмид в бактериальном звене микрофлоры природных водных экосистем и показана зависимость процесса от длины трофической цепи и степени эвтрофикации водоема (лаборатория управления биосинтезом гетеротрофов).

По проблемам биотехнологи

Получены препараты на основе лиофилизированных светящихся бактерий вида Photobacterium phosphoreum  "Микробиосенсор В17-677F, которые были использованы для исследования промышленных стоков и загрязнения вод различных рек Красноярского края, а также экологической экспертизы водозаборов и природных источников Алтайского края, Иркутской области, Казахстана (сектор биотехнологии).

Получены и исследованы высокоочищенные люциферазы из четырех видов светящихся бактерий, которые используются для фундаментальных исследований и для разработки методов биолюминесцентного анализа и производства комплектов реактивов для него (сектор биотехнологии).

С использованием рекомбинантных и мутантных штаммов показано, что восстановление природного флавинового субстрата бактериальной люциферазы связано с окислением ее альдегидного субстрата с помощью альдегиддегидрогеназы. Получены дополнительные данные, подтверждающие, что флавиновый субстрат является белком. Флавиновый субстрат и белки, участвующие в его восстановлении, являются неспецифическими и помимо светящихся бактерий имеются, по крайней мере, у E. coli (сектор биотехнологии).

Показана зависимость стабилизации возбужденного интермедиата биолюминесцентной реакции от диэлектрической проницаемости органических растворителей, введенных в реакционную смесь. Степень стабилизации зависит от типов взаимодействия люцифераз с субстратами и от донорно-акцепторных свойств растворителя (сектор биотехнологии).

Исследовано влияние диэлектрической проницаемости реакционной среды на кинетические параметры биолюминесцентной реакции. Показано, что увеличение диэлектрической проницаемости (добавка формамида в среду) приводит к увеличению константы спада светоизлучения, а уменьшение диэлектрической проницаемости (введение в среду спиртов) приводит к уменьшению константы спада светоизлучения. Присутствие в среде веществ, не изменяющих величину диэлектрической проницаемости (этиленгликоль) не влияет на величину константы спада светоизлучения биолюминесцентной реакции, катализируемой люциферазами P.leiognathi и V.harveyi. Таким образом показано, что электростатические взаимодействия оказывают влияние на стадию распада возбужденного интермедиата люциферазной реакции (сектор биотехнологии).

Завершен основополагающий этап работы по созданию информационного банка данных уникальной специализированной Коллекции морских светящихся бактерий ИБСО. Вышло в свет первое издание <Каталога культур морских светящихся бактерий ИБСО> на русском и английском языках (издательство СО РАН), включающее описание свыше 500 штаммов заявленного фонда. База данных по истории и сахаролитическим свойствам 100 культур светящихся бактерий коллекции ИБСО зарегистрирована как и имеет адрес в сети INTERNET (http://www.bdt.org.br/bdt/msdn/ibso) (сектор биотехнологии).

В исследовании люминесценции показан механизм переноса энергии между бактериальной люциферазой и люмазиновым белком, являющимся переизлучающей молекулой в люминесцентной системе светящихся бактерий. Построена компьютерная модель пространственной структуры каталитической a-субъединицы бактериальной люциферазы (лаборатория фотобиологии).

Определены закономерности влияния рядов органических и неорганических соединений на элементарные физико-химические процессы переноса энергии, электрона, водорода в различных ферментативных системах с участием бактериальной люциферазы. Проведена классификация ксенобиотиков по интенсивности и типам эффектов с учетом их электронного строения. Полученные закономерности позволили стимулировать и обосновать гипотезу об участии высших электронно-возбужденных состояний эмиттера биолюминесценции в реакции светоизлучения, катализируемой бактериальной люциферазой (лаборатория фотобиологии).

Освоен новый источник Ca²⁺-зависимого фотопротеина обелина из гидроидного полипа Obelia longissima. Методами генетической инженерии получен штамм - суперпродуцент рекомбинантного обелина; разработан ряд биотестов и диагностикумов для физиологических исследований и клинической практики, сопоставимых по чувствительности с радиоизотопными измерениями, что позволит в перспективе снизить использование радиоактивных материалов в аналитике (лаборатория фотобиологии).

Впервые получены кристаллы рекомбинантного Са²⁺-регулируемого фотопротеина обелина из морского биолюминесцирующего гидроида Obelia longissima, пригодные для рентгено-структурного анализа, и с разрешением 1,7 А определена пространственная структура белка. Показано, что структура молекулы представляет собой компактную глобулу с радиусом около 25 А.

Генноинженерными методами сконструирован химерный обелин - иммуноглобулинсвязывающий фрагмент белка А. Химерный белок с высоким уровнем экспрессирован в клетках Escherichia coli. Получен химерный белок, обладающий как биолюминесцентной активностью обелина, так и способностью связывать иммуноглобулины G, что было продемонстрировано в биолюминесцентном иммуноанализе для IgG кролика, мыши и человека, а также при анализе иммуноглобулинов к возбудителю туберкулеза в плазме крови человека (лаборатория фотобиологии).

Показана возможность использования наноалмазов, полученных взрывным синтезом, для выделения рекомбинантного апообелина из экстрактов E. coli. Предлагаемый метод прост в исполнении, не требует много времени и специального хроматографического оборудования, позволяет получить белок высокой степени чистоты. Обнаружено свойство наночастиц адсорбировать белковые молекулы. Используя высокоочищенный рекомбинантный апообелин удалось получить комплекс наноалмаз-белок d--Al₂O₃, в котором частицы наноалмаза достаточно равномерно распределяются на поверхности частиц оксида алюминия. Это является предпосылкой для создания сложных композитов, состоящих из сильно отличающихся по химической природе и физическим свойствам частиц, где белок является "сшивающим" агентом. Механизм наблюдаемого явления сорбции апообелина и других белков пока не понятен и будет являться предметом дальнейших перспективных исследований (лаборатория фотобиологии совместно с аналитической лабораторией

Развиты методы сравнения символьных последовательностей путём сравнения их частотных словарей и построения классификации символьных последовательностей по преобразованным частотным словарям. Классификация строилась методом динамических ядер. Построение классификации на множестве 16S РНК показало высокую степень скоррелированности между классификацией по преобразованным частотным словарям и естественной таксономией. Разработан, оттестирован и верифицирован комплекс программ изучения статистических свойств символьных последовательностей (лаборатория экологической биотехнологии).

Показано что данный подход является полезным и информативным. Выяснено, что колония является популяцией определенным образом организованных клеток. Исследования проводились в стандартных условиях выращивания колоний на твердой среде. Впервые исследованы колонии монокультур и модельного бинарного бактериального сообщества. Исследованные колонии представлены набором различающихся по структуре клеток, которые имеют определенную пространственную локализацию и ориентацию, характерную для каждого изученного объекта. Приведены схемы структурной организации изученных бактериальных колоний (аналитическая лаборатория совместно с сектором биотехнологии).

В области биотехнологии новых материалов изучены закономерности микробного синтеза разрушаемых биополимеров (полиоксиалканоатов) и показано их участие в процессах репарации клеток Найдены управляющие факторы среды, влияющие на состав и отдельные свойства полимеров. Методами ЯМР и ЭПР высокого разрешения выявлены причины радиационной устойчивости полимеров проведены уникальные измерения СВЧ-диэлектрической проницаемости, свидетельствующие о перспективах применения полимеров в радиоэлектронике (лаборатория хемоавтотрофного биосинтеза).

Выявлено существование негативного эндогенного контроля пролиферации клеток в культуре. Впервые сформулировано положение о том, что главным условием возникновения состояния готовности клеток к переходу в митотический цикл является снижение уровня внутриклеточных ингибиторов пролиферации. Обнаружено новое явление: ингибиторы биосинтеза белка при кратковременном воздействии на покоящиеся клетки могут, подобно факторам роста, стимулировать переход в митотический цикл (теоротдел).

Выдвинуто и экспериментально доказано фундаментальное положение о несовпадении спектральной эффективности фотосинтеза отдельного листа и фитоценоза. Установлено наличие видовой специфики реакции растений на спектральный состав фотосинтетически активной радиации (ФАР). В исследованиях используются тест-методы неповреждающей оценки физиологического состояния растений на основе явления гуттации, методами замедленной индукции и термоиндукции флуоресценции, оцениваются тонкие функциональные и структурные изменения в фотосинтетическом аппарате растений, предшествующие процессам фотоингибирования (лаборатория управления биосинтезом фототрофов).

Методами газиметрического анализа исследуются особенности протекания окислительно-восстановительных процессов при различных режимах облучения растений. Установлена высокая чувствительность светового дыхания к изменению спектрального режима облучения растений и ведутся исследования по детализации механизма этого явления. Изучается роль линейчатой структуры видимого излучения источников света в процессах фоторегуляции у растений. Показано, что различное расположение резонансных линий излучения в спектрах ламп может существенно изменить фотобиологическую эффективность ФАР. На основе разработки биофизических представлений о фитоценозе как приемнике оптического излучения предложены методы оценки спектральной эффективности фитоламп (лаборатория управления биосинтезом фототрофов).

Экспериментально подтверждено выдвинутое представление о несовпадении спектральной эффективности фотосинтеза отдельного листа и фитоценоза. Продемонстрировано наличие видовой специфики реакции растений на спектральный состав ФАР и установлено, что увеличение облученности эффективно снижает негативное воздействие повышенных температур на фотосинтетический аппарат высших растений (лаборатория управления биосинтезом фототрофов).

Выявлены характерные участки кривой зависимости СО₂- газообмена фитоценозов (на примере редиса и пшеницы) от длительности действия повреждающих температур (35 и 45⁰ С), позволяющие предсказать момент перехода обратимых функциональных изменений фотосинтетического аппарата в его необратимые структурные повреждения. Установленные закономерности могут быть использованы для оперативного контроля за состоянием фитоценозов в условиях действия повышенных температур (лаборатория управления биосинтезом фототрофов).

Показана возможность поддержания многократного рецикла (до 5) вещества в искусственной экосистеме: высшие растения- грибы- черви- микроорганизмы. Функционирование искусственной системы реализовывалось благодаря свойству системы регенерировать почвоподобный субстрат из растительной биомассы без внесения косного вещества (лаборатория экологической биотехнологии совместно с МЦ ЗЭС).

Разработаны методы синтеза и получены устойчивые сообщества бактерий и простейших для деградации смешанных органических субстратов. Показано, что простейшие инициируют образование биогенной взвеси и распределение трансформации органики по путям минерализации и депонирования в осадках (лаборатория экологической биотехнологии).

Разработаны основы биотехнологического выщелачивания концентратов золото-мышьяковистых руд и высокосернистых углей (лаборатория экологической биотехнологии).

Получены изоляты микроорганизмов, отличающихся повышенной способностью к переносу фосфора и калия из малорастворимых неорганических соединений в подвижные формы. Показано, что при участии выделенных микроорганизмов увеличивается доступность фосфора из фосфоритов в почвенной системе (лаборатория экологической биотехнологии).