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.