|
Результаты работы института в 2009 г.
В 2009 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 2009 году закончены исследования по шести бюджетным проектам НИР Института на период 2007-2009 гг. зарегистрированным 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 (ИБФ). Рег.№ 01.200703094.
1. Впервые выполнена оценка роли индивидуальных миграций зоопланктона в
замыкании цикла биогенных элементов в стратифицированном водоеме на примере
озера Шира. В экспериментах с выделенными объемами in situ зафиксированы
асинхронные индивидуальные вертикальные миграции доминирующего в озерах
Шира вида зоопланктона Arctodiaptomus salinus. Выполнена оценка потока
биогенных элементов из миксо- в монимолимнион (биогенные элементы "теряемые"
пелагической системой) в озере Шира. В летний период времени скорости
седиментации составили: органического углерода 122±-2.9 мг * м2
* сут.-1, азота 9.9±-0.5 мг * м2 * сут.-1,
фосфора 3.0±-0.3 мг * м2 * сут.-1.
С использованием разработанной математической модели верифицированной по данным мониторинга и проведенных экспериментов выполнена суммарная оценка потоков биогенных элементов генерируемых индивидуальными миграциями зоопланктона между гидродинамически разделенными гипо- и эпилимнионом. Для озера Шира они составили: органического углерода 13 мг ? м2 ? сут.?1, азота 2 мг ? м2 ? сут.?1, фосфора 0.2 мг ? м2 ? сут.?1.
Таким образом, поток биогенных элементов, генерируемый индивидуальными миграциями зоопланктона, составляет примерно 10% от потока теряемого пелагической системы в результате оседания в аноксигенный гиполимнион. (лаб. биофизики экосистем, член-корр. А.Г. Дегерменджи)
2. Впервые оценены экологические последствия одновременной передачи по трофической водной цепи полезных и вредных для человека химических веществ. Выведена формула для количественной оценки соотношения риск/польза (Р/П) при потреблении человеком продукта, содержащего незаменимые полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК) и тяжёлые металлы:
где REFA (мг * сут.-1) – рекомендованная персональная доза ПНЖК, c
(мкг*г-1) – концентрация конкретного металла в потребляемом виде рыбы,
С (мг *г-1) – содержание ПНЖК в потребляемом виде рыб, RfD
(мкг * кг-1 * сут.-1) – референтная доза (максимальное безопасное количество данного металла, которая может быть потреблена человеком в сутки без риска для здоровья), AW (кг) – средний индивидуальный вес взрослого человека.
Соотношение Р/П использовано на примере изучения хариуса сибирского (Thymallus arcticus) из р. Енисей. Установлено, что хариус из незагрязнённого участка реки выше г. Красноярска потенциально является ценным для здоровья человека пищевым продуктом, за исключением отдельных случаев, в которых обнаружено повышенное содержание хрома в мышечной ткани рыб. Полученные данные доказывают необходимость регулярного мониторинга химического состава промысловых рыб, проводимого, как минимум, ежемесячно. (Институт биофизики СО РАН, лаб. экспериментальной гидроэкологии, д.б.н. М.И. Гладышев).
Проект 6.5.1.3. Механизмы катализа в биолюминесцентных реакциях четырех типов светящихся организмов (бактерии, кишечнополостные, черви, светляки): общие закономерности и различия. № 01.200703093
Клонированы и охарактеризованы гены, кодирующие люциферазу, зеленый флуоресцентный белок и Са2+-зависимый целентеразин-связывающий белок (СВР) и являющиеся необходимыми компонентами биолюминесцентной системы коралла Renilla muelleri. С разрешением 1.7 и 1.8 A определены кристаллические пространственные структуры СВР, связанного с целентеразином, и апо-СВР, связанного с ионами кальция. Результаты данных фундаментальных исследований являются основой для создания новых биолюминесцентных репортерных систем для визуализации внутриклеточных молекулярных процессов in vivo, которые могут найти применение в клеточной биологии, медицине, биотехнологической и фармакологической промышленности. (Институт биофизики СО РАН, лаб. фотобиологии, к.б.н. Е.С. Высоцкий)
Кристаллическая структура Cа2+-зависимого целентеразин-связывающего белка из Renilla muelleri. Целентеразин показан в центре молекулы. (Б) Кристаллическая структура СВР с увеличением в районе 6-(п-гидрокси)-фенильной группы целентеразина. Молекулы воды показаны в виде сфер красного цвета. (В) Выравненные аминокислотные последовательности CBP и обелина. Цветные цилиндры соответствуют ?-спиралям на панели (А). Цилиндры серого цвета I-IV соответствуют «EF-hand» петлям.
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
В модельных экспериментах in vitro впервые исследована возможность создания систем адресной доставки веществ на основе модифицированных наноалмазов (МНА). С помощью адсорбции и ковалентной иммобилизации на поверхности МНА маркерных биомолекул (BSAI125, IgGI125, RAM) получены комплексы наноалмаз-маркерный белок (белки). Показано, что комплексы наноалмаз-IgGI125, полученные с помощью адсорбции белка, не обладают стабильностью в цельной сыворотке крови, что сопровождается десорбцией маркера (Рис. 1). С помощью ковалентной иммобилизации белков получены комплексы наноалмаз-IgGI125 и RAM-наноалмаз-BSAI125. Установлено, что оба комплекса: обладают стабильностью (десорбции маркеров не наблюдается) (Рис. 1) и высокой коллоидной устойчивостью в сыворотке крови. Показано, что комплекс RAM-наноалмаз-BSAI125 специфически связывается с антигеном-мишенью (IgGm), иммобилизованным на матрице Sepharose 6В (Рис. 2). Полученные результаты открывают новые перспективы применения наноалмазов для конструирования систем адресной доставки веществ in vivo (например, лекарственных препаратов) к биологическим мишеням. (Институт биофизики СО РАН, лаб. бионанотехнологии и бактериальной биолюминсценции, д.б.н. В.С. Бондарь).
Гипотетическая схема создания системы адресной доставки веществ с использованием МНА в качестве носителя: BSAI125 – маркерная биомолекула (прототип молекулы доставляемого вещества), RAM – антитела кролика к антителам мыши (прототип молекулы лиганда), IgGm – иммуноглобулины мыши (прототип рецепторной молекулы биологической мишени), matrix – матрица (гранулы Sepharose 6B).
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.
Получено экспериментальное подтверждение интенсификации процессов окисления органического вещества в замкнутых экологических системах при повышении глобальной температуры. Разработана экспериментальная миниэкосистема (МЭС) «Биота» функционирующая в стационарном режиме с высокой степенью замкнутости внутренних круговоротных процессов. Резкое (в течение часа) повышение температуры с 17°С?1? до 23?С?1? привело к быстрому повышению концентрации углекислого газа в системе (рис. 1А). Интенсивность окислительных и восстановительных процессов в системе выровнялась только через 5 суток после повышения температуры. При этом углекислотный компенсационный пункт (УКП) системы в целом возрос с 193 ppm до 480 ppm. Оценки интенсивности фотосинтеза по динамике СО2 после включения освещения в предварительно затемненной системе (рис 1Б) и значения УКП в системе до и после повышения температуры позволяют вычислить интенсивность дыхания системы в целом для этих двух случаев. Показано, что при повышении температуры МЭС на 5ОС суммарная интенсивность дыхания системы возросла более, чем в два раза. (Институт биофизики СО РАН, лаб. теоретической биофизики, д.б.н. С.И. Барцев, лаб. управления биосинтезом фототрофов, д.б.н. А.А. Тихомиров)
Кривые изменения концентрации СО2 сразу после повышения температуры (А) и (Б) сразу после включения света в предварительно выдержанной в темноте системе: д) – до повышения и п) – после повышения температуры. На рисунке приведены аппроксимационные уравнения, позволяющие вычислить производную – скорость фотосинтеза.
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
1. В Институте биофизики СО РАН впервые в качестве потенциальных продуцентов биоразрушаемых полимеров исследована новая группа микроорганизмов – светящиеся бактерии из коллекции Института. Изучено 33 штамма, относящихся к четырём видам – Photobacterium leiognathi, Photobacterium phosphoreum, Vibrio harveyi и Vibrio fischeri.
Способность к синтезу ПГА обнаружена у большинства исследованных штаммов. Среди исследованных микроорганизмов наиболее значительные количества полимеров синтезировали штаммы Ph. leiognathi (до 71% от биомассы), а также отдельные представители V. harveyi (до 59%). Среди представителей трех видов – Ph. leiognathi, V. harveyi и V. fischeri – выявлены продуценты гетерогенных ПГА, включающих, помимо гидроксибутирата, также гидроксивалерат и гидроксигексаноат. 8 штаммов светящихся бактерий рекомендованы в качестве новых эффективных продуцентов ПГА. (Институт биофизики СО РАН, лаб. хемоавтротрофного биосинтеза, д.б.н. Т.Г.Волова)
2. С целью расширения спектра биоразрушаемых полигидроксиалканоатов (ПГА) с использованием метаболической регуляции биосинтеза клеточных макромолекул при ингибировании пути бета-окисления впервые синтезировано семейство многокомпонентных ПГА природными штаммами Ralstonia, содержащих, помимо гидрокибутирата и гидроксивлаерата в качестве макровключений (до 50 мол.%) мономеры гидроксигексаноата. Установлено, что многокомпонентные ПГА характеризуются высокой биосовместимостью, а включения гексаноата снижают кристалличность и температурные характеристики полимера, улучшая технологические свойства. Разработанные из ПГА экспериментальные модели трубчатых эндопротезов и противоспаечных барьерных мембран допущены к клиническим испытаниям для эндобилиарной хирургии на базе кафедры общей хирургии Красноярского государственного медицинского университета им. проф. Войно-Ясенецкого. (Институт биофизики СО РАН, лаб. хемоавтротрофного биосинтеза, д.б.н. Т.Г.Волова)
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), Эффект обусловлен ограничением скоростей преобразования в ППС из иммобилизованных форм N, P и Ca в доступные для питания растений формы, что лимитирует увеличение синтеза ассимилянтов с ростом уровня облученности. Показано, что депонирование углерода в замкнутом биотическом цикле: «ППС – растения» возможно при дисбалансе циклов азота и углерода вызванного поступлением в биосистему избыточного углерода. Полученные результаты выявили принципиальные ограничения использования почвоподобных субстратов для БЗЭС. (Институт биофизики СО РАН, лаб. управления биосинтезом фототрофов, д.б.н. А.А. Тихомиров)
|
