Результаты работы института в 2010 г.

В 2010 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.

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

• 51 Биотехнология.

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

В 2010 году начаты исследования по шести бюджетным проектам НИР Института на период 2010-2012 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:

Направление исследований: 43 Экология организмов и сообществ

Проект: Влияние природных и антропогенных факторов на распределение и миграцию незаменимых биохимических компонентов, биогенных элементов и радионуклидов в трофических звеньях водных экосистем бассейна реки Енисей (№ гос.рег. 01201000936)

Установлено, что основное количество полиненасыщенных жирных кислот семейства омега-3 (ПНЖК), являющихся незаменимым компонентом питания водных беспозвоночных и рыб, в реке Енисей производится весенним - раннелетним холодолюбивым комплексом донных микроводорослей, развивающихся при температуре около 2-7 0С, тогда как летние и осенние микроводоросли продуцируют незначительные количества незаменимых ПНЖК. Таким образом, качество рыбопродукции р. Енисей в значительной степени зависит от весенней продукции микроводорослей, что необходимо учитывать при планировании режимов работы плотины Красноярской ГЭС (Институт биофизики СО РАН, д.б.н. М.И. Гладышев).

Направление исследований: 46 Структура и функции биомолекул и надмолекулярных комплексов.

Проект: Биолюминесцентные белки различных светящихся организмов: молекулярные механизмы функционирования и применение в биолюминесцентном микроанализе (№ гос.рег. 01201000940)

Клонированы кДНК гены, кодирующие светочувствительные Са2+-регулируемые фотопротеины из светящихся ктенофор Beroe abyssicola и Bolinopsis infundibulum и определены их нуклеотидные последовательности. Показано, что кДНК ген из Beroe abyssicola кодирует белок, состоящий из 208 аминокислотных остатков, с молекулярной массой 24,9 kDa, а кДНК ген из Bolinopsis infundibulum – белок, состоящий из 206 аминокислотных остатков, с молекулярной массой 24,5 kDa.

Анализ аминокислотных последовательностей показал, что фотопротеины ктенофор принадлежат к семейству Ca2+-связывающих белков «EF-hand» типа и имеют три Ca2+-связывающих сайта, аналогично фотопротеинам из гидромедуз и гидроидов (Рис. 1). Однако, фотопротеины ктенофор, весьма схожие между собой – идентичность их белковых последовательностей 85,8%, практически не имеют достоверной гомологии с фотопротеинами гидромедуз и гидроидов. Например, максимальная идентичность аминокислотных последовательностей наблюдается с фотопротеином обелином из гидроида Obelia longissima и составляет всего 29%, из которых большая часть совпадений аминокислотных остатков приходится на три Ca2+-связывающих сайта. Таким образом, можно сделать вывод, что первичные последовательности фотопротеинов ктенофор полностью отличаются от фотопротеинов гидромедуз и гидроидов и, следовательно, фотопротеины ктенофор являются новым типом Са2+-регулируемых фотопротеинов (Институт биофизики СО РАН, к.б.н., Высоцкий Е.С.)

Направление исследований: 50 Биофизика. Радиобиология. Математические модели в биологии. Биоинформатика.

Проект: Верификация минимальных теоретических биосферных моделей (совместно с малоразмерной моделью климата и спутниковыми данными по динамике хлорофилла) на основе детального моделирования почвенного дыхания и полевых данных (№ гос.рег. 01201000938)

С помощью математической модели, описывающей динамику концентрации углекислого газа в малой экспериментальной замкнутой экосистеме при различных возмущающих воздействиях на нее, выполнена оценка кинетических коэффициентов системы и показано, что при повышении температуры происходит превращение биоты в источник углекислого газа, связанное с возрастанием скорости дыхания и одновременным снижением константы скорости фотосинтеза.

В целях проверки гипотезы о смещении баланса потоков углерода в системе биота-атмосфера в сторону выделения углекислого газа при повышении температуры для оценки скоростей суммарного дыхания и фотосинтеза проведена серия экспериментов на экспериментальной замкнутой миниэкосистеме (МЭС) с возмущением стационарного состояния при различных температурах. Возмущение стационарного состояния осуществлялось выключением-включением освещения и импульсной подачей СО2 при наличии освещения. Анализ сложной динамики МЭС оказался возможным с помощью разработанной математической модели, учитывающей активацию дыхания растений в темноте и включающей внутренние (не измеряемые в эксперименте) переменные, описывающие динамику: 1) ключевого фермента фотосинтеза (предположительно RUBISCO) и 2) энергетического переносчика (предположительно глицеральдегид-3-фосфат). Расчеты показали, что при повышении температуры константа скорости фотосинтеза, характеризующая интегральное состояние фотосинтезирующего аппарата, уменьшилась в 1,7 раза, а общее дыхание возросло в 1,4 раза. (Институт биофизики СО РАН, член-корр. РАН А.Г.Дегерменджи).

Направление исследований: 51 Биотехнология.

Проект: Биотехнологический синтез резорбируемых полиэфиров и разработка научных основ применения (№ гос.рег. 01201000937)

Для выявления новых продуцентов биоразрушаемых полиэфиров (ПГА) проведен скрининг коллекции культур сине-зеленых водорослей (зарегистрирована во Всемирном центре баз данных микроорганизмов (WDCM) под № 936), выделенных из Красноярского водохранилища и притоков р. Енисей в 2007-2008 гг. Введены в культуру 22 альгологически чистых штамма цианобактерий, и исследован жирнокислотный состав экстрагируемых липидов – прекурсоров ПГА. Отобрана серия штаммов, аккумулирующих ПГА (Chroococcus limneticus, Phormidium subfuscum, Nostoc spongiaeforme и Trichormus variabilis), перспективных для дальнейших исследований в качестве продуцентов полимеров. (Институт биофизики СО РАН, д.б.н. Волова Т.Г.)

Направление исследований: 51 Биотехнология.

Проект: Создание новых материалов и разработка новых биотехнологий на основе наноалмазов и биомолекул разных классов, включая биолюминесцентные молекулярные системы. (№ гос.рег. 01201000939)

Посредством одновременной ковалентной иммобилизации глюкозооксидазы и пероксидазы на частицы наноалмазов, функционализированных бензохиноном, сконструирована тест-система индикации глюкозы. Установлено, что иммобилизованные ферменты сохраняют свою функцию, катализируют цепь последовательных биохимических реакций, приводящих к образованию окрашенного продукта (хинонимин) в ходе реакции окислительного азосочетания (перекись водорода - 4-аминоантипирин - фенол). Комплекс наноалмазы-ферменты может многократно (до 10 и более раз) использоваться для определения глюкозы in vitro. Полученная тест-система сохраняет свою функциональную активность в течение месяца хранения при +4oС. (Институт биофизики СО РАН, д.б.н. Бондарь В.С.)

Направление исследований: 53 Эволюционная, экологическая физиология, системы жизнеобеспечения и защиты человека.

Проект: Экспериментальное и теоретическое моделирование круговорота основных биогенных элементов и их соединений в замкнутой биологической системе жизнеобеспечения, включающей растения, искусственные субстраты и органические отходы (№ гос.рег. 01201000935).

Подобраны виды растений и организован разновозрастной конвейер из следующих культур: яровая пшеница линия 232 селекции Г.М. Лисовского, солерос европейский, чуфа, редис «Вировский белый» и салат «Московский». Отработаны технологии выращивания исследуемых культур с использованием 3 типов корневого питания: гидропонику на керамзите (для выращивания пшеницы), водную культуру (для солеросов), почвоподобный субстрат (ППС) (для овощных растений - чуфа, редис и салат). При этом в ППС периодически вносили несъедобную биомассу выращенных на нем растений, пшеницы и солеросов. В результате был организован массообменный процесс между фототрофным и гетеротрофным звеньями системы. С целью оптимизации массообменных процессов были определены продукционные, газометрические и другие физиологические характеристики культивируемых растений. Наибольшую продуктивность как в расчете на общую биомассу, так и на съедобную, показали растения чуфы (62,8 г*м-2*сут-1 23,6 г*м-2*сут-1 соответственно). Близкую продуктивность общей биомассы (около 30 г*м-2*сут-1) показали растения пшеницы и редиса. При этом продуктивность, оцениваемая по съедобной массе растений, у пшеницы оказалась в 2 раза, а у редиса в 1,5 раза ниже, чем у растений чуфы. Продуктивность съедобной биомассы растений салата близка к продуктивности растений пшеницы. Высокую продуктивность показали растения солероса. Сравнительная характеристика показателей внешнего газообмена растений, выращенных на гидропоники и на ППС, показаны на Рис. 1-4. У растений пшеницы максимум поглощения СО2 в расчете на м2 посева наблюдался в периоде между 28 и 42 сутками. В комплексе растений, выращенных на ППС, набольшее поглощение СО2, наблюдалось в комплексах ППС - ценозы редиса и салата в 28–суточном возрасте. У комплекса «растения чуфы – ППС» наблюдалось самое низкое видимое поглощение СО2, что связано с количеством внесенной в ППС несъедобной растительной биомассы. Выполненные исследования позволили сформировать согласованные по параметрам фототрофное и гетеротрофное звенья для БСЖО. (Институт биофизики СО РАН, д.б.н. А.А. Тихомиров)