Молекулярно-кинетические механизмы регуляции в биологических, в том числе, фотоэлектрических и фотоинформационных системахНИР

Molecular-kinetic mechanisms in biological regulation including photovoltaic and fotoinformatsion systems

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Молекулярно-кинетические механизмы регуляции в биологических, в том числе фотоэлектрических и фотоинформационных системах
Результаты этапа: Выполнены новые исследования внутримолекулярной динамики фотосинтетического белка РЦ пурпурных бактерий, свидетельствующие, что световая активация РЦ приводит к локальным изменениям микроокружения триптофанилов в структуре РЦ, что может фиксироваться замораживанием РЦ на свету. Исследования эффективности тушения флуоресценции хлорофилла антенны фотосистемы 2 нейтральными и окисленными реакционными центрами показали, что длительность компонента флуоресценции связанного с миграцией энергии из антенны в РЦ ощутимо сокращается после накачки ФС 2 мощным импульсом света в результате более эффективного тушения флуоресценции. Высокая эффективность тушения флуоресценции антенны окисленным пигментом ФС 2 обеспечивается комбинацией ориентационного фактора и интеграла перекрывания спектров флуоресценции донора и поглощения акцептора. Были исследованы регуляторные изменения вязкости фотосинтетических мембран цианобактерий при адаптации к пониженным температурам. Получен и охарактеризован новый мутант оранжевого каротиноидного белка (ОСР) с заменой триптофана-288 на аланин, что позволило решить проблему изучения свойств термодинамически нестабильной красной формы ОСР и создать гибридные конструкции на основе этого белка и ряда флуоресцентных красителей. Теоретическое изучение взаимодействия центра электронной локализации в конденсированной среде (молекулы донора) с окружением показало, что релаксационная динамика среды, которая существенно зависит от температуры, может опосредованно влиять на вероятность туннельного переноса электрона. Исследование температурной зависимости безизлучательного переноса энергии от КТ (CdSe/ZnS) к коньюгированным с ними РЦ пурпурных бактерий свидетельствует о низкотемпературном увеличении эффективности переноса энергии, обусловленном, очевидно, температурной иммобилизацией гибридных структур. Исследование процессов миграции энергии в гибридных комплексах КТ (CdSe/ZnS) и замещенных фталоцианинов алюминия (ФЦ) показало, что использование КТ в качестве искусственной антенны для ФЦ оправдано тогда, когда соотношение молекул акцептора энергии, приходящихся на 1 молекулу донора (КТ) не превышает 10-15. Проведено сравнительное изучение первичных процессов фотосинтеза у мутанта способных к фотоиндуцированному выделению водорода зеленых микроводорослей Chlamydomonas reinhardtii CC400 без клеточной стенки и дикого типа СС125 в стандартных условиях и при недостатке магния для исследования взаимосвязи между процессами регуляции фотосинтеза и биопродукцией целевых продуктов (в том числе водорода), для выбора штаммов, характеризующихся высокими выходами водорода в биореакторе. Исследованы хлоропластные белки клеток С. reinhardtii, выращенных на полной среде и среде без магния. Показано, что при недостатке серы и магния имеются различия в динамике изменения содержания белков в процессе голодания. Фотосистема 1 для обоих вариантов повреждается меньше чем фотосистема 2.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Молекулярно-кинетические механизмы регуляции в биологических, в том числе фотоэлектрических и фотоинформационных системах
Результаты этапа: В рамках фундаментальных исследований по теме работы и в соответствии с техническим заданием были получены новые данные, расширяющие представления о молекулярно-кинетических механизмах регуляции в биологических, в том числе, фотоэлектрических и фотоинформационных системах. Проведено исследование первичных процессов миграции энергии и переноса электрона в ФСII, встроенных в матрицу на основе трегалозы. Проведено исследование спектрально-кинетических характеристик ОСР при его ковалентном связывании с флуоресцентными метками. Изучена динамика реорганизации структуры OCP при его ковалентном связывании с различными флуоресцентными метками. исследована фотодинамическая активность ковалентно связанных фталоцианинов цинка и алюминия с полупроводниковыми квантовыми точками Исследованы эффекты УФ излучения на структурные и функциональные свойства РЦ пурпурных бактерий в пленочных образцах, включая различные стабилизаторы структуры белка. Получены новые данные о физических механизмах первичных реакций переноса заряда в природных фоточувствительных белках и отработаны подходы для формирования прочных комплексов из КТ и белков с высокоэффективным переносом энергии светового возбуждения. Исследована связь констант электронного переноса в структуре РЦ с локальной молекулярной динамикой. Предложена модель конформационной перестройки системы водородных связей в локальном окружении вторичного хинона Проведен анализ конформационного состояния РЦ и его взаимодействий с липидным окружением на основе данных молекулярной динамики. Исследована физиологическая роль гидрогеназы в зеленой микроводоросли C. reinhardtii в условиях минерального голодания в связи с проблемой биопродукции Н2. Изучена возможность использования наночастиц для увеличения биопродукции целевых продуктов, в том числе водорода. Предложен простой и надежный способ эффективной конъюгации полупроводниковых наночастиц с белковыми макромолекулами на основе координационного взаимодействие гистидинов с ионами Zn на поверхности КТ и дополнительной дисульфидной связи цистеина с серой ZnS оболочки. Выявлены различия в среднем времени жизни флуоресценции триптофановых остатков в замороженных в темноте или на активирующем свету фотосинтетических реакционных центрах пурпурных бактерий, свидетельствующие о генерализованном характере индуцируемых светом структурно-динамических изменений РЦ.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Молекулярно-кинетические механизмы регуляции в биологических, в том числе фотоэлектрических и фотоинформационных системах
Результаты этапа: Исследовано влияние ионной силы на стабильность и процессы миграции энергии в гибридном комплексе на основе полупроводниковых квантовых точек и замещенных фталоцианинов алюминия. Мы показали, что электростатическое взаимодействие в гибридном комплексе КТ-ФЦ достаточно велико, поскольку увеличение ионной силы раствора до физиологических значений (0,15-0,2 М) не нарушает стабильность комплекса К Т-ФЦ; кроме того, наличие ионов NaCl в растворе способств ует усилению эффективности миграции энергии в комплексе. Тем не менее, поведение комплекса КТ-ФЦ во внутренней среде организма остается интересным вопросом, поскольку влияние многих видов органических и неорганических ионов, а также белковой фракции на фотодинамические свойства гибридных комплексов все еще достаточно слабо изучено. Были проанализированы изменения спектральных свойств ФЦ при образовании комплекса с КТ в отсутствие миграции энергии. При этом наблюдалось уменьшение интенсивности флуоресценции фталоцианина, причем величина снижения определяется как размером квантовой точки, так и количеством положительных зарядов на периферии макроцикла молекулы ФЦ. Последнее возможно лишь в том случае, когда молекула ФЦ взаимодействует с поверхностью КТ большинством своих боковых заместителей. Это находит подтверждение в экспериментах по изучению кинетик анизотропии ФЦ, где при установлении равновесия в растворе не наблюдается собственного вращения ФЦ на поверхности КТ. Вероятно, уменьшение интенсивности флуоресценции ФЦ может быть связано с изменением конформационного состояния молекулы ФЦ при адсорбции на поверхность КТ. Поскольку выраженность изменения конформационного состояния ФЦ определяется силой электростатического притяжения ФЦ к квантовой точке, увеличение ионной силы раствора приводит к ослаблению электростатического взаимодействия и частичному восстановлению спектральных характеристик ФЦ. Установленные зависимости величины миграции энергии от качественного и количественного состава комплексов КТ-ФЦ в значительной степени способствуют созданию гибридных комплексов с улучшенными фотофизическими и фотохимическими характеристиками. Согласно нашим данным, использование квантовых точек в качестве искусственных антенных комплексов для молекул ФЦ оправданно лишь тогда, когда соотношение молекул акцептора энергии, приходящихся на одну молекулу донора энергии (КТ), не превышает 10-15. Дальнейшее увеличение числа молекул ФЦ приводит к падению интенсивности их флуоресценции вследствие концентрационного тушения и неспособности КТ обслуживать большое число акцепторов энергии. Экстремально низкие соотношения [ФЦ]/[КТ] также оказываются невыгодными, т.к. при этом эффективность миграции энергии в гибридном комплексе составляет порядка 20%; следовательно, используется не весь ресурс КТ как светосборщика.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Молекулярно-кинетические механизмы регуляции в биологических, в том числе фотоэлектрических и фотоинформационных системах
Результаты этапа: 1. С использованием современных методов спектрально-кинетической абсорбционной и флуоресцентной спектроскопии исследованы эффекты электростатического взаимодействия и ковалентного связывания на перенос энергии от водорастворимых отрицательно и положительно заряженных CdS/ZnS квантовых точек (КТ) с полимерным покрытием к фотосинтетическим реакционным центрам (РЦ) Rb. sphaeroides. Наблюдали более эффективный перенос энергии к РЦ от положительно заряженных КТ, что объясняется преимущественной локализацией положительно заряженных КТ на периплазматической поверхности РЦ, а отрицательно заряженных КТ – на цитоплазматической стороне, тогда как акцепторы энергии – порфирины расположены вблизи периплазматической стороны РЦ. Ковалентное связывание отрицательно заряженных КТ с РЦ не увеличивало эффективность переноса энергии к РЦ. 2. Изучение температурной зависимости эффективности миграции энергии от покрытых гидрофильной полимерной оболочкой КТ CdSe/CdS/ZnS с максимумом флуоресценции при 580 нм, на РЦ бактерий Rb. sphaeroides показало, что она практически постоянна в диапазоне температур от 100 до ~ 230-240 К, но затем снижается в 2,5-3 раза при дальнейшем росте температуры до 310 К. Анализ данной зависимости на основе теории Фёрстера свидетельствует, что основные изменения эффективности переноса энергии связаны с квантовым выходом флуоресценции КТ. Дополнительный вклад в эти изменения определяют процессы внутримолекулярной подвижности в системе КТ+РЦ. 3. Изучено взаимодействие между ап-конверсионными наночастицами и октакарбоксифталоцианином алюминия. Показано, что эффективность безызлучательного переноса энергии от наночастиц на фталоцианин возрастает с увеличением числа адсорбированных на наночастице молекул фталоцианина лишь до максимального соотношения ~150. При дальнейшем увеличении концентрации фталоцианина его сенсибилизированная флуоресценция уменьшается вследствие димеризации молекул красителя на поверхности наночастицы. В гибридном комплексе при инфракрасном (980 нм) лазерном облучении происходила генерация синглетного кислорода молекулами фталоцианина. Обнаруженные эффекты представляют интерес с точки зрения создания гибридных фотосенсибилизаторов с большой глубиной онкологического действия. 4. Было продолжено изучение механизмов протонного транспорта в протеородопсине бактерий Exhiguobacterium sibiricum (ESR). Исследование электрогенеза в мутанте К96А показало, что общая эффективность протонного транспорта снижается за счет обратных реакций. Для проверки гипотезы о том, что повышенная скорость реакций обратного протонного переноса может быть вызвана различным расположением акцептора протонов Asp85 в ESR по сравнению с таковым в бактериородопсине, был исследован фотоцикл и электрогенез в мутанте по остатку His57. Этот остаток тесно взаимодействует с Asp85 в ESR, но отсутствует в БР. Результаты, полученные на мутантах H57N и H57N/K96A, показали, что замена His57 на Asn приводит к замедлению скорости обратных реакций. При низком значении рН 4,5 эффективность электрогенеза в H57M резко снижается. Однако в двойном мутанте H57N / K96A он остается таким же высоким, как и в ESR дикого типа при нейтральном рН. Полученные результаты указывает на то, что при низком рН Lys96 не является эффективным донором протонов. Это позволяет предположить, что протонная помпа в ESR оптимизирована для среды с высоким рН. 5. Исследованы механизмы релаксационного отклика белковой матрицы на изменение редокс-состояния молекул первичного и вторичного хинонов в РЦ. 6. В результате изучения физиологических характеристик и функциональной активности штаммов зеленой микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii cc-5130 (мутант HydG без гидрогеназной активности) и контрольного сс-4425 можно предположить, что наличие активной гидрогеназы положительно сказывается на функционировании фотосинтетической электронтранспортной цепи, но в выживании клеток C. reinhardtii при недостатке серы могут существенную роль играть также темновые процессы метаболизма. Наноалмазы могут быть использованы в качестве антиоксидантов в условиях, индуцирующих образование супероксидного радикала в клетках. Этот вывод сделан в результате изучениея действия наноалмазов на клетки штамма сс-400 Chlamydomonas reinhardtii с редуцированной клеточной стенкой.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Молекулярно-кинетические механизмы регуляции в биологических, в том числе фотоэлектрических и фотоинформационных системах
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".