Физико-химические механизмы и математическое моделирование биологических процессовНИР

Physico-chemical mechanizms and mathematical modeling of biological processes

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Физико-химические механизмы и математическое моделирование биологических процессов
Результаты этапа: В ходе выполнения работ усовершенствованы разработанные ранее и созданы новые детальные и упрощенные кинетические модели электронного транспорта и сопряженных энергопреобразующих процессов в клетках микроводорослей. Сравнительный анализ результатов моделирования с экспериментальными данными спектрофотометрии позволил идентифицировать участки фотосинтетической цепи, на которых происходят изменения в процессе роста культуры в благоприятных условиях и в условиях минерального голодания в биофотореакторе при выращивании микроводорослей при разных режимах освещения с целью получения биоводорода и других целевых продуктов. Объединение кинетических моделей электронного транспорта со стехиометрическими потоковыми моделями метаболических процессов в клетке позволило на основании результатов моделирования проследить, как меняется распределение метаболических потоков в условиях серного голодания. Была проведена оптимизация выхода водорода и выявлены те стадии центрального метаболизма, генетические модификации которых могут привести к активизации процесса выделения водорода. Реализован новый подход к моделированию процессов переноса электронов в больших ансамблях фотосинтетических цепей с помощью кинетического метода Монте Карло, в котором взаимодействие компонентов цепи задается определенными правилами (“rule-based”). Продолжены работы по броуновскому моделированию процессов взаимодействия белков в субклеточных системах. Разработана конкурентная модель взаимодействия ферредоксина с акцеторами: ферредоксин-НАДФ-редуктазой и гидрогеназой при переключении метаболизма клетки на путь выделения молекулярного водорода. Изучена роль электростатических взаимодействий в ходе формирования белок-белкового комплекса. Построены молекулярные модели и выполнены расчеты молекулярной динамики для изучения физико-химических механизмов конформационной подвижности фотосинтетических белков и их комплексов, липополисахаридов и микротрубочек. По результатам работы опубликовано 6 статей и 12 тезисов докладов.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Физико-химические механизмы и математическое моделирование биологических процессов
Результаты этапа: Разработаны детальные кинетические и Монте Карло модели процессов преобразования энергии в фотосинтетической мембране. С помощью этих моделей выясняются детали организации фотосинтетической электрон-транспортной цепи автотрофных организмов в различных условиях освещения, в присутствии ингибиторов, в условиях голодания. Проведено исследование функционирования фотосинтетического аппарата ряда культур микроводорослей при действии стрессовых факторов. Проведен математический анализ полученных индукционных кривых с помощью разработанной нами редуцированной модели ФС2. Показано, что изменение скорости переноса электрона на донорной стороне ФС2 существенно влияет на форму индукционных кривых, полученных при действии диурона. Получены оценки кинетических параметров переноса электрона на донорной стороне ФС2 в норме и при недостатке азота в среде. Методами броуновской и молекулярной динамики исследован механизм образования комплекса мобильного переносчика электрона пластоцианина с цитохромом f из двух видов цианобактерий (Phormidium и Nostoc) и высших растений. Показано, что формирование электрон-транспортного комплекса этих белков у цианобактерий и высших растений происходит по разным сценариям. У высших растений пластоцианин в произвольной ориентации приближается к реакционному центру цитохрома f, и только после сближения происходит его ориентирование относительно реакционного партнера.Созданы крупнозернистые молекулярно-динамические модели ЛПС мембраны бактерии P. aeruginosa и металлофталоцианина цинка (ZnPcChol8+). Эти модели были использованы для исследования молекулярных деталей взаимодействия между фталоцианином и ЛПС мембраны бактерии. Результаты моделирования выявляют подробный молекулярный механизм «самоиндуцированного проникновения» молекул ZnPcChol8+ в бактериальную мембрану. Созданы полноатомные молекулярно-динамические модели участка микротрубочки с целью изучения деталей механизмов отделения протофиламентов.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Физико-химические механизмы и математическое моделирование биологических процессов
Результаты этапа: Созданные в ходе выполнения темы кинетические и Монте Карло модели использованы для оценки состояния фотосинтетического аппарата микроводорослей и высших растений. С целью анализа большого массива экспериментальных кривых индукции флуоресценции, автоматически регистрируемых в ходе роста культуры в биофотореакторе, разработаны экспресс-методы оценки влияния факторов стресса на растущую культуру микроводорослей. Метод мультиэкспоненциального анализа и нейросетевые методы применены для характеристики культур, голодающих по азоту и фосфору, используемых в биотехнологии для получения целевых продуктов. С помощью методов молекулярного и броуновского моделирования изучены механизмы взаимодействия белков в субклеточных системах. Построены молекулярные модели и изучена роль электростатических взаимодействий в образовании реакционных комплексов электрон-транспортных белков различных организмов при фотосинтезе и дыхании. Построены молекулярные модели конформационных движений тубулина микротрубочек и взаимодействия металлофталоцианидов, применяемых для визуализации флуоресценции и фотодинамической терапии, с бактериальной мембраной.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Физико-химические механизмы и математическое моделирование биологических процессов
Результаты этапа: Выполнены работы по моделированию процессов в биологических системах на субклеточном и молекулярном уровне с использованием ряда методов математического и компьютерного моделирования. Данные флуоресценции и других методов регистрации изменений в фотосинтетическом аппарате в сочетании с методами математического моделирования были использованы для экспресс-оценки изменений в метаболизме фотосинтезирующих организмов, в частности, микроводорослей, в ходе выращивания культуры микроводорослей для получения целевого продукта (молекулярного водорода, обогащенной липидами биомассы и др.). Методы автоматической регистрации и обработки с помощью математических моделей больших массивов экспериментальных данных позволили определять изменения в фотосинтетическом аппарате фотосинтезирующих организмов в процессе роста, при воздействии стресса, что важно для целей биотехнологического производства и экологического мониторинга. Для этого использованы кинетические модели разной степени детализации, а также потоковые модели для описания сопряжения процессов фотосинтеза и процессов в метаболических сетях. Броуновские и молекулярные модели использованы для описания процессов взаимодействия антисептиков с модельной плазматической мембраной и процессов сборки и расплетения микротрубочек. За 2019 г. опубликовано 54 работы, из них 9 статей в научных журналах, 8 статей в сборниках научных трудов, 37 тезисов докладов на международных и российских научных конференциях.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Физико-химические механизмы и математическое моделирование биологических процессов
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".