ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Изучение физико-химических механизмов фотосинтеза и других биологических процессов с применением методов математического моделирования на молекулярном и субклеточном уровне. Фундаментальной задачей является выяснение механизмов регуляции клеточных реакций. Решение этих задач предполагает использование комплекса экспериментальных и математических методов. Будет проведена разработка методологии комплексного использования теоретических методов, компьютерного моделирования и информационных технологий для анализа экспериментальных данных на примере первичных процессов фотосинтеза, внутриклеточного транспорта и действия лекарственных препаратов на болезнетворные организмы.
The fundamental task is to elucidate the mechanisms of regulation of cellular reactions in the process of photosynthesis. A fundamental problem is the optimization of the conditions for obtaining biofuels. The solution to these problems involves the development and integration of the models and methods we have developed. The construction and study of detailed models of the primary photosynthesis reactions will be continued using kinetic modeling methods and Markov processes (agent models), which will make it possible to build a detailed system of photosynthetic electron transfer reactions and associated energy transformation processes in the thylakoid membrane and verify it using experimental data. Simulation of protein-protein interactions by molecular and Brownian dynamics will be carried out. The effect of ionic strength, pH of the solution, and a number of point mutations on the change in the rate of interaction of the proteins involved in the primary photosynthesis reactions and the associated hydrogen evolution reactions will be evaluated, which will allow us to estimate the optimal conditions for the hydrogen output. The development of a flow model of central plant cell metabolism will continue, based on the description of quasistationary states of metabolic reactions and using the apparatus of linear algebra. In combination with the developed kinetic models of photosynthetic reactions, such a model will allow us to describe the interaction of processes of different hierarchical levels: photosynthetic electron transport and the synthesis and decomposition of hydrocarbons and other important metabolites, such as amino acids and lipids, necessary for cell life, which are also targeted products in biotechnological problems of biofuel production.
Будет продолжено построение и исследование детальных моделей первичных реакций фотосинтеза методами кинетического моделирования и с помощью марковских процессов (агентные модели), что позволит выстроить подробную систему фотосинтетических реакций переноса электрона и сопряженных процессов трансформации энергии в тилакоидной мембране и верифицировать ее по экспериментальным данным. Будет осуществлено моделирование белок-белковых взаимодействий методами молекулярной и броуновской динамики. Будет оценено влияние ионной силы, pH раствора и ряда точечных мутаций на изменение скорости взаимодействия белков, участвующих в первичных реакциях фотосинтеза, и связанных с ними реакциях выделения водорода, что позволит оценить оптимальные условия выхода водорода. Будет продолжено развитие потоковой модели центрального метаболизма растительной клетки, основанной на описании квазистационарных состояний метаболических реакций и использующей аппарат линейной алгебры. В сочетании с развиваемыми кинетическими моделями фотосинтетических реакций такая модель позволит описать во взаимодействии процессы разных иерархических уровней: фотосинтетический электронный транспорт и синтез и распад углеводородов и других важнейших метаболитов, таких как аминокислоты и липиды, необходимых для жизнедеятельности клетки, которые в то же время являются целевыми продуктами в биотехнологических задачах получения биотоплива
Построена иерархическая модель растительной клетки, объединяющая процессы центрального метаболизма и первичные реакции фотосинтеза. Модель применена для описания трансформации метаболизма клеток микроводорослей при дефиците элементов минерального питания. Детальная модель переноса электрона в ФС2 использована для изучения характеристик проб водоросли Chlorella для разных стадий роста в биофотореакторе. C иcпользованием метода бpоуновcкой динамики воспроизведена поcледовательноcть cобытий, пpедшеcтвующиx фоpмиpованию функционально-активного комплекcа белков плаcтоцианина и цитоxpома f, исследована роль электростатических взаимодействий.
госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию) |
# | 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: Построены и исследованы модели различного типа для изучения процессов на молекулярном и субклеточном уровне в ходе преобразования энергии при фотосинтезе и дыхании, а также модели взаимодействия антисептиков с бактериальной мембраной. Продолжены работы по изучению механизмов регуляции процессов в энергопреобразующих фотосинтетической и дыхательной мембранах с использованием кинетических, броуновских и молекулярных моделей. Разработан ряд методов для обработки больших массивов экспериментальных данных по регистрации флуоресценции с целью биотехнологического и экологического мониторинга. Изучены изменения характеристик фотосинтетического аппарата в ходе азотного и серного голодания. На основе предложенного ранее метода спектральной мультиэкспоненциальной аппроксимации разработан метод выделения информативного флуоресцентного сигнала из сильно зашумленных данных по индукции флуоресценции хлорофилла a. Предложена архитектура нейросетевой модели, предназначенной для выявления характерных изменений кривых индукции флуоресценции в процессе развития токсического стресса. На основе разработанных ранее крупно-зернистых молекулярных моделей катионных антисептиков разных химических классов (мирамистин, хлоргексидин, пиклоксидин, октенидин) изучено их взаимодействие с модельным бислоем, модифицированным кардиолипином. По результатам исследований опубликованы 1 монография и 12 статей в рецензируемых журналах, из них 4 в журналах, входящих в Q1. |
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".