Рабочий семинар
cектора информатики и биофизики сложных систем

2010 год

11.02.2010 Тютюнов Юрий Викторович (Лаборатория Математического Моделирования Биологических Процессов, Отдел Математических Методов в Экономике и Экологии, НИИ механики и прикладной математики им. Воровича И.И., Южный Федеральный Университет). Построение, исследование и приложения математических моделей пространственно-временной динамики популяционных систем (по материалам докторской диссертации)

Представлен подход к построению моделей “таксис–диффузия–реакция”, явно учитывающих пространственное поведение животных и обусловленные им механизмы потери устойчивости однородного пространственного распределения. Исследованы модели пищевых миграций и убегания-преследования в системе хищник-жертва, а также образования подвижных кластеров популяционной плотности агрегирующихся организмов.

Предложено новое решение парадокса биологического контроля. Показано, что индуцируемая таксисом неоднородность пространственного распределения системы хищник-жертва вызывает интерференцию хищников, т.е. зависимость трофической функции от их численности. С помощью непрерывной и индивидуум-ориентированной моделей изучена роль интерференции в стабилизации системы хищник-жертва.

Построена демо–генетическая модель пространственно–временной динамики диплоидной популяции, позволяющая обосновать стратегию “высокая доза – убежище”, рекомендуемую производителями ГМ инсектицидных культур для задержки развития устойчивости к токсину в популяции вредителя.

Разработаны имитационные модели долгосрочного прогноза динамики промысловых популяций. С учётом экономических и экологических критериев развиты рекомендации, касающиеся орудий и интенсивности промысла окуня (оз. Констанс), а также популяций тюльки, хамсы и судака (Азовское море).

18.02.2010 Болычевцева Юлия Владимировна (Институт биохимии им. А.Н.Баха РАН, лаборатория биохимии хлоропластов). Роль стромальных восстановителей в регуляции циклического транспорта электронов вокруг ФС I цианобактерий Synechocystis sp. PCC 6803

В настоящее время общепринято, что фотосинтетическая и дыхательная цепи переноса электронов в фотосинтетических мембранах цианобактерий имеют общие точки перекреста на уровне пластохининового пула и комплекса цитохромов b₆f. НАД(Ф)Н-дегидрогеназный комплекс дыхательной цепи, как и ФС II, может донировать электроны в пул пластохининов из стромы, а окисление цитохромов осуществляется не только ФС I, но и терминальными оксидазами. В связи с этим кинетика редокс превращений П700 регулируется потоком электронов не только от ФСII, но и из стромы.

Целью нашей работы было исследование зависимости кинетики редокс превращений П700 от уровня стромальных восстановителей в клетках дикого типа и мутантов Synechocystis, которые лишены дегидрогеназ или оксидаз. Уровень стромальных восстановителей клетки изменяли при их предварительном выдерживании 30 мин на свету (для накопления восстановителя) или в течение 2 ч в темноте (для истощения восстановителя), а также использованием ингибитора дыхания цианида калия или анаэробных условиий (система глюкоза-глюкозооксидаза-каталаза). Восстановление пластохинонов ФСII исключали диуроном, редокс превращения П700 измеряли с действующим светом 730 нм. Показано, что:

• даже у безоксидазного мутанта Synechocystis (лишен трех оксидаз, имеет очень низкий уровень дыхания и восстановленный пул пластохинонов) в анаэробных условиях окисление П700 существенно замедляется и ускоряется в аэробных условиях, что указывает на роль кислорода в качестве акцептора электронов от ФСI при избытке восстановителя;
• увеличение уровня стромальных восстановителей и снижение уровня акцептора (предположительно НАДФ⁺) существенно замедляет окисления П700 и ускоряет скорость темнового восстановления П700⁺ не только у дикого типа, но и у мутантов m55 и sdh, лишенных возвратной дегидрогеназы NDH-I и сукцинатдегидрогеназы, соответственно;
• кинетика редокс превращений П700 у мутантов m55 и sdh, лишенных дегидрогеназ, отражает скорее соотношение донор/акцептор в строме, нежели их непосредственное участие в цикле. Вероятнее всего, темновое восстановление П700⁺ в измеряемом цикле происходит главным образом в обратной реакции через ферредоксин и пластохиноны.

Полученные данные свидетельствуют о регуляции циклического транспорта вокруг ФСI соотношением донор/акцептор в строме.

04.03.2010 Бинги Владимир Николаевич (Институт общей физики им. А.М. Прохорова, РАН). Физические ограничения метода электропунктурной диагностики

Рассмотрены факторы, влияющие на воспроизводимость результатов медицинской диагностики методом электроакупунктуры по Фоллю. Приведены результаты теоретических оценок, лабораторных испытаний и частного опыта коммерческих тестирований. Показано, что естественный разброс в локальных измерениях электропроводности кожи, обусловленный рядом объективных и субъективных факторов, превышает диагностический интервал "нормы".

11.03.2010 Князева Ольга Сергеевна (каф. компьютерных методов физики Физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова). Прямое компьютерное моделирование белок-белковых взаимодействий в люминальном пространстве тилакоида хлоропласта

Разработана модель электростатических взаимодействий белка пластоцианина с тилакоидной мембраной и трасмембранными комплексами. С использованием уравнения Пуассона-Больцмана рассчитаны электростатические потенциалы белков, участвующих в процессе переноса электрона, и тилакоидной мембраны при различных значениях ионной силы. Показано влияние электрического поля тилакоидной мембраны на процесс диффузии и образования комплекса пластоцианин-цитохром f в люмене тилакоида хлоропласта. Рассчитаны зависимости констант скоростей реакций образования комплекса от ионной силы и величины поверхностного заряда на мембране. Сделана попытка описать перенос электрона белком пластоцианином от цитохромного b₆f комплекса на фотосистему I в люмене тилакоида.

18.03.2010 Новоселецкий Валерий Николаевич (Институт биоорганической химии им. академиков М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН). Фрагментарная оценка гидрофобных взаимодействий и предсказание константы связывания бета-блокаторов с адренэргическим рецептором

Рецепторы, сопряженные с G-белками (GPCR), играют ключевую роль в передаче клеточных сигналов, участвуют в регуляции многочисленных биологических функций и, таким образом, представляют собой мишени для терапии разнообразных заболеваний. Бета-блокаторы – антагонисты бета-адренэргического рецептора – являются одними из наиболее широко используемых лекарств в клинической практике. В настоящей работе мы представляем теоретический подход к оценке гидрофобных взаимодействий между бета2-адренэргическим рецептором и набором его антагонистов с экспериментально определенными константами связывания. Сильная корреляция (R2 = 0.8) была обнаружена между pKd лигандов и соответствием гидрофобных свойств лиганда и рецептора.

25.03.2010 Пыркова Дарья Владимировна (Институт биоорганической химии им. академиков М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН). Исследование кластеров в системах ДОФХ/ДПФХ методом компьютерного моделирования

Кроме барьерной функции, разделения клеток и клеточных органелл, липидный бислой биологических мембран играет важную роль в большом количестве биохимических процессов в живых организмах. Ввиду сложного липидного состава природных мембраны, для исследования свойств липидных бислоев создают модельные мембраны. Изучение взаимодействий между различными по насыщенности липидами на примере двухкомпонентных липидных бислоев, состоящих из диолеилфосфатидилхолина 18:1 (ДОФХ) и дипальмитоилфосфатидилхолина 16:0 (ДПФХ) является важным шагом в понимании структурной организации и функциональных свойств клеточных мембран. В настоящей работе, нами были рассмотрена система с девятью разными концентрациями. Ряд количественных свойств меняются нелинейно в зависимости от концентрации, в то же время некоторые параметры рассматриваемых систем имеют одинаковые значения при всех концентрациях. Во всех рассматриваемых системах наблюдались микронеоднородности "кластеры", отличающиеся по ряду свойств от мембраны в среднем.

01.04.2010 Грачёв Николай Евгеньевич (Всероссийский нефтегазовый научно-исследовательский институт им. акад. А.П. Крылова). Моделирование формирования и динамики фронта в задачах «реакция-диффузия-адвекция» (фазовое и компонентное разделение в биологических мембранах) (по материалам диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук)

Экспериментальные исследования показали, что на поверхности многокомпонентных липидных мембран может наблюдаться сегрегация - фазовое (и компонентное) разделение жидкость-гель и жидкость-жидкость. Для описания явлений сегрегации можно использовать феноменологическую теорию фазового (среднего) поля. Применение теории среднего поля позволило качественно описать процесс сегрегации, получена оценка времени формирования фазового разделения в двумерном липидном монослое. Для определения условий возникновения фазового разделения, методом Монте-Карло были исследованы двумерные модели одно- и двухкомпонентной мембраны. Полученные фазовые диаграммы систем показали существование фазового и компонентного разделения в моделях мембраны.

08.04.2010 Бабакова Татьяна (каф. биофизики Биологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова). Распределение метаболичечских и элетронных потоков в клетке Synecchocystis sp. (по материалам дипломной работы)

15.04.2010 Бороновский Станислав Евгеньевич (НИИ цитохимии и молекулярной фармакологии) Моделирование движения ионов в среде на основе оптимизированного компьютерного алгоритма и его применение для описания трансмембранных токов в белковых каналах

В работе впервые предложен алгоритм описания движения ионов вблизи поверхности мембран с использованием подходов броуновской динамики, характеризующийся высокой производительностью, низкими затратами вычислительных мощностей и позволяющий получать величины трансмембранных ионных токов через единичных белковый канал на основе данных о его структуре. Предложенный подход может быть использован в качестве универсального метода для описания токов и накопления ионов в различных биологических компартментах, поскольку результаты моделирования представлены в виде оригинального программного обеспечения. С использованием модельной системы впервые показано, что симметричность расположения зарядов, соответствующих аминокислотным остаткам белка в канале, значительно влияет как на селективность поры, так и на уровни ее проводимости.

19.04.2010 Максимов Евгений Георгиевич (каф. биофизики Биологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова).

29.04.2010 Разжевайкин Валерий Николаевич (Вычислительный центр им. А.А. Дородницына РАН) Асимптотические режимы в моделях систем, описываемых уравнением реакции - нелинейной диффузии

20.05.2010 Голомысова Анастасия Никитична (кафедра биофизики физического факультета МГУ) Моделирование метаболизма бактерии Rhodobacter sphaeroides в стационарном приближении и оптимизация условий для биологического производства водорода (по материалам диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук)

Пурпурные несерные бактерии Rhodobacter sphaeroides считаются наиболее перспективными потенциальными производителями биоводорода, поэтому многие исследовательские группы ищут пути влияния на метаболизм этой бактерии, чтобы приспособить ее для производства водорода в крупных масштабах. В настоящей работе представлена потоковая модель анаэробного метаболизма Rhodobacter sphaeroides, построенная методом баланса стационарных метаболических потоков (Flux Balance Analysis). Путем сравнения известных экспериментальных значений потоков с их расчетными как для фазы роста бактериальной культуры, так и для стационарной фазы проведено тестирование модели и подтверждена ее работоспособность. С помощью построенной модели получена интерпретация результатов экспериментов с бактериями рода Rhodobacter, нацеленных на производство водорода, и предложены изменения в их метаболизме, позволяющие увеличить наработку водорода.

27.05.2010 Машковцева Елена Валерьевна (Научно-Исследовательский Институт Цитохимии и Молекулярной Фармакологии, Сектор математического моделирования и статистической обработки результатов) Использование комбинированных подходов математического моделирования для описания каталитического цикла F_OF₁–атфсинтазы

Разработана физическая модель F_OF₁-АТФсинтазы, позволяющая на основе известных данных о структуре интегрального мембранного белка и предполагаемых принципах его работы, описывать его полный каталитический цикл и получать временные зависимости изменения концентрации субстратов и продуктов. На основе предложенной модели впервые был разработан алгоритм, позволяющий симулировать как гидролиз, так и синтез АТФ АТФсинтазой, а также получать количественные характеристики этих процессов в тканях. Принципы построения модели и структура алгоритма позволяют адаптировать используемые параметры для различных биологических систем, что значительно расширяет возможности применимости предложенного в работе подхода. С использованием результатов моделирования разработано оригинальное независимое программное обеспечение (программный пакет PASH ver. 1.0), позволяющее проводить компьютерную симуляцию полного повторяемого каталитического цикла АТФсинтазы в различных условиях.

03.06.2010 Новоселецкий Валерий Николаевич (Институт биоорганической химии им. академиков М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН) Учет гидрофобных взаимодействий при оценке пространственной структуры мембранных белков и разработке действующих на них лигандов (на примере антагонистов B2AR-рецептора)

Наиболее обширным классом мембранных белков являются рецепторы, чье действие опосредовано G-белками (G-protein Coupled Receptors – GPCR), которые ответственны за клеточную реакцию на гормоны и нейротрансмиттеры, а также за зрение, обоняние и вкус. Неправильное функционирование этих рецепторов порождает большое число заболеваний. Для понимания механизмов функционирования белков на молекулярном уровне, а также для рационального конструирования новых лекарственных препаратов, требуется знание пространственной структуры белков в комплексах с лигандами. Однако определение структуры комплекса МБ с лигандами всё ещё сопряжено со значительными техническими трудностями. В связи с этим, а также благодаря росту вычислительных мощностей современных компьютеров, все большее распространение получают методы молекулярного моделирования структуры комплексов. Одним из таких методов является молекулярный докинг. Полученные с помощью докинга данные о расположении лиганда в активном центре белка позволяют детально изучать взаимодействия между лигандом и рецептором, что дает возможность судить о биологической роли лиганда. Одним из явлений, оказывающих заметное влияние на связывание лигандов, является гидрофобный эффект. Для рассмотрения вопроса о гидрофобных свойствах можно воспользоваться концепцией молекулярного гидрофобного потенциала (МГП), который основывается на эмпирических константах атомной гидрофобности, рассчитанных из экспериментальных значений коэффициентов распределения в среде октанол-вода (logP) для органических соединений. В настоящей работе а) описывается новый метод оценки качества упаковки полипептидных цепей в трансмембранных доменах мембранных белков и б) предложен интегрированный подход, объединивший в себе традиционный анализ решений молекулярного докинга с количественным описанием гидрофобной/гидрофильной организации комплексов бета2-адренэргического рецептора с его антагонистами.

30.09.2010 Князева Ольга Сергеевна (каф. компьютерных методов в физике Физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова). Прямое компьютерное моделирование переноса электрона с цитохромного b₆f комплекса на фотосистему 1 (по материалам кандидатской диссертации)

Построена многочастичная компьютерная модель броуновской динамики фотосинтетических белков, учитывающая электростатические взаимодействия между белками и мембраной, форму белков и их неоднородное распределение. Модель позволяет исследовать направленный перенос электрона белком пластоцианином c цитохромного b₆f комплекса на фотосистему 1. Проведена идентификация параметров отдельных стадий процессов по экспериментальным данным. На модели показано влияние электростатических свойств белков, ионной силы и поверхностного заряда фотосинтетической мембраны на скорость протекания процессов электронного транспорта. Также на многочастичной прямой модели было проведено сравнение роли электростатических взаимодействий в реакциях образования комплексов Pc-Cyt f и Pc-PSI в цианобактериях и высших растениях.

07.10.2010 Конюхов Иван Владимирович (каф. биофизики Биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова). Флуоресценция хлорофилла при азотном и фосфорном голодании

Рассмотрена перестройка фотосинтетического аппарата микроводорослей и высших растений при недостатке элементов минерального питания и ее связь с флуоресценцией хлорофилла. Показано, что изменение оптических характеристик клеток в процессе роста требует привлечения комплекса независимых методов исследования. Обсуждаются альтернативные пути электронного транспорта, активирующиеся на тилакоидных мембранах при неблагоприятных условиях.

28.10.2010 Плюснина Татьяна Юрьевна (каф. биофизики Биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова). Регуляция электронного потока в электронтранспортных путях фотосинтеза и хлоропластного дыхания (Математическая модель)

Разработана упрощенная математическая модель, включающая перенос электронов, как в фотосинтетическом пути, так и в хлоропластном дыхании. На модели исследована регуляция переключения потока электронов с фотосинтеза на хлоропластное дыхание. Предложен механизм такого переключения.

16.11.2010 Нечипуренко Дмитрий Юрьевич (каф. биофизики Физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова). Анализ и моделирование расщепления ДНК ультразвуком

Известно, что облучение растворов фрагментов ДНК ультразвуком высокой интенсивности приводит к образованию двунитевых разрывов. Методика гелевого электрофореза позволяет получать профили ультразвукового расщепления ДНК, то есть массивы интенсивностей расщепления различных фосфодиэфирных связей в облученных фрагментах. Компьютерная обработка и статистический анализ профилей ультразвукового расщепления позволяет выявить и описать характерные особенности расщепления ДНК – а именно, - специфичность разрывов к нуклеотидной последовательности фрагментов и эффект ослабления расщепления к концам фрагмента.

В работе представлены результаты анализа данных по расщеплению рестриктных фрагментов ДНК низкочастотным ультразвуком высокой интенсивности. Выявлена специфичность ультразвукового расщепления ДНК к последовательности нуклеотидов, которая описывается в рамках ди- и тетра-нуклеотидных приближений. Полученные данные, характеризующие контекстную специфичность расщепления, сравниваются с известными особенностями конформационной динамики ДНК в растворе. На основании результатов сравнения предложена модель, качественно описывающая явление контекстной специфичности ультразвукового расщепления ДНК.

Характерные особенности наблюдаемого расщепления свидетельствует о механохимической природе данного процесса. Предложен подход к моделированию расщепления фрагментов ДНК при помощи объединения гидродинамической модели кавитационных процессов, механической модели фрагмента ДНК и статистической модели, характеризующей скорость механохимической реакции гидролиза фософодиэфирных связей при помощи модифицированного уравнения Аррениуса. Результаты, полученные в рамках данного подхода, позволяют количественно описать наблюдаемые профили ультразвукового расщепления.

18.11.2010 Новожилов Артём Сергеевич (кафедра Прикладная математика-1 Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ)). О математических моделях распространения эпидемий в неоднородных популяциях

Доклад состоит из двух взаимосвязанных частей. В первой части я очень кратко расскажу о самой простой математической модели распространения эпидемий (так называемая SIR модель) и прослежу развитие математической эпидемиологии от этой модели (1927 год) до сегодняшнего дня. Во второй части я рассмотрю несколько относительно новых моделей, в которых учитывается физиологическая неоднородность популяции. Выбранный мной подход позволяет получить простые и легкообозримые аналитические результаты. В частности, я покажу, что простые математические модели распространения эпидемий эквивалентны в некотором смысле физиологически структурированным моделям.

25.11.2010 Степаненко Илья Александрович (кафедра Общей физики и волновых процессов Физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова). Механизм двухфотонного возбуждения светобирающих комплексов фотосинтетических пурпурных бактерий

Исследовали периферические светособирающие комплексы LH2 (B800-850) фотосинтезирующих пурпурных бактерий двух типов - содержащие каротиноиды (из клеток дикого типа) и не содержащие каротиноиды (из клеток, выращенных в присутствии дифениламина, и из клеток бескаротиноидных мутантов).

Показано, что под действием лазерных фемтосекундных импульсов с длиной волны в диапазоне 1200-1500 нм происходит двухфотонное возбуждение комплексов LH2, которое можно наблюдать по флуоресценции молекул бактериохлорофилла спектральной формы В850 (молекул бактериохлорофилла кольцевого агрегата, охваченных экситонным взаимодействием).

Спектры двухфотонного возбуждения комплексов LH2, содержащих и не содержащих каротиноиды, практически не различаются. В спектрах наблюдается широкая полоса с максимумом около 1350 нм (ширина на полувысоте примерно 240 нм). Делается вывод о том, что полоса с максимумом около 1350 (675) нм в спектрах двухфотонного возбуждения комплексов LH2 не имеет отношения к каротиноидам и не может интерпретироваться как результат двухфотонного возбуждение возбуждения оптически запрещенной запрещенного полосы уровня S0-S1 каротиноидов.

Спектроскопия вынужденных изменений оптического поглощения при возбуждении в области 1350 нм показывает быструю (~ 100 фс) релаксацию энергии в долгоживущую полосу B850. Точно такая же спектрально-кинетическая картина наблюдается и при однофотонном возбуждении препаратов LH2 фемтосекундными импульсами с длиной волны 675 нм.

Делается предположение о том, что двухфотонное и однофотонное возбуждение в данной спектральной области обуславливается колебательными уровнями высоких экситонных состояний B850.

02.12.2010 Градов Олег и Градова Маргарита (Институт геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН (ГЕОХИ РАН)). Структурно-функциональные модели живой клетки

В настоящем докладе представлены результаты двухлетней работы по созданию структурно-функциональных моделей цитофизиологических систем. В отличие от известных методов синтеза искусственных клеток, являющихся, преимущественно, субстратными моделями, для создания которых используют составляющие биологического происхождения, предлагаемый подход состоит в воспроизведении организации и физико-химических механизмов функционирования клетки на основе самоорганизующихся мембранных структур.

В основе концепции лежит очевидное положение, что наиболее адекватная модель некоторой системы может быть получена только тем же методом, что и сама система. Иными словами, проблема создания адекватной модели живой клетки может быть решена как частный случай решения проблемы абиогенеза, то есть синтез полноценной искусственной клетки должен происходить под действием тех же факторов, что лежат в основе абиогенеза. По современным представлениям, индукторами абиогенеза являлись электромагнитные излучения и тепловые источники, однако до последнего времени они рассматривались как источники энергии для предбиологического синтеза органических соединений, а не как факторы, управляющие структурной самоорганизацией протобионтов и активацией метаболических процессов в них. Вместе с тем, очевидно, что, ввиду ультраструктурной локализации цитофизиологических процессов, первичные метаболические системы должны были формироваться координировано с компартментализацией клетки. В связи с этим моделирование абиогенеза должно сопрягать в себе самоорганизацию биологической структуры и формирование метаболического химизма в ней. Это (синхронное протекание самоподдерживающихся химических процессов и формирование структуры) наблюдается только в активных средах и обеспечивается реакционно-диффузионными процессами в неравновесной системе. Соответственно, логично замещение существующих методов синтеза искусственной клетки, так или иначе, не приводящих к системному запуску метаболических функций в везикулярной оболочке, на самосборку в активной среде, производя накачку последней с помощью вышеозначенных факторов и ими же индуцированный запуск метаболических процессов. Тем самым ad hoc осуществляется смыкание подходов soft artificial life к моделированию клеточных систем (реакционно-диффузионные процессы и клеточные автоматы) и их экспериментальной реализации в рамках damp (wet) artificial life.

Формирование мембранных структур (мембранных супрамолекулярных ассоциатов), по определению, происходит путём самосборки и обеспечивает пространственное разделение (компартментализацию) реакционных процессов, за счет чего возникает ионный и электрохимический градиент (разность потенциалов) на мембране, способность к селективной сорбции и трансмембранному переносу частиц. Благодаря этому в распределённой системе становится возможным синхронное протекание сопряженных окислительно-восстановительных процессов в различных участках структуры. Следует отметить, что формирование подобных структур характерно не только для амфифильных биоорганических молекул, но и для ассоциативных коллоидов любого состава (полиморфизм мицеллярных структур). Автоколебательные режимы химических реакций также не являются спецификой биологической кинетики и могут наблюдаться в абиогенных активных средах, в том числе и неорганического состава, способных к обратимым редокс-трансформациям. При этом известно, что процессы разделения и переноса зарядов в окислительно-восстановительных реакциях, подобные биофизическим, могут протекать на поверхности фоточувствительных дисперсных полупроводниковых частиц, в двойном электрическом слое, а также в слоистых структурах типа металл-диэлектрик-полупроводник. Всё это позволяет моделировать целый комплекс сопряженных цитофизиологических процессов, базируясь на физико-химической аналогии, не принимая во внимание субстратные различия модели и оригинала. Это соответствует Фон-Неймановской концепции strong alife - "строгой" искусственной жизни, дефинирующей жизнь как "процесс, который можно абстрагировать от какого-либо определённого носителя".

В моделях клеток, синтезированных в соответствии с рассмотренным подходом и обладающих изоморфизмом по отношению к биологическим клеткам, регистрируются следующие биомиметические процессы:

• Автоколебания концентраций ионов, окислительно-восстановительного потенциала Eh и фотометрических параметров.
• Генерация фотоиндуцированных мембранных потенциалов, на два порядка превышающих контрольные значения. Ассимиляция газов.
• Селективный трансмембранный перенос (избирательная проницаемость) и активный транспорт ионов; селективная сорбция и координационная фиксация.
• Изменения поверхности мембран ("мембранопатии") под действием факторов среды. Механические колебания поверхности мембран.
• Аналог эндоцитоза на базе поверхностных явлений и глубоких деформаций мембранной оболочки (образование ruffles).
• Увеличение объёма везикулярных структур (рост) за счёт осмотических свойств и их бинарное деление при достижении критической удельной поверхности. Самовоспроизведение.
• Формирование высокомолекулярных соединений (в т.ч. нестехиометрического состава) и супрамолекулярных ассоциатов.
• Сократимость и локомоция (вероятно, за счет тейнохимического принципа хемомеханики полимеров).
• Реактивность по отношению ко внешним воздействиям фотохимического и электрохимического характера - генерация аналогов рецепторных потенциалов.

Данные системы, обладая совокупностью перечисленных процессов, характеризуются выраженными нелинейными характеристиками протекания "метаболических" процессов и неравновесным распределением элементов в ультраструктуре, в связи с чем могут рассматриваться как сложные динамические системы, являющиеся структурно-функциональными моделями элементарных биологических клеток.

09.12.2010 Голомысова Анастасия Никитична (Кафедра биофизики Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова). Потоковая модель метаболизма, связанного с производством водорода бактериями рода Rhodobacter (апробация диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук)

Пурпурные несерные бактерии рода Rhodobacter считаются наиболее перспективными потенциальными производителями биоводорода, поэтому многие исследовательские группы ищут пути влияния на метаболизм этой бактерии, чтобы приспособить ее для производства водорода в крупных масштабах. В настоящей работе представлена потоковая модель анаэробного метаболизма бактерий R. sphaeroides и R. capsulatus, построенная методом баланса стационарных метаболических потоков (Flux Balance Analysis), позволяющая описать выделение водорода этими бактериями, как в фазе роста бактериальной культуры, так и в стационарной фазе. Путем сравнения известных экспериментальных значений потоков с их расчетными значениями проведено тестирование модели и подтверждена ее работоспособность.

С помощью построенной потоковой модели проведено исследование метаболизма, связанного с производством водорода, в частности, выделены процессы в метаболизме, конкурирующие с процессом наработки водорода - запасание биополимеров и выделение других побочных продуктов. Кроме того, были рассчитаны группы мутаций, в вычислительном эксперименте приводящие к увеличению скорости выделения водорода.

16.12.2010 Панкратова Наталья Михайловна (Институт математических проблем биологии РАН). Обработка данных магнитной энцефалографии и переключение между режимами в математических моделях электрической активности головного мозга

Разработана методика анализа данных магнитной энцефалографии для обнаружения полезного сигнала на фоне шумов большой амплитуды. Для характеристики пространственных паттернов магнитного поля используется проецирование на базисные функции Карунена-Лоэва, а для анализа временных рядов - методы полосовой фильтрации. Методика отлажена на данных, полученных в контрольном эксперименте, и позволяет выделять патологическую активность на фоне спонтанной активности головного мозга. Разработана математическая модель переключения между режимами, которое наблюдается на экспериментальных данных. Переключение происходит без внешнего воздействия и может соответствовать патологическим переключениям в головном мозге.

16.12.2010 Дьяконова Александра Никитична (кафедра биофизики Биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова). Компьютерное моделирование взаимодействия ферредоксина с белками-партнерами в строме хлоропластов

Небольшой железосерный белок ферредоксин (Фд) опосредует реакции электронного переноса в разнообразных метаболических реакциях. Помимо циклического и нециклического транспорта в электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) фотосинтеза, Фд участвует в азотном и серном обмене и реакциях выделения водорода. В ЭТЦ основным партнером Фд является ферредоксин:НАДФ⁺-редуктаза (ФНР), переносящая электроны на НАДФ⁺ с образованием НАДФН. При этом, восстановленный фотосистемой I (ФСI) Фд может передавать электроны на другие белки, включая гидрогеназу, нитритредуктазу, глутаматсинтазу и т.д. Благодаря ключевой роли Фд в анаболических процессах, понимание механизмов его регуляции имеет важное значение для экологии и биотехнологии.

В докладе будут рассмотрены основные аспекты взаимодействия Фд с его белками-партнерами ФСI, ФНР и гидрогеназой и его регуляция.