Рабочий семинар
cектора информатики и биофизики сложных систем

2011 год

20.01.2011 Ахманова Мария Александровна (кафедра биофизики Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова). Модель транспорта макромолекул в биологической ткани при циклической деформации (апробация диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук)

При циклической деформации биологической ткани в ней возникает циклический поток интерстициальной жидкости относительно внеклеточного матрикса и клеток, который является одним из стимуляторов биосинтеза и процессов регенерации. Предполагается, что этот поток ускоряет транспорт молекул внутри ткани, в частности, питательных веществ, продуктов метаболизма и факторов роста. Для оценки условий, при которых скорость массопереноса может существенно возрастать, в настоящей работе предложена математическая модель транспорта молекул в биологической ткани при механической деформации, построенная на основе теории пороэластичности. В модели учитывается связывание вещества с компонентами матрикса.

С помощью модели проведен анализ зависимости скорости транспорта веществ от механических свойств ткани, параметров связывания вещества с матриксом и характеристик нагрузки. Показано, что циклическая деформация при физиологических значениях частот (0.001 Гц-10 Гц) может ускорять транспорт растворенных макромолекул с коэффициентом, зависящим от соотношения параметров. Для молекул же, способных связываться с матриксом, положительный коэффициент возрастает в несколько раз. Таким образом, ускорение транспорта в ткани гораздо более существенно для связывающихся с каркасом молекул, чем для не связывающегося вещества. Кроме того, для связывающихся молекул существует оптимальная частота нагрузки, обеспечивающая максимальную скорость транспорта при постоянстве остальных параметров. Верификация модели проводилась путем сравнения результатов с имеющимися экспериментальными и теоретическими данными.

10.03.2011 Потапов Илья Сергеевич (Физический Институт АН им. П.Н.Лебедева, Отделение теоретической физики; Tampere University of Technology, Department of Signal Processing; кафедра биофизики Биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова). Влияние сигнальной молекулы на динамическое поведение искусственной генной сети

В докладе представлены результаты исследования искусственных генетических клеток-осцилляторов – репрессиляторов, – связанных диффузией сигнальной молекулы. Выбрана модель генетической сети, в которой производство, диффузия и ген-мишень для сигнальной молекулы обеспечивают расталкивающее взаимодействие. Появление в изолированном репрессиляторе модуля производства сигнальной молекулы приводит к появлению стационарного состояния, не связанного с рождением предельного цикла. Стационарное состояние гасит колебания и при определенном соотношении времён жизни мРНК и белка приводит к гистерезису двух динамических режимов: колебаний и стационарного состояния.

17.03.2011 Огнева Ирина Владимировна (Институт медико-биологических проблем РАН). Биофизические основы изменения механических свойств волокон скелетных мышц при гравитационной разгрузке (по материалам докторской диссертации)

Проведен системный эксперимент, направленный на определение поперечной жесткости волокон различных мышц методом атомной силовой микроскопии, построена математическая модель, позволяющая вычислить модуль Юнга различных участков, определено содержание некоторых внесаркомерных цитоскелетных белков и изменение базального уровня ионов кальция в условиях гравитационной разгрузки задних конечностей крысы, монгольской песчанки и человека.

Новые экспериментальные данные о механических характеристиках мышечных волокон в условиях гравитационной разгрузки, содержании цитоскелетных белков и ионов кальция дают возможность сформировать новый подход к фундаментальной проблеме механочувствительности мышечных клеток.

Разработанный интегративный подход, включающий в себя экспериментальный способ оценки механических характеристик мышечного волокна и метод математического анализа результатов измерений, позволяет получать информацию о состоянии разных внутриклеточных структур при экстремальных и патологических состояниях.

Результаты исследования могут помочь в раскрытии механизмов патогенеза различных нервно-мышечных заболеваний. Кроме того, они могут способствовать поиску путей предотвращения развития гипогравитационного синдрома, сохранению работоспособности мышц после длительных космических полетов. Последнее представляется особенно важным в условиях планируемого полета на Марс.

24.03.2011 Ахманова Мария Александровна (кафедра биофизики Физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова). Модель транспорта макромолекул в биологической ткани при циклической деформации (апробация диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук)

Под действием физиологических механических нагрузок биологические ткани подвергаются переменной деформации (сердечный ритм, работа мышц). Циклы чередования сжатий и растяжений приводят к изменяющемуся по направлению движению жидкости относительно внеклеточного матрикса. Поток внеклеточной жидкости, в том числе при циклической деформации ткани, стимулирует биосинтез и влияет на скорость регенерации ткани. Предполагается, что этот поток увеличивает скорость транспорта молекул внутри ткани по сравнению с диффузионным переносом. Ускорение массопереноса, в частности, питательных веществ, продуктов метаболизма и факторов роста, имеет большое значение в процессах репарации поврежденной ткани с нарушенным кровотоком. Для проверки этой гипотезы и оценки условий, при которых скорость массопереноса может существенно возрастать, в настоящей работе предложена математическая модель транспорта макромолекул в биологической ткани при механической деформации. Модель построена на основе теории пороэластичности. В модели учитывается связывание молекул с компонентами матрикса.

С помощью модели проведен анализ зависимости скорости транспорта макромолекул от механических свойств ткани, параметров связывания вещества с матриксом и характеристик нагрузки. Показано, что циклическая деформация при физиологических значениях частот (0.001Гц-10Гц) ускоряет транспорт растворенных макромолекул по сравнению с диффузионным переносом. Коэффициент увеличения скорости транспорта зависит от соотношения параметров. Например, для белка с молекулярной массой порядка 100кДа достигается двукратное увеличение скорости накопления при деформации ткани с амплитудой 5%. При этом увеличение скорости накопления в ткани макромолекул, которые связываются с матриксом, еще в несколько раз выше. Таким образом, ускорение транспорта в ткани гораздо более существенно для связывающихся с каркасом молекул, чем для не связывающегося вещества. Кроме того, для связывающихся молекул существует оптимальная частота нагрузки, обеспечивающая максимальную скорость транспорта при постоянстве остальных параметров. Верификация модели проводилась путем сравнения результатов с имеющимися экспериментальными и теоретическими данными.

31.03.2011 Решетников Роман (факультет биоинженерии и биоинформатики МГУ имени М.В. Ломоносова). Факторы стабильности G-квадруплексных ДНК (апробация диссертации на соискание ученой степени кандидата наук)

G-квадруплекс - неканоническая структура ДНК, которая встречается в теломерных повторах, промоторах генов, связанных с раком, аптамерных олигонуклеотидах и ряде других объектов. Выяснение принципов стабилизации квадруплексных структур имеет важное практическое значение - ряд перспективных терапевтических соединений, направленных на лечение ВИЧ, рака, тромбозов и прочих заболеваний, напрямую связан с эффективностью сборки и устойчивостью G-квадруплексов. Помимо факторов стабильности, характерных для дуплексных ДНК, для квадруплексов существенную роль играют такие составляющие, как координационные взаимодействия с катионами, а также последовательность, длина и тип соединяющих структуру G-квартетов петель. Настоящая работа посвящена исследованию этих факторов с помощью методов моделирования молекулярной динамики, QM/MM, изотермической калориметрии и биоинформатики.

01.04.2011 (пятница, 13:00, Новая аудитория) Храмцов Юрий Викторович (Институт биологии гена РАН, лаборатория молекулярной генетики внутриклеточного транспорта). Термоиндуцируемые структурные переходы в смешанных липид-детергентных системах (апробация кандидатской диссертации; работа выполнялась на базе кафедры физико-химической биологии и биотехнологии Московского физико-технического института)

Работа посвящена решению одной из важных и актуальных проблем биофизики мембран - изучению структурообразования в смешанных липид-детергентных системах. В основе процесса самосборки мембран лежит структурный переход мицеллы-везикулы, молекулярные механизмы которого пока еще недостаточно изучены. Нами показано, что наиболее удобно изучать эти механизмы в термочувствительных липид-детергентных системах, где этот переход легко можно вызвать простым изменением температуры. В настоящей работе впервые проведено систематическое исследование влияния различных факторов на термоиндуцируемый переход мицеллы-везикулы с целью выявления основных закономерностей этого перехода. В качестве главных варьируемых параметров были выбраны размеры полярной головки детергента и длина его углеводородной цепи, а также длина и степень ненасыщенности жирнокислотных цепей липидных молекул. Было также изучено влияние фазового состояния липидного бислоя и водной растворимости детергентов на характер структурного перехода мицеллы-везикулы. С целью сравнительного анализа различных липид-детергентных систем предложен новый способ определения состава смешанных липид-детергентных агрегатов, образующихся на различных этапах перехода мицеллы-везикулы. На основании полученных результатов разработана математическая модель, описывающая данный переход, которая позволяет предсказать условия, необходимые для формирования липид-детергентных агрегатов заданного типа, и оценивать параметры геометрической упаковки липидных и детергентных молекул в этих агрегатах.

19.04.2011 (вторник, 15:00) Винокуров Игорь Юрьевич (ГНУ Владимирский НИИСХ Россельхозакадемии). Влияние техногенеза на биогеохимические структуры геосистем (по материалам докторской диссертации)

28.04.2011 Мезенцева Лариса Валентиновна (НИИ нормальной физиологии им. П.К.Анохина РАМН). Разработка теоретических основ нарушений сердечного ритма при экстремальных внешних воздействиях

В докладе представлены теоретико-методологические подходы расчетно-экспериментальных исследований нелинейной динамики сердечного ритма при различных экстремальных воздействиях на организм человека и животных. Исследования базируются на результатах вычислительных экспериментов, выполненных с помощью методов математического и компьютерного моделирования, и их сопоставлении с результатами реальных физиологических экспериментов, выполненных на животных (крысы, кролики, собаки). Математическая модель основана на характеристиках проводящей системы сердца: задержках проведения электрического импульса по проводящей системе сердца и периодах абсолютной и относительной рефрактерности синоатриального и атриовентрикулярного узлов. Теоретические методики реализованы практически в виде авторских компьютерных программ, позволяющих анализировать нелинейную динамику сердечного ритма в широком диапазоне внешних воздействий. Излагаются результаты моделирования различных видов экстремальных внешних воздействий (стрессорные, ноцицептивные), а также сердечных аритмий (периодика Венкебаха, трепетание и мерцание предсердий, мерцательная аритмия, фибрилляция желудочков).

19.05.2011 Федорова Елена (Институт биофизики СО РАН, Красноярск). Биолюминесцентный мониторинг процессов детоксикации органических соединений гуминовыми веществами

Работа связана с изучением процессов детоксикации растворов органических соединений гуминовыми веществами - продуктами окислительного разложения и полимеризации органических веществ в почве и водных отложениях, играющими роль природных детоксикантов. Рассмотрено совместное действие детоксицирующих факторов – гуминовых веществ, УФ излучения, биологических агентов. При мониторинге токсичности в качестве биологических тестов использовали биолюминесцентные системы – светящиеся бактерии и ферментативные реакции. В качестве модельных токсичных соединений использовали хиноны и фенолы.

В результате работы получены следующие результаты:

1. Продемонстрировано использование биолюминесцентных тестовых систем (интактных и лиофилизированных бактерий, системы сопряженных ферментативных реакций, катализируемых бактериальными ферментами люцифераза и НАД(Ф)Н-ФМН-оксидоредуктаза) для мониторинга процессов детоксикации растворов органических веществ различными факторами – обработкой гуминовыми веществами, светом УФ и видимого диапазона, биологическими агентами. Рассчитаны коэффициенты детоксикации растворов хинонов и фенолов.
2. На основе (а) связи коэффициентов детоксикации со стандартными окислительно-восстановительными потенциалами ряда хинонов и соответствующих им дифенолов, (б) сравнения воздействия гуминовых веществ и низкомолекулярного восстановителя (сульфита натрия) на растворы хинонов продемонстрирована окислительно-восстановительная активность гуминовых веществ в растворах органических редокс-активных соединений
3. Методом электронной микроскопии обнаружено, что гуминовые вещества способны стимулировать образование слизистого слоя бактериальной клетки в качестве ответа на воздействие токсикантов.
4. Выявлены условия уменьшения и увеличения токсичности растворов фенолов. Зарегистрирована фотоиндуцированная детоксикация растворов гидроксибензола и п-крезола при облучении УФ эксилампой с длиной волны излучения 308 нм и видимым светом (длина волны > 350 нм). Коротковолновое УФ-излучение (длина волны = 222 нм) увеличивало токсичность растворов фенолов. Микробиологическая деградация токсичности раствора п-крезола характеризовалась максимальной эффективностью.
5. Показано, что эффективность детоксикации растворов фенолов варьируется при изменении комбинации детоксицирующих факторов - УФ облучения, обработки гуминовыми веществами и биологическим агентом.

Данные исследования являются основой для разработки биолюминесцентных методик мониторинга детоксикации растворов органических соединений различными детоксицирующими факторами – обработкой гуминовыми веществами, УФ облучением, биологическими агентами.

26.05.2011 Копит Татьяна (МГУ имени М.В. Ломоносова, Физический факультет). Обратная задача интерпретации экспериментальных данных на основании модели, восстановленной эмпирически, и ее применение при моделировании процесса фотосинтеза

В работе разработаны математические методы решения ряд задач, возникающих при анализе и интерпретации экспериментальных данных.

В этих задачах из результатов измерений, полученных в натурном или в вычислительном эксперименте с некоторой погрешностью, требуется с максимальной точностью извлечь информацию об объекте изучения. Модель, связывающая результаты измерений с параметрами объекта, известна недостаточно точно и уточняется на основании измерений с конечной погрешностью известных тестовых объектов (сигналов). Задачи решены в рамках подхода теории измерительно-вычислительных систем, созданной в школе проф. Ю.П.Пытьева.

Предлагается метод аппроксимации неизвестной нелинейной модели измерения кусочно-линейной моделью, согласующейся с результатом измерений, метод вычисления оценки исследуемых параметров и ее точности, решается задача проверки адекватности используемых математических моделей.

Решается также задача интерпретации данных, в которой в качестве модели погрешности рассматривается нечеткое множество ее возможных значений. Используется вариант теории возможностей Ю.П. Пытьева. Задача интерпретации данных решается в оптимизационной задаче на максимум апостериорной возможности.

Приводятся примеры использования разработанных методов в задачах изучения компьютерной модели фотосинтетической системы.

15.09.2011 Кручинин Никита Юрьевич (кафедра радиофизики и электроники Центра лазерной и информационной биофизики Оренбургского государственного университета). Исследование структуры и конформационной динамики биомакромолекул на поверхностях адсорбентов и в нанокластерах (апробация кандидатской диссертации)

Определен характер распределения плотности звеньев макромолекулы на поверхности цилиндрической и сферической частицы с позиций статистической теории. 

Методом молекулярной динамики исследована конформационная релаксация и получено равновесное распределение концентрации атомов макромолекулы полипептида на плоской поверхности кристаллов кварца, графена и графита, внутри цилиндрической и сферической нанопоры из оксида алюминия, на внешней и внутренней поверхности углеродной нанотрубки, фуллерена С₇₂₀, сферической частицы из оксида алюминия. 

Методом молекулярной динамики исследована конформационная подвижность и получены временные зависимости расстояния между молекулами эритрозина, эозина, родамина 6G, малахитового зеленого, адсорбированными на макромолекуле полипептида в вакууме, воде, в нанополости и на поверхности сферической частицы из оксида алюминия, на поверхности фуллерена С₇₂₀. 

Методом молекулярной динамики исследована кинетика релаксации малых ионов в растворе с фрагментом макромолекулы ДНК и получены зависимости радиального распределения концентрации ионов вокруг фрагмента макромолекулы ДНК.

27.09.2011 12:00 Плюснина Татьяна Юрьевна (кафедра биофизики Биологического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова). Упрощенные модели для фотосистемы 2

29.09.2011 11:00 Жмуров Артем Андреевич (Московский Физико-Технический Институт). Моделирование больших биомолекул и биомолекулярных систем с использованием графических процессоров

Большие белковые молекулы, образования и волокна играют большую роль в жизнедеятельности организма. Современные эксперименты по изучению одиночных молекул, такие как атомно­силовая микроскопия и оптические пинцеты, широко используются для изучения механических свойств белковых волокон и капсул вирусов. Однако, ввиду сложности строения этих систем (∼ 10³ – 10⁵ частиц) и их больших размеров (∼ 50 – 200 нм), результаты подобных экспериментов сложно интерпретировать без понимания микромеханики исследуемых биомолекулярных систем. Существенные вычислительные трудности, возникающие при молекулярном моделировании биомолекулярных систем большого размера, не позволяют применить стандартные методы молекулярной динамики для изучения их механических свойств в условиях, идентичных экспериментальным. В данной работе рассматривается упрощённая модель белков SOP, полностью реализованная на графическом процессоре (программный пакет SOP-­GPU). Использование упрощённой модели позволяет сократить количество степеней свободы и перейти к более длинному шагу по времени, а применение графических процессоров – ускорить вычислительный процесс в 100-­200 раз. Будет рассказано о трудностях, возникающих при адаптации существующих численных методов для эффективной работы на графических процессорах, а также о результатах, полученных при моделировании силовой денатурации белка фибриногена (∼2000 аминокислот) и индентации капсида вируса HK97 (∼10⁵ аминокислот).

06.10.2011 Дудченко Ольга (Московский Физико-Технический Институт; Гематологический научный центр). Самоподдерживающиеся перистальтические волны. Феноменологическая модель

Перистальтические механизмы обеспечивают работу многих транспортных систем в организме человека. К перистальтирующим транспортным системам относятся, в частности, пищевод, толстый и тонкий кишечник, мочеточник и лимфатические сосуды.

Изучению перистальтического прокачивания посвящено большое количество теоретических и экспериментальных исследований. Несмотря на это, до сих пор не удавалось установить явных аналитических соотношений между скоростью перистальтической волны, а также объемом жидкости, переносимой волной, и параметрами транспортной системы: упругостью стенки, степенью активации ее сократительного аппарата (тонусом), вязкостью жидкости и т.д. Настоящая работа ставит целью восполнить этот пробел.

В работе сформулирована математическая модель перистальтического прокачивания. В основе модели лежит описание работы мышечного аппарата стенки сосуда в рамках теории активных сред. Продемонстрировано существование автомодельных решений модели типа бегущих волн деформации профиля сосуда. Установлена область существования автомодельных решений, проанализирована их устойчивость по отношению к малым возмущениям. В ряде представляющих интерес случаев получены явные аналитические выражения для скорости перистальтической волны и объема транспортируемой жидкости в системе. Обсуждается биофизическая и физиологическая значимость полученных результатов.

13.10.2011 Самченко Александр Анатольевич (Институт биофизики клетки РАН, г.Пущино). Торсионная лабильность пептидной группы в организации α- и β-вторичных структур олигопептидов. Квантово-химический анализ (по материалам диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук)

Данное сообщение посвящено теоретическому исследованию процесса зарождения регулярных альфа-спиральных и бета-слоистых форм олигопептидов в структуре аминокислотных последовательностей. Дело в том, что изучение механизма сворачивания полипептидных цепей в нативную структуру, т.е. исследование механизма фолдинга белков остается одной из фундаментальнейших проблем современной физико-химической биологии. При этом весьма актуальной и нерешенной задачей оказывается вопрос о первопричине формирования отмечаемой экспериментально внутренней предрасположенности определенных аминокислот к организации тех или иных вторичных структур олигопепидов.

В представленной работе на базе использования современных квантово-химических расчетов впервые показано, что исходно скрытая высокая торсионная лабильность пептидных групп, а также существование внутримолекулярных нековалентных связей в структуре моно- и дипептидов выступают важнейшими инициирующими физическими факторами направленной дифференцировки молекулярного остова природного олигопептида к формированию спиральных или β-слоистых форм. При этом, гидратация дает усиление нековалентных внутри-молекулярных взаимодействий аминокислотных остатков и, кроме того, увеличивая неплоский характер пептидной группы, облегчает тем самым формирование остовом олигопептида наиболее термодинамически устойчивых регулярных форм. Предложенный механизм стабилизации альфа-спиралей и бета-структур олигопептидов в целом оказывается не противоречащим существующим экспериментальным данным и может быть использован для предсказания содержания такого типа вторичных структур в новых пептидах. Ключевые слова: квантовая химия, структурный полиморфизм пептидной группы, карты Рамачандрана моно- и дипептидов, водородные связи, спирализация олигопептидов, гидратация.

10.11.2011 Строганов Андрей Валентинович (Вычислительный центр им. А.А. Дородницина РАН). Метод компьютерной аналогии и получение явных решений систем нелинейных дифференциальных уравнений

Развивается новый метод решения нелинейных дифференциальных уравнений и систем, формализующий операции компьютера при работе с числами. В основе метода лежит представление разностного решения дифференциального уравнения в виде отрезка ряда по степеням шага независимой переменной. По аналогии с работой компьютера удерживается ограниченное количество членов ряда, которое в общем случае зависит от характера нелинейности уравнения, а также вводится операция переноса разрядов, предотвращающая расходимость ряда. Для построения решения выбирается разностная схема требуемого порядка точности, однако, решение, полученное рассматриваемым методом, не является численным, так как оно представляется в явном формульном виде. Оно способно дать не только количественную, но и качественную информацию о поведении искомой функции. Для системы нелинейных уравнений (не имеющей известного аналитического решение), построено явное аналитическое решение указанным методом и получена простая асимптотика. Обсуждаются перспективы применения метода для решения известных систем нелинейных уравнений.

17.11.2011 Кучеренко Михаил Геннадьевич (Оренбургский государственный университет). Люминесцентный мониторинг кинетики генерации синглетного кислорода в наноструктурах, моделирующих биомембраны, полимерные клубки/глобулы и белковые конъюгаты

Представлены результаты исследований кинетики фотореакций с участием синглетного кислорода, получающих развитие в монослое поверхностно-активного вещества, организованного на подложке по технологии Ленгмюра-Блоджетт. Показано, что мониторинг процессов, индуцированных молекулами O₂ в модельной биомембране может быть осуществлен посредством регистрации замедленной флуоресценции фотосенсибилизаторов, адсорбированных слоем амфифильных молекул квазимембраны. Для интерпретации измеряемых сигналов, инициированной лазерным импульсом люминесценции адсорбатов, рассмотрена модель, основанная на представлениях о двух различных типах миграции кислорода в системе: фронтальной диффузии к поверхности раздела фаз с проникновением молекул O₂ в мембрану, и латеральной диффузии кислорода в слое, прерываемой актами десорбции. Осуществлена компьютерная реализация модели, определены временные характеристики фотосигналов от люминесцентных зондов и установлены зависимости формы видеоимпульсов от структурных параметров мембраны, а также диффузионно-кинетических характеристик молекул O₂ в ней. Обнаружен и проанализирован эффект десорбции кислорода из монослоя, обусловленный колебательными переходами в молекулах синглетного кислорода. Исследована возможность влияния этого эффекта на формирование сигналов, регистрируемых при люминесцентной диагностике.

В качестве основной наблюдаемой использовано выражение для интенсивности за-медленной флуоресценции молекулярного зонда в ЛБ-слое, которое построено на основе парной функции распределения реагентов, учитывающей выход части молекул O₂ из пленки в объем. Десорбция кислорода в газовую фазу рассматривается либо как одноактный квантовый процесс, либо как термоактивированное преодоление потенциального барьера в духе теории Крамерса.

Рассмотрена 2D-кинетика диффузионно-контролируемой реакции кросс-аннигиляции триплет-возбужденных адсорбированных молекул красителей с синглетными возбуждениями О₂ и влияние на этот процесс десорбции молекул кислорода, затрудненной наличием экранирующего слоя с дренажными транспортными каналами. При построении модели процесса предполагалось, что прохождение молекулы по одномерному каналу осуществляется в потенциальном поле сорбционной ямы подложки. Исследовано влияние структуры экранирующего покрытия на форму импульса кросс-аннигиляционной замедленной флуоресценции адсорбатов.

Рассмотрена проблема кинетики диффузионно-контролируемого тушения люминесцентного сигнала подвижных молекулярных зондов, взаимодействующих с ловушками-стоками, закрепленными на макромолекулярной цепи, находящейся в клубковом или глобулярном состоянии. Решение задачи произведено с учетом эффектов неоднородного пространственного распределения звеньев цепи и ловушек. Кроме того, построена математическая модель кинетики кросс-аннигиляции электронных возбуждений, локализованных на фрагментах макромолекулы и свободно диффундирующих в растворе молекулах O₂.

Исследованы свойства математической модели процесса кросс-аннигиляции электронных возбуждений молекул кислорода и триплетных (Т) возбуждений органического красителя, учитывающей неоднородный характер распределения звеньев полимерной цепи на частично проницаемой поверхности наночастицы цилиндрической или сферической формы.

24.11.2011 Подгорный Констнатин Алексеевич (Учреждение Российской Академии наук Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН). Математическое моделирование трансформации соединений биогенных элементов в пресноводных экосистемах нестратифицированных водоемов

В докладе будет рассмотрена структура пространственно-неоднородной имитационной математической модели для водных экосистем нестратифицированных водоемов, которая позволяет исследовать процессы биотрансформации соединений биогенных элементов (азота и фосфора) и ее конкретная реализация для условий Невской губы Финского залива Балтийского моря. Будут представлены:

• результаты моделирования и количественные оценки внутригодовой и межгодовой динамики растворенных минеральных и органических компонентов азота и фосфора; взвешенных детритных компонентов азота и фосфора; растворенного в воде кислорода и его процентное насыщение воды в экосистеме Невской губы;
• оценка продукционного потенциала водной экосистемы Невской губы, полученная по данным моделирования;
• результаты расчетов по исследованию наиболее важных закономерностей формирования запасов и среднемноголетней динамики форм азота и фосфора в Невской губе Финского залива за счет естественного круговорота, а также за счет речного стока и антропогенной нагрузки;
• результаты модельных расчетов по оценке внутригодовой и межгодовой изменчивости величин потоков соединений азота и фосфора, формирующиеся в экосистеме Невской губы за счет процессов биотрансформации биогенных веществ и учитывающие основные функции гидробионтов (потребление веществ, образование продукции, выделение продуктов обмена, смертность планктонных организмов);

В докладе также будет рассмотрена пространственно однородная математическая модель четырехкомпонентной планктонной системы, которая включает в себя биогенные элементы, фитопланктон, зоопланктон и планктонный детрит. Эта модель используется для исследования наиболее важных свойств ее временной динамики в зависимости от изменений порядка ферментативной реакции, описывающей разложение детрита, скорости выделения метаболитов клетками фитопланктона и пищевых предпочтений в питании зоопланктона.

01.12.2011 Чиркина Ирина Алексеевна (МИФИ). Возможные способы реализации температурной стабильности в живых организмах

В настоящее время считается понятым способ обеспечения энергией живой клетки. Подробно описан цикл Кребса, в ходе которого обеспечивается энергетическая возможность синтеза АТФ, исследована роль градиента протонов на мембране как движущей силы синтеза АТФ. Однако знание этих процессов не приводит к пониманию причин поразительной точности распределения температуры в живом организме. Причём нет ответа не только на вопрос «каким образом?», но и на вопрос «зачем?». В работе сделана попытка ответить на вопрос, каким образом достигается указанное постоянство. Обсуждается возможность реализации отрицательной обратной связи (ООС) по температуре. Показано, что реализация ООС посредством химических реакций (например, Белоусова-Жаботинского) маловероятна. Рассмотрена возможная роль в поддержании ООС по температуре термоэлектрических эффектов (эффекты Томсона, Пельтье, Зеебека, Джоулево тепло). Сделан вывод о наибольшей вероятности наличия отрицательной обратной связи по току, и, как следствие, по температуре (Джоулево тепло).

08.12.2011 Патрин Максим Михайлович (МГУ имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет, кафедра биофизики). Изучение функциональной зависимости между фотосистемами в ходе синхронного измерения индукции быстрой и замедленной флуоресценции и показателя ΔA₈₂₀ на примере зеленых водорослей и высших растений

В настоящее время актуальным является одновременное изучение быстрых процессов связанных с поглощением энергии света внутри фотосистемы II (ФCII) и фотосистемы I (ФСI). JIP-тест является наиболее информативным методом изучения процессов в донорной части ЭТЦ. Другим способом является оценка кинетики окислительно-восстановительных процессов в ФСI по изменению поглощения света при 820 нм (ΔА₈₂₀).

Для одновременной регистрации кинетики быстрой и замедленной флуоресценции реакционного центра ФСII и кинетики окислительно-восстановительного потенциала реакционного центра ФСI (P700) у зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii/Scenedesmus/Pisum sativum использовали мультифункциональный анализатор эффективности растений M-PEA 2 (Hansatech, UK). В качестве объекта исследований использовали культуру Chlamydomonas reinhardtii Dang. Функциональная зависимость между фотосистемами оценивалась экспериментально при различных внешних условиях: интенсивность действующего света; наличие ингибиторов (DCMU и гидроксиламин).

Ингибиторный анализ в условиях насыщающей интенсивности света (5000 мкЕ/м²с) позволил предположить активацию компенсаторных путей электронного транспорта между фотосистемами. Диурон и гидроксиламин оказывают ингибирующие воздействие на донорную часть ЭТЦ, не затрагивая акцепторной части, т.е. ФСI, что можно наблюдать по показателю ΔА₈₂₀. Наиболее выраженное ингибирование наблюдается при росте культуры в условиях «серного голодания», когда не наблюдается реокисления P700^–. Дополнительное введение диурона в таких условиях вызывает быстрое накопление P700⁺.

Синхронный анализ нескольких сигналов позволяет проводить комплексную оценку состояния фотосинтетической активности. Этот подход является дополнительным к другим методам исследования и позволяет получить количественные и качественные данные о взаимосвязи между двумя комплексами фотосистем.

15.12.2011 Вржещ Евгений Петрович (Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, кафедра общей физики физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова). Механизмы изменений оптических свойств мутантов флуоресцентных белков на примере мономерного белка mRFP1

В современных отраслях науки, изучающей живые организмы, актуальным является получение качественно новых методов и подходов для наблюдения различных процессов в интактных живых организмах. Одним из таких методов стало применение флуоресцентных белков.

Флуоресцентные белки активно используются в исследовании различных и разнообразных прижизненных процессов в живых клетках, тканях и организмах, таких как активность работы промотеров, биохимические взаимодействия, локализации различных структур и другие.

Работа посвящена изучению влияния аминокислотных замен на структуру и свойства мутантов красного флуоресцентного белка mRFP1 in vitro и in silico с использованием методов генной инженерии, квантовой химии, молекулярной динамики и спектрально-люминесцентной спектроскопии.

В работе впервые:
• Предложен метод генно-инженерного внесения любых наперед заданных мутаций в ген красного мономерного флуоресцентного белка mRFP1 в области хромофора, позволяющий проводить направленный мутагенез с целью скрининга свойств в зависимости от изменения аминокислотной последовательности;
• разработан метод описания и параметризации объектов типа красных флуоресцентных белков в силовом поле OPLS-AA, позволяющий проводить молекулярно-динамические расчеты состояния и геометрии белков в растворе in silico;
• выявлены эмпирические зависимости оптических свойств флуоресцентных белков от геометрических параметров аминокислот, составляющих и/или окружающих хромофор, что может применяться при планировании мутагенеза, направленного на получение новых флуоресцентных белков с улучшенными свойствами;
• разработан метод, позволяющий определять фотофизические параметры индивидуальных форм хромофоров в составе смеси без ее разделения.

22.12.2011 Макаров Сергей (МГУ имени М.В. Ломоносова, Физический факультет, кафедра компьютерных методов физики). Моделирование сложных биофизических систем с помощью многоточечного сетевого метода

В настоящее время в математическом моделировании существует несколько различных подходов к описанию сложных биофизических систем. Первый подход - кинетический, основанный на решении обыкновенных дифференциальных уравнений. Ключевым предположением этого подхода является пространственная однородность системы. Между тем, множество биофизических систем не удовлетворяют этому требованию. Попытка учёта пространственной гетерогенности реализована в других подходах. Проблема большинства из них заключается в большой вычислительной сложности и зависимости решения от формы моделируемого объекта.

Нами предложен многоточечный сетевой метод, предлагающий описание биофизических систем с помощью математических графов. Метод является эффективным и универсальным в том смысле, что одновременно описывает целый класс систем, обладающих одинаковой структурой связей между объектами.

Рассмотрены два примера применения метода в биофизике. В качестве первого примера приведена модель группы нейронов и астроцитов в условиях ишемического инсульта. Произведен переход от существующей в литературе кинетической модели, описывающей потоки электролитов через мембрану нейрона и астроцита, к пространственной модели, позволяющей описать пространственное развитие зоны поражения без упрощения описания ионных токов. В качестве второго примера рассмотрена система электронного транспорта через мембрану тилакоида. Рассматриваются кривые индукции флуоресценции адаптированных к темноте растений, полученные в рамках наиболее распространенного в литературе кинетического подхода, а также при помощи многоточечного сетевого метода, предлагающего минимальное описание пространственной структуры тилакоида, отвечающее существующим данным о связях внутри системы.