Рабочий семинар
cектора информатики и биофизики сложных систем

2015 год

19.2.2015 Анатолий Александрович Сорокин (Институт биофизики клетки РАН). Rule-based моделирование систем внутриклеточной сигнализации.

Одним из существенных препятствий при разработке математических моделей путей внутриклеточной сигнализации является так называемый «комбинаторный взрыв» - быстрый рост размерности модели (числа описываемых молекулярных компонент) при добавлении в нее новых реакций, белков, сайтов пост-трансляционной модификации. Для построения, симуляции и анализа моделей, имеющих склонность к «комбинаторному взрыву» в последние 10 лет были разработаны методы rule-based моделирования. Принцип такого подхода заключается в замене явного кинетического уравнения на минимально необходимый шаблон (rule), что позволяет как выписывать уравнения модели в явном виде, так и собирать модель «на лету», в том случае, если она содержит огромное число возможных молекулярных компонент.

В докладе рассмотрены основные концепции методов rule-based моделирования, границы применимости, подходы к построению моделей, способы анализа структуры полученной модели и результатов ее симуляции.

26.2.2015 Александр Иванович Юсипович (Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра биофизики). Использование фазовых изображений для исследования биологических объектов.

Доклад посвящен использованию фазовых изображений, получаемых разными методами оптической микроскопии (в частности при помощи лазерной интерференционной микроскопии) для оценки различных биологических объектов. Приведены примеры фазовых изображений, получаемых от различных биологических объектов

12.3.2015 Татьяна Галочкина (Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра биофизики). Моделирование конформационной подвижности О-антигена липополисахарида наружной мембраны Salmonella typhimurium.

Наружный монослой внешней мембраны грамотрицательных бактерий в основном состоит из липополисахаридов (ЛПС), попадание в кровь которых является одной из основных причин септического шока. В данной работе рассматривается молекулярно-динамическая модель молекулы ЛПС, а также ЛПС-содержащей мембраны, построенная на основе силового поля OPLS-AA.

Самой крупной и химически неоднородной частью молекулы ЛПС является О-антиген, так как число элементарных трёхуглеводных звеньев, из которых он состоит, может варьировать в пределах от 0 до 400 шт. По этой причине не существует экспериментальных данных, точно описывающих его пространственную структуру. Так как О-антигенная часть молекулы ЛПС, как правило, является крайне длинной и гибкой углеводной цепочкой, существует очень большое число вариантов её укладки. Систематизации и анализу конформационной подвижности О-антигенной части молекулы ЛПС и посвящена настоящая работа.

26.3.2015 Владимир Андреевич Федоров, Сергей Сергеевич Хрущев и Илья Борисович Коваленко (Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра биофизики). Исследование взаимодействия белков пластоцианина и цитохрома f методом броуновской динамики.

Белок-белковые взаимодействия лежат в основе большинства биологических процессов. Компьютерное моделирование динамики связывания белков дает важную информацию для понимания механизмов их функционирования. Одной из основных характеристик любого биологического процесса является константа скорости его протекания. Для изучения процессов диффузии и образования комплексов белков с успехом применяется метод броуновской динамики. Подход броуновской динамики используется для описания движения молекул белка, при этом каждая белковая молекула рассматривается как отдельное твердое тело, совершающее хаотическое движение под действием молекул растворителя.

Были проведены расчеты броуновской динамики белков пластоцианина и цитохрома f с учетом электростатических взаимодействий и без них. Было установлено, что в процессе моделирования сближения белков методом броуновской динамики необходимо учитывать конформацию белков, так как при изменении конформации скорость образования предварительного комплекса может изменяться в несколько раз.

16.4.2015 Артем Андреевич Рясик (Институт биофизики клетки РАН). Моделирование динамики открытых состояний ДНК.

Открытые состояния, обнаруженные в экспериментах по водородно-тритиевому обмену в ДНК, – тема, которой посвящен доклад. Что такое открытые состояния? Почему интересно их изучать? Как их промоделировать и построить траектории движения? Эти и другие вопросы, связанные с изучением открытых состояний ДНК, будут рассмотрены детально.

14.5.2015 Фарит Кабирович Закирьянов (Физико-технический институт Башкирского государственного университета, г. Уфа). Нелинейная динамика полимерных и биополимерных цепочек.

Рассматриваются результаты аналитических и численных исследований нелинейной динамики полимерных и биополимерных цепочек разной природы. Основное внимание уделяется образованию и распространению конформационных возмущений в моделях молекулы ДНК. Проводится учёт диссипации и внешних воздействий разного рода. Представлены как непрерывные, так и дискретные модели.

21.5.2015 Александра Викторовна Кузнецова (Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра биофизики). Изменение функционального состояния зелёных водорослей Chlamidomonas r., Ankistrodesmus f., Chlorella s. при азотном голодании в процессе роста в моно- и поликультурах.

В докладе рассматривается влияние азотного голодания на ультраструктуру и численность клеток, пигментный состав и эффективность первичных процессов фотосинтеза микроводорослей в процессе роста в моно- и поликультурах. Особое внимание уделяется изучению процессов переноса электронов между фотосистемами в ЭТЦ фотосинтеза. Обсуждаются две принципиально разные стратегии по способу адаптации ФСА микроводорослей в условиях азотного голодания. Адаптация в постоянно меняющихся условиях минерального питания и освещения определяет исход конкуренции между видами микроводорослей, что в итоге оказывает влияние на водную экосистему в целом, так как фитопланктон является основой цепи питания. В докладе приводятся данные мониторинга пресноводных водоёмов по изменению параметров флуоресценции хлорофилла фитопланктона и химическому составу природной воды.

17.9.2015 Азат Вадимович Абдуллатыпов (Институт фундаментальных проблем биологии РАН). Моделирование железоникелевых гидрогеназ.

В докладе будут отражены использованные методы предсказания трёхмерной структуры двух близкородственных железоникелевых гидрогеназ, оценка качества построенных моделей, анализ внутримолекулярных туннелей и структуры поверхности гидрогеназ, результаты докинга гидрогеназы с акцептором электронов (метилвиологеном) и положительно заряженными полипептидами, а также будет представлена схема возможной модификации гидрогеназы для повышения её устойчивости к кислороду.

24.9.2015 Алексей Михайлович Нестеренко (НИИ химической биологии имени А.Н. Белозерского). Существование градиента адсорбции морфогенетических факторов изменяет схему формирования самоорганизующихся градиентов.

В ходе раннего развития позвоночных первичная разметка тела осуществляется при помощи реакционно-диффузионных механизмов. В докладе будут представлены биохимические доказательства существования на средней гаструле лягушки градиента афинности по отношению к морфогену Noggin1, участвующему в разметке спина-живот у всех животных. Такой градиент неизбежно оказывает влияние как на саму форму реакционно-диффузионных уравнений, так и на форму получающихся Тьюринговских структур. В докладе также будет представлен биохимический анализ специфичности связывания Noggin1 с гепаран сульфатом, произведенный методом изотермической титрационной калориметрии.

1.10.2015 Ольга Геннадьевна Кононова (Московский физико-технический институт). Исследование механических свойств белковых комплексов.

Большие белковые супрамолекулярные комплексы обладают уникальными способностями самостоятельно собираться, разбираться, изменять свою форму и выполнять самостоятельное восстановление под влиянием контролируемого механизма. Эти особенности играют фундаментальную роль в биологии, и детальное изучение таких биомолекулярных систем позволяет решить ряд прикладных задач в области биофизических наук. Для изучения таких систем мы разработали многоуровневый подход моделирования, который мы назвали "наноиндентирование in silico''. Данный метод позволяет исследовать биомеханику биомолекулярных частиц на компьютере и предоставляет детальное отображение всего процесса деформации биомолекулы путем силового сдавливания, которое можно сравнивать с результатами атомно-силовой микроскопии (АСМ) и использовать в качестве дополнения к ним. Мы использовали данный подход для исследования биомеханических свойств вирусного капсида Cowpea Chlorotic Mottle virus (CCMV) и полимера микротрубочки (МТ), а также для по результатам этих экспериментов мы разработали аналитическую модель, способную качественно описывать спектральные линии силы-деформации, получаемые с помощью экспериментов по АСМ и определять основные механические характеристики системы.

15.10.2015 Наталья Евгеньевна Беляева (Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра биофизики). Отчет о работе Международной научной конференции «Фотосинтез и устойчивое развитие-2015, посвященной Проф. Дж. К. Пападжорджиу» (“Photosynthesis Research for Sustainability- 2015: In honor of Dr. George C. Papageorgiou”), прошедшей 21-26 сентября 2015 года на Крите, Греция.

Конференция «Фотосинтез и устойчивое развитие-2015», по традиции со встречами в 2013 (Баку) и 2014 (Пущино) годах, посвящена изучению как фундаментальных, так и прикладных аспектов фотосинтеза. Представлены работы исследователей всех стран и континентов. Междисциплинарный подход актуален при обсуждении широкого круга достижений и проблем. Здесь перечислим основные направления исследований.

1) Структурные исследования пигмент-белковых комплексов (ПБК): антенные, фотосистемы 2, 1.
2) Процессы сборки – разборки ПБК.
3) Согласование работы ПБК и внутрисистемного переноса электронов / протонов. Линейный и циклический пути ЭТЦ. Энергизация мембраны тилакоида. Регуляторные сети.
4) Роль малых молекул в сборке, стабилизации и функционировании структур мембраны тилакоида. Концевые группы белкового матрикса.
5) Расшифровка экспериментальных данных для анализа функционирования хлоропласта. Роль математического моделирования.
6) Наночастицы. Глобальный энергетический подход и проблема «Искусственный лист».
7) Ингибирование, стресс и экологический мониторинг.

В традициях конференций было проведено награждение молодых исследователей. Встреча 2015 года помогает понять прошлое, настоящее и будущее междисциплинарных исследований по фотосинтезу.

22.10.2015 Сильвия Орландуччи (Silvia Orlanducci) из Римского университета Тор Вергата (Università di Roma Tor Vergata). The bright future of nanodiamonds.

Absorption and fluorescence bands can arise from localized electronic states around impurities, vacancies, charge carriers and their combinations, inside a crystalline lattice. The electronic wavefunctions of these emitters, often called color centers, are opening new scenarios in research and technology and the creation of emitting centers in crystalline materials is nowadays a key point to be pursued. Moreover hybridization of the optoelectronic properties achieved by an assembly process of gold and diamond nanoparticles can induce a significant enhancement of the electric field properties with far-reaching implications for the applications in plasmonic, biosensing, and nanomedicine. We report here on the chemical methodologies that are being settled for the insertion in diamond of foreign atoms and consequent creation of fluorescent defects and how to couple efficiently gold nanoparticles and diamond to obtain innovative materials for SERS applications.

29.10.2015 Никита Борисович Гудимчук (Центр Теоретических проблем физико-химической фармакологии РАН / кафедра биофизики физического факультета МГУ). Молекулярно-механическая модель динамической микротрубочки.

Микротрубочки – внутриклеточные полимеры белка тубулина, необходимые для транспорта, подвижности, деления и поддержания структуры клеток. Микротрубочки динамически нестабильны, т.е. способны самопроизвольно переключаться между фазами полимеризации и деполимеризации при фиксированных условиях окружающей среды (цитоплазмы или экспериментального раствора). Несмотря на ключевую роль динамической нестабильности микротрубочек в ряде внутриклеточных процессов и большое количество экспериментальных и теоретических исследований, молекулярные механизмы этого явления остаются до конца невыясненными. Нами была построена молекулярно-механическая модель микротрубочки, рассматривающая микротрубочку, как ансамбль взаимодействующих твердых частиц, движение которых описывается уравнениями броуновской динамики. Полученная модель существенно превосходит предшествующие модели динамических микротрубочек по степени детализации и по количеству экспериментальных наблюдений, которые удается описать в рамках одного набора параметров модели. Мы применили эту модель к анализу механизмов перехода от деполимеризации к полимеризации и так называемого эффекта "старения" микротрубочек. Результатам этого анализа стало новое объяснение механизма "катастрофы" микротрубочек и предсказание новых потенциальных путей регуляции динамики микротрубочек ассоцированными с ними белками.

12.11.2015 Павел Андреевич Ермаченко (Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова). Иерархическая математическая модель фотобиологических очистных сооружений, интегрированных в плотную городскую застройку.

Рассматривается иерархическая математическая модель фотобиологических очистных сооружений интегрированных в плотную городскую застройку.
Модель содержит следующие подуровни:
- блок минерализации с фосфат-аккумулирующим активным илом, с рециркуляцией между реакторами с различными кислородными режимами;
- блок фотобиореакторов с микроводорослями, работающий в условиях динамического изменения освещённости и температуры;
- расчёт инсоляции фотобиологической архитектурной оболочки, учитывающий затенение в плотной городской застройке;
- расчёт теплового баланса фотобиореакторов;
- блок оптимизации расположения, формы и конструкции фотобиологической оболочки.

26.11.2015 Анна Владимировна Комарова (Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра биофизики). Внутриклеточный латеральный транспорт и ионные механизмы регуляции светозависимых мембранных процессов растительной клетки.

Механизмы внутриклеточной регуляции представляют одну из важных проблем биологии. Ярким примером являются обратимые переходы между однородным и неоднородным распределением фотосинтетической активности и потоков протонов в клетках харовых водорослей. В данной работе на модельном объекте Chara corallina рассмотрены механизмы регуляции светозависимых мембранных процессов растительной клетки, таких как фотосинтез, неравномерное распределение активности транспортных систем плазмалеммы, дистанционные взаимодействия между хлоропластами, и формирование светозависимых щелочных зон при микроперфорации клеточной стенки и более глубоких клеточных структур (плазмалемма, тонопласт). С помощью метода внутриклеточной перфузии исследовано влияние ионного состава цитоплазмы на фотосинтетическую активность хлоропластов. Выявлено совместное влияние Н⁺ и Са²⁺ цитоплазмы на флуоресценцию хлоропластов in situ (в структуре клетки). Изучена роль движения цитоплазмы в механизме дальней регуляции фотосинтеза и трансмембранного переноса протонов. Установлено, что в клетках Chara corallina происходит передача фотоиндуцируемых сигналов с потоком цитоплазмы. С помощью математической модели показаны проявления конвекции и диффузии при переносе фотоиндуцированного сигнала с потоком цитоплазмы. Показана роль циклоза в топографии наружных светозависимых щелочных зон, формируемых при микроперфорации клеточной стенки и более глубоких клеточных структур – плазмалеммы и тонопласта. Предложена схема генерации неоднородных профилей транспорта Н⁺ и фотосинтетической активности в клетках харовой водоросли, в которой регуляторную роль играет перераспределение ионов Н⁺ и Са²⁺ между компартментами клетки (цитоплазмой, апопластом, хлоропластами), в том числе за счет переноса сигнальных молекул с потоком цитоплазмы.

24.12.2015 Владимир Владимирович Аристов (Вычислительный центр им. А.А. Дородницына РАН). Быстрые кинетические процессы распространения и возможности их приложений.

В работе рассматриваются новые типы волнового движения, возникающие при кинетическом описании процессов взаимопроникновения и взаимодействия системы элементов двух видов. В результате взаимной аннигиляции (частичной или полной) процессы простого поступательного движения изменяются, с возможностью выхода на режим типа бегущей волны. Строятся аналитические решения поставленной задачи Коши. Определяются сходства и различия между данными процессами и известными автоволновыми движениями, основанными на решения уравнений диффузионного типа. Модель позволяет в принципе описать различные процессы: химические реакции, конкуренцию видов, исторические процессы быстрого вторжения. Рассмотрены модели блицкрига с определением скорости распространения фронтов во время Второй мировой войны: агрессия немецких армий в Польшу, Францию и СССР, а также контрудары под Сталинградом (В.В.Аристов, О.В.Ильин. Компьютерные исследования и моделирование. 2014. Т. 6, №5, с. 165-174, существенно расширенная и дополненная версия работы: V.V. Aristov, O.V. Ilyin. Physical Review E, 2015. Vol. 91. 04286, в научно-популярном журнале Scientific American, July 2015 появилось краткое изложение этой статьи). Построены решения для аналогичных двумерных задач. Рассматривается также обобщение для случая, когда частицы одного типа движутся направленно с постоянной скоростью, а частицы второго типа способны совершать броуновское движение. Определяются возможные перспективные приложения в биологии.