![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Экспериментальные и теоретически еисследования в области лазерной химии, биофизики и биомедицины
Получены КР и ИК-Фурье спектры ряда глобулярных и фибриллярных белков, а также модельного полипептида поли-L-лизина в диапазоне «отпечатков пальцев» и в низкочастотном диапазоне. Анализ полученных результатов позволяет предположить, что колебательные спектры белков могут использоваться для получения информации о третичной и, возможно, четвертичной структуре белковой молекулы.
МЛЦ МГУ обладает современной научно-технической базой и высококвалифицированными кадрами в области лазерной химии, биофизики и биомедицины
Разработаны и апробированы новые лазерные методы измерения скоростей химических реакций, в том числе ферментативных, для определения особенностей функционирования молекулярных машин в различных условиях. Рассчитаны и измерены константы скорости для реакции гидролиза этилацетата. Полученные результаты хорошо согласуются между собой и данными, приведенными в литературных источниках. Показано, что низкочастотные ИК-Фурье спектры глобулярных белков в значительной степени отличаются от спектров фибриллярных белков. Обнаруженны спектральные изменения, предположительно связанные с изменением третичной структуры белковой молекулы. Данные колебательной спектроскопии , могут использоваться для количественного описания третичной структуры белковых молекул.
госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию) |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. | Лазерная химия, биофизика и биомедицина |
Результаты этапа: Исследован процесс переноса энергии в гибридных комплексах из различных квантовых точек и фоточувствительных белков (реакционные центры из бактерий Rb. sphaeroides, протеородопсин из Exiguobacterium sibiricum) на поверхности токопроводящих ITO-электродов с использованием методов электростатического и координационного связывания молекул. В 3-х электродной электрохимической ячейке изучены фотовольтаические свойства таких электродов при варьировании состава электролита и спектрального состава актиничного света. Сравнительное изучение кинетик окислительно-восстановительных превращений фотоактивного бактериохлорофилла РЦ пурпурных бактерий Rb.sphaeroides и хинонных акцепторов в их индивидуальных полосах поглощения позволило оценить энергию активации и характерное время переходного релаксационного процесса, связанного со стабилизацией электрона на конечном хиноном акцепторе, и высказать определенные заключения о вовлекаемых в данный процесс водородных связях в окружении хинона. С помощью лазерной конфокальный микроскопии, иммуноферментного анализа и оценки функциональных параметров митохондрий (потребления кислорода, производство активных форм кислорода, уровень трансмембранного потенциала ионов водорода и пр.) было показано, что митохондрии являются ключевым звеном внутриклеточной сигнализации, а митохондриально-направленные вещества могут являться основой терапевтической стратегии для лечения патологий органов. Показано, что адаптация ткани, подверженной окислительному инсульту, за счет кратковременных пульсов ишемии, перемежающихся с нормоксией, приводит к уменьшению пагубных последствий глобальной ишемии. Показано, что соли лития, использующиеся в терапевтической практике исключительно для лечения психозов, обладают терапевтическим свойством — уменьшать повреждения тканей, вызванные окислительным стрессом. Эти соли являются доступными и экономически выгодными и обладают малой токсичностью, что позволяет их рекомендовать для широкого использования в клинической практике при лечении патологий, опосредованных окислительным стрессом, таких, как инсульты, инфаркты, травмы, бактериальная, вирусная и химическая интоксикация. Учитывая бактериальное происхождение митохондрий введено понятие митобиоты, как совокупности митохондрий в клетке, изменение гомеостаза которой может вызывать большой ряд патологий, включая инфекцию, рак и старение. Изучена динамика формирования и релаксации сигнального состояния фотоактивного белка ОСР (оранжевого каротиноидного белка) в цианобактериях и его роль в процессе нефотохимического тушения как механизме фотопротекции. Показано, что низкочастотный (НЧ) спектральный диапазон в КР и ИК-Фурье спектрах может использоваться для исследования конформации белков. Изучено влияние тепловой денатурации, ингибирования и разрыва дисульфидных связей на НЧ спектры химотрипсина и альбумина. Предложен алгоритм измерения асимметрии распределения эритроцитов по деформируемости на основе данных лазерной дифрактометрии эритроцитов в сдвиговом потоке (эктацитометрии), испытанный на специально подготовленных образцах крови крыс. | ||
2 | 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. | Лазерная химия, биофизика и биомедицина |
Результаты этапа: Разработаны и апробированы новые лазерные методы измерения скоростей химических реакций, в том числе ферментативных, для определения особенностей функционирования молекулярных машин в различных условиях. Рассчитаны и измерены константы скорости для реакции гидролиза этилацетата. Полученные результаты хорошо согласуются между собой и данными, приведенными в литературных источниках. Показано, что невысокая чувствительность КР спектроскопии компенсируется уникальностью КР спектра для каждого химически чистого вещества, что позволяет определять по спектру различные соединения и измерять их концентрации с течением времени. Создана экспериментальная установка для лазерной дифрактометрии эритроцитов на мазках крови. В автоматическом режиме проведено измерение среднего радиуса эритроцитов на мазке. Проверка полученных данных с помощью микроскопа показала их высокую точность. Показано, что измерение размеров эритроцитов методом лазерной дифрактометрии значительно менее трудоемко, чем с помощью микроскопа, и обеспечивает высокую скорость обработки данных. Проведена оценка влияния УФ излучения на дисульфидные связи и связи между атомами серы и углерода у поверхности волоса (периферия) и вблизи медулы (центр) методом конфокальной КР микроспектроскопии. Исследованы образцы красочных пигментов с настенных изображений из Каповой пещеры с помощью лазерной КР микроспектроскопии. В образцах определены гематит, гетит, кальцит и уголь. В некоторых образцах были также обнаружены анатаз и кварц. Такой набор веществ характерен для палеолитических красок из памятников Франко-Кантабрии. Создана уникальная методика анализа сверхмалых включений в бумажные материалы, основанная на применении методов лазерной абляции и лазерной микроспектроскопии комбинационного рассеяния света. Применение разработанной техники позволяет проводить бесконтактное исследование состава бумажного листа. Для исследования содержания дополнительных компонентов в бумаге использовался эффект лазерной абляции для получения микропроб из образца (без повреждения волокон), с последующим анализом методом КР микроспектроскопии. Методом импульсной терагерцовой спектроскопии в диапазоне частот 0.05-2.5 ТГц проведены исследования плазмы крови лабораторных животных - здоровых и с диабетом. Выявлено достоверное изменение коэффициентов пропускания и отражения образцов крыс с диабетом, как для их амплитуды, так и для фазы. Обсуждается причина наблюдаемых отличий в контексте изменения ТГц отклика. Предложен новый метод контроля состояния роговицы человеческого глаза с использованием терагерцового излучения в диапазоне 0,05 - 1,2 ТГц. Для реализации метода разработан и создан макет экспериментального терагерцового диагностического комплекса. Основным элементом установки является фотомиксер, обеспечивающий преобразование суммарного излучения двух одномодовых лазеров оптического диапазона с близкими частотами. В качестве таких лазерных источников выбраны непрерывные диодные лазеры с распределенной обратной связью. | ||
3 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Лазерная химия, биофизика и биомедицина |
Результаты этапа: Рассмотрены проблемы энергетики и стохастической динамики внутринейронного транспорта Построены математические модели молекулярных моторов, основанные на результатах исследований, выполненных при помощи комплекса экспериментальных методов, включающих методы лазерной физики. Лазерный захват и манипуляция клетками крови без механического контакта осуществлены при помощи лазерных пинцетов. Экспериментальный метод позволяет проводить новые гемореологические исследования и обеспечивает возможность изучения механизмов взаимодействия биоструктур на субклеточном и клеточном уровнях. Показано, что силы агрегации и дезагрегации эритроцитов существенно отличаются по величине, а их отношения отличаются для крови здорового донора и крови пациента, болеющего диабетом. Метод лазерной дифрактометрии применен для быстрых измерений распределений эритроцитов по размерам на влажных мазках крови. Экспериментально показано, что хлорид лития и вальпроат натрия эффективно предотвращают гибель клеток головного мозга после церебральной ишемии/гипоксии у новорожденных крысят. Экспериментально показано, что деградация миоглобина играет важную роль в уменьшении выраженности почечной недостаточности, вызванной рабдомиолизом. Поставлена проблема поиска системы защиты митохондрий от вирусов и предложены некоторые подходы к ее решению. Данные лазерной КР микроспектроскопии показывают, что УФ излучение вызывает повреждение кутикулы и увеличение количества SH групп в белках волоса. Уменьшение количества S-S и C-S связей цистинов в периферийных областях волоса значительнее, чем уменьшение в центральной части. Спектральные изменения указывают на конформационные изменения кератинов волос предположительно связанные с разрывом дисульфидных мостиков. Полученные данные могут быть использованы при диагностике повреждений волос, вызванных УФ облучением. | ||
4 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Лазерная химия, биофизика и биомедицина |
Результаты этапа: | ||
5 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Лазерная химия, биофизика и биомедицина |
Результаты этапа: | ||
6 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Лазерная химия, биофизика и биомедицина |
Результаты этапа: | ||
7 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Лазерная химия, биофизика и биомедицина |
Результаты этапа: | ||
8 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Лазерная химия, биофизика и биомедицина |
Результаты этапа: В результате анализа экспериментальных данных можно сказать, что наблюдаемые в КР спектре фибриногена изменения, вызванные естественной деградацией белка, могут быть связаны с изменениями его третичной структуры. Полученные данные о спектральных отличиях были использованы для сравнительного анализа ИК-Фурье и КР спектров других четырех известных белков со схожей вторичной, но различающейся третичной структурой. Результаты анализа показали, что различия между КР спектрами глобулярных белков (альбумин и лизоцим) значительно меньше, чем различия, наблюдаемые между спектрами глобулярного и неглобулярного белков (фибриноген и коллаген). В частности, линия на частоте 280 см-1 не наблюдается в спектрах фибриногена и коллагена и, следовательно, может быть использована как маркер наличия глобулярной третичной структуры белка. Линии – маркеры supercoiled структуры вероятнее всего могут быть найдены в интервалах 300-500 и 1050-1220 см-1, так как КР спектры альбумина, лизоцима и фибриногена в этих интервалах близки друг другу, но существенно отличаются от спектра коллагена. Особое внимание привлекают диапазоны 800-860 и 890-1000 см-1. Положения и относительные интенсивности линий тирозинового дублета (800-860 см-1) для разных белков различны. Во втором диапазоне спектры глобулярных белков схожи, в то время как фибриноген и коллаген имеют отдельные индивидуальные спектральные маркеры. Результаты ИК-Фурье спектроскопии показывают, что в изучении третичной структуры белков может быть использовано несколько спектральных диапазонов ИК спектра. Так, в диапазоне «отпечатков пальцев» наиболее значительные отличия между спектрами коллагена и остальными белками наблюдаются в диапазоне 1000-1260 см-1. Этот диапазон практически совпадает с конформационно-чувствительным диапазоном, выявленным при анализе КР спектров белков. В низкочастотном спектральном интервале линии на частотах 340 и 180 см-1 могут быть использованы как наиболее интенсивные маркеры неглобулярных белков (коллагена и фибриногена, соответственно). Предложена процедура лазерного пробоотбора, позволяющая получать микропробы с картин и идентифицировать их с помощью КР микроспектроскопии. Показано, что абляция красочного слоя на загрунтованном холсте является двухпороговым процессом: при плотности энергии выше первого порога происходит вынос частиц краски, а при достижении второго порога — абляция холста. Таким образом, при необходимости получить микрообразцы пигмента, нужно использовать плотность энергии в диапазоне между двумя порогами, а для получения микрообразца волокна холста нужно использовать значение плотности энергии выше второго порога. Предложенная методика может использоваться для исследования произведений живописи. | ||
9 | 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Лазерная химия, биофизика и биомедицина |
Результаты этапа: В соответствии с Техническим заданием на 2022 г. проведено измерение колебательных спектров белков с существенно различающимися третичными структурами в различных конформационных состояниях, обеспечиваемых средствами внешнего воздействия, а именно разрывом дисульфидных мостиков. Проведено сопоставление спектральных изменений, наблюдаемых в низкочастотном (50–400 см–1) диапазоне со спектральными изменениями в высокочастотном (400–3500 см–1) диапазоне. Проведен анализ КР спектров двух глобулярных белков (альбумина и химотрипсина) – нативных и провзаимодействовавших с агентами разрыва дисульфидных связей ДТТ и ТКЭФ. Оба агента разрыва дисульфидных связей приводят к изменениям в структуре молекулы белка. Подтверждением являются спектральные изменения в интервалах 500-550 и 2500-2620 см-1. Анализ изменений линий амид I и амид III указывает на незначительные изменения вторичной структуры, при которых элементы порядка (альфа-спирали и бета-листы) переходят в неупорядоченную конформацию. Наблюдались изменения в соотношении интенсивностей линий тирозинового дублета, а также изменения в спектральном интервале 900-960 см-1. Агенты разрыва дисульфидных связей ДТТ и ТСЕП влияют на третичную структуру молекулы белка в большей степени, чем на вторичную. Изменения в низкочастотном спектральном диапазоне, по-видимому, также в большей степени определяются изменениями третичной структуры. В соответствии с Техническим заданием на 2022 г. проведены эксперименты по определению влияния процессов естественного и искусственного старения на красочные слои. Для большинства образцов характерно уменьшение L* координаты при термическом воздействии через год после нанесения краски, что соответствует потемнению образцов. Несмотря на то, что a* координата определяется как показывающая изменение от зелёного к красному, а b* координата соответствует изменению от синего цвета к жёлтому, значения изменения только одной из этих координат не даст верного представления об изменении цвета образца. Тем не менее, мы действительно можем говорить об уменьшении синего цвета (уменьшении модуля b* координаты) для синих образцов после термического воздействия. Это означает, что цвет становится более тусклым. a* координата имеет общие тенденции для всех образцов, за исключением образцов Zn-LO: термическое воздействие, произведённое через год после нанесения красок, увеличило значение a* координаты, кроме того, a* координата увеличивалась в ходе естественного старения. Исследование показало, что грунт влияет на изменение цвета при высыхании краски – для образцов на грунте LO, независимо от связующего и пигмента существует тенденция к увеличению b* координаты, как при естественном старении, так и после термического воздействия. | ||
10 | 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Лазерная химия, биофизика и биомедицина |
Результаты этапа: |
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".