Лаборатория биофизики макромолекул

История. Лаборатория была создана в 1978 году Фомичевым Виктором Николаевичем, как Лаборатория Радиоспектроскопии. В 70-е и 80-е годы в лаборатории был выполнен ряд методических и исследовательских работ в области радиоспектроскопии: работы по созданию балансных бимодальных резонаторов для ЭПР спектроскопии при работе в сильно поглощающих средах (водные растворы) [ПТЭ, 1976. No 3. с.172-173.]; работы по предсказанию нелинейных эффектов в парамагнетиках и разработке на этой основе нового способа исследования магнетиков [ЖЭТФ, 1976.Т70 №3]; работы по разработке и созданию безмодуляционного способа регистрации сигналов ЭПР [Докл. АН СССР, 1976. Т.229 (No 1). с.70-72.]; работы по исследованию конформационных состояний tRNA методом спиновых меток [ Nucl. Acids Res., 1982. V.10 (No 3) p.1113 1126.] и другие работы в области резонансной и нерезонансной радиоспектроскопии.

Состав лаборатории.
 

Заведующий лабораториейИсаев-Иванов Владимир Васильевич, к.ф.-м.н.e-mail: isaev[at]omrb.pnpi.spb.ru
тел.:    +7 (813 71) 38541
  • Петухов Михаил Генадьевич – внс, доктор ф-мн;
  • Рыжов Вечеслав Анатольевич – внс, канд. ф-мн;
  • Лебедев Дмитрий Витальевич – снс, канд. ф-мн;
  • Швецов Алексей Валерьевич – нс, канд. ф-мн;
  • Илатовский Андрей Владимирович – нс, канд ф-мн; в наст время в США
  • Киселев Игорь Анатольевич – нс, канд. ф-мн;
  • Карелов Денис Владимирович – нс;
  • Шмидт Александр Евгеньвич – мнс;
  • Якимов Александр Павлович – мнс;
  • Байрамуков Виктор Юрьевич – мнс;
  • Афанасьева Арина Сергеевна – аспирант СПбПУ, ст. лаборант;
  • Юнг Игорь Алексеевич – аспирант СПбПУ, ст. лаборант;
  • Кадочников Владимир Васильевич - студент СПбПУ, ст. лаборант;
  • Кольцов Максим Алексеевич – студент СПбГУ, ст. лаборант;
  • Черемных Таисия Александровна – студентка СПбГУ, ст. лаборант;
  • Титов Анатолий Игоревич – студент ИТМО, ст. лаборант;
  • Егоров Владимир Валерьевич – снс, канд. биол. наук, совместитель, ФГБУ НИИ гриппа Минздрава России;
  • Гармай Юрий Петрович – мнс, совместитель, ФГБУ НИИ гриппа Минздрава России;
  • Ларионов Иван Игоревич – нс, совместитель

Направления научной деятельности

В настоящее время ЛБМ ОМРБ ФГБУ «ПИЯФ» ведет исследования в области структурной биологии с использованием методов малоуглового рассеяния нейтронов (МУРН), малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР), конфокальной флюоресцентной микроскопии, молекулярного моделирования и молекулярной динамики на следующих нуклеопротеидных комплексах и белковых структурах:

  1.  Изучение конформационной подвижности комплексов белков RecA и их кофакторов
  2.  Изучение нуклеопротеиновых комплексов вируса гриппа
  3.  Исследование частично собранных нуклеосомных структур
  4.  Исследование индукции конформационных переходов модельных пептидов
  5.  Изучение процесса образование комплексов модельного ионного самокомплементарного пептида с ДНК.
  6.  Изучение процесса олигомеризации пептида из вируса Эбола
  7.  Исследование структуры белка глюкоамилазы из Asp. Awamori
  8.  Исследование структуры и функций белков TIP49
  9.  Исследование возможного механизма действия белка VapD
  10.  Поиск новых путей активации транскрипции латентного провируса
  11.  Изучение структурно функциональных связей пре- и пост-транслокационных комплексов 70S рибосом.
  12.  Исследование структурно функциональных проявлений фрактальной организации хроматина ядер эукариот
  13.  Исследование нелинейных свойств и магнитно-электронного фазового разделения сложных магнетиков.
  14.  Исследование магнитных наночастиц и композитов и их возможных медицинских приложений.
  15.  Разработка математического обеспечения для обработки экспериментальных данных и  анализа траекторий молекулярной динамики, в том числе в среде GROMACS.

Изучение конформационной подвижности комплексов белков RecA и их кофакторов

Белок RecA является ключевым ферментом гомологической рекомбинации и рекомбинационной репарации ДНК в бактериях. RecA-подобные белки принадлежат к большому семейству ферментов, включающему белки RecA в бактериях, белки Rad51 и Dmc1 у эукариот, и белок RadA у архей. Основной функцией этих белков является катализ спаривания и обмена нитями между однонитевой и гомологичным участком двунитевой ДНК. Этот процесс необходим как для репарации двунитевых разрывов ДНК, так и для перемешивания генетического материала в процессе мейоза у высших. Несмотря на накопленный за несколько десятилетий активного изучения огромный объем информации о структуре и функциях этих белков, механизмы гомологичного спаривания и обмена нитями до сих пор не могут считаться установленными.

Конформационная подвижность RecA-подобных белков, их комплексов с олигонуклеотидами и белками-регуляторами изучалась нами путем моделирования молекулярной динамики в периодическом водном боксе с помощью пакета программ GROMACS. Моделирование проводилось для олигомеров белков RecA и их комплексов с одной, двумя и тремя нитями ДНК а так же тройного комплекса белков RecA RecX и онДНК и комплексов RecX онДНК.

Полученные МД модели были оценены на соответствие с результатами измерений малоуглового рассеяния нейтронов. Кроме того, для верификации молекулярно-динамических моделей были использованы прямые измерения динамики филаментов нуклеопротеидных комплексов белка RecA на временах от наносекунд до десятков наносекунд методом нейтронного спин-эхо (НСЭ).

Для этого нами было продолжено развитие программной утилиты для расчета спектров малоуглового рассеяния и нейтронного спин-эхо по молекулярно-динамическим траекториям, созданная нами в виде расширений пакета GROMACS. В ходе работ был впервые предложен и экспериментально верифицирован комплекс белка RecX с онДНК в виде сэндвич подобной структуры.

Работа ведется совместно с лабораторией молекулярной генетики ОМРБ ФГБУ «ПИЯФ»

Работа поддержана грантом РФФИ офи-м 14-24-01103 и 14-04-00817-a.

Конференции:

  1. Neutrons in Biology and Biotechnology 2014, ILL, Grenoble, France // Molecular dynamics simulations and neutron scattering investigation of the bacterial homologous recombination protein-DNA complexes // A. Shvetsov, D. Lebedev, D. Baitin, D. Chervyakova, A. Radulescu, O. Ivanova, P. Falus, V. Isaev-Ivanov
  2. Муромец 2014, ПИЯФ // Д.В. Лебедев, А.В. Швецов, А.И. Куклин, О. Иванова, А. Радулеску, В.В. Исаев-Иванов // Использование молекулярно-динамического моделирования и методов нейтронного рассеяния в исследовании структурно-функциональных свойств биомакромолекул.
  3. Муромец 2014, ПИЯФ // А.В. Швецов, Д.В. Лебедев, В.В. Исаев-Иванов // Полноатомная молекулярно-динамическая модель комплексов белков RecA и RecX на основе компьютерного моделирования и данных нейтронного рассеяния.
  4. 1-st International Symposium DSCMBS’14, Dushanbe Symposium on Computational Materials and Biological Sciences, At Dushanbe, Tajikistan // AV Shvetsov, DV Lebedev, VV Isaev-Ivanov //  Using the molecular dynamics simulation and neutron scattering methods to study structural and functional properties of biological macromolecules
  5. РНСИКС-2014, Петергоф //  А.В. Швецов, Д.В. Лебедев, В.В. Исаев-Иванов // Использование молекулярно-динамического моделирования и методов нейтронного рассеяния в исследовании структурно-функциональных свойств биомакромолекул

Статьи:

1. FEBS Lett. 2014 Mar 18;588(6):948-55. doi: 10.1016/j.febslet.2014.01.053. Epub 2014 Feb 13. Structure of RecX protein complex with the presynaptic RecA filament: Molecular dynamics simulations and small angle neutron scattering. Shvetsov AV, Lebedev DV, Chervyakova DB, Bakhlanova IV, Yung IA, Radulescu A, Kuklin AI, Baitin DM, Isaev-Ivanov VV.

Изучение нуклеопротеиновых комплексов вируса гриппа

Белок NP вируса гриппа А в составе РНК-белкового комплекса принимает участие как в упаковке генетического материала вируса, так и в репликации. В вакцинном штамме, полученном в НИИ гриппа МЗ России в процессе холодовой адаптации вируса гриппа А/H3N2/НК/68, была обнаружена аминокислотная замена E292G в белке NP. Можно предположить, что наличие такой замены влияет на структуру рибонуклеинового комплекса при различных температурах. Для проверки этой гипотезы проводится серия экспериментов по молекулярно-динамическому моделированию влияния данной мутации на конформацию белка при различных температурах, изучается изменение структуры комплекса с помощью методов малоуглового рассеяния нейтронов и малоуглового рентгеновского рассеяния, эксперименты по обратной генетике. Молекулярно-динамическое моделирование является связующим звеном между молекулярно-генетическими исследованиями, исследованиями in vitro и изучением фенотипа вирусов. Результаты работы могут быть использованы на практике при создании вакцинных штаммов вируса гриппа А с улучшенными характеристиками. Кроме того, в исследованиях затронута фундаментальная проблема связи структуры и функции ДНК-белковых комплексов, а также роли точечных замен в третичной и четвертичной структуре белков.

Работа ведётся совместно с ФГБУ НИИ гриппа Минздрава России и поддержана грантом РФФИ офи-м 14-24-01103. По результатам in vitro исследований подана одна статья в журнал «Поверхность», готовится к подаче статья в «Journal of Biomolecular Structure & Dynamics». В текущем году результаты работы докладывались на 2 конференциях – «РНСИ-КС-2014» и «Муромец-2014», опубликованы тезисы докладов.

Исследование частично собранных нуклеосомных структур

Посттрансляционные модификации нуклеосомы могут привести к изменению её четвертичной структуры и повлиять на стабильность хроматина и доступность ДНК для хроматин реконструирующих факторов. Нуклеосома находиться в динамическом равновесии с различными переходными состояниями, отличающимися степенью намотки ДНК и стехиометрией гистонового состава. Предполагается временное существование ряда промежуточных структур, в которых отсутствуют один или несколько гетеродимеров гистонов. Описываемые переходные состояния ещё недостаточно хорошо охарактеризованы как экспериментально, так и теоретически. 

Впервые в мире нами были построены полноатомные модели частично собранных нуклеосомных структур (дисомы (А), тетрасомы (Б) и гексасомы (В)), существование которых регулирует доступ белковых факторов к генетической информации, закодированной в ДНК. Свойства таких структур сравниваются с октасомой (Г) – коровой нуклеосомной частицей. На рисунке для каждой нуклеосомной структуры проанализирована доступность участков ДНК для белковых факторов: область, окрашенная красным, всегда защищена гистонами от взаимодействия с белковыми факторами, зелёным – всегда доступна, жёлтым – доступна время от времени. Цветные линии соединяют центры масс пар гистонов в коре, расстояния между центрами указаны в ангстремах. Построенные модели дали нам возможность по-новому интерпретировать имеющиеся экспериментальные данные, характеризующие структурные и динамические свойства нуклеосомных частиц, полученные методами атомной силовой микроскопии, резонансного переноса энергии флуоресценции и малоуглового рентгеновского рассеяния. Анализ защищённости от действия нуклеаз активного хроматина плодовой мушки, позволил нам сделать вывод о существовании частично собранных нуклеосомных частиц in vivo, чьё присутствие может ускорять процесс транскрипции.

Результаты работы были представлены на двух международных и одной российской конференции:

  1. Rychkov, G., I. Nazarov, A. Ilatovskiy, A. Shvetsov, D. Lebedev, V. Isaev-Ivanov and A. Onufriev (2014). "Nucleosomal intermediate structures characterized by molecular dynamics simulations and atomic force microscopy." FEBS Journal 281(Suppl. 1): 707-708.
  2. Rychkov, G., A. Ilatovskiy, I. Nazarov, A. Shvetsov, D. Lebedev, V. Isaev-Ivanov and A. Onufriev (2014). "Partially assembled nucleosomal structures characterized by molecular dynamics simulations and atomic force microscopy." Dushanbe Symposium on Computational Materials and Biological Sciences", 2014, Book of abstracts, pp. 62-63
  3. Рычков Г.Н., Илатовский А.В., Назаров И.Б., Швецов А.В. , Лебедев Д.В. , Исаев-Иванов В.В. , Онуфриев А.В. Частично собранные нуклеосомные структуры: полноатомное моделирование и данные атомной силовой микроскопии. I Конференция молодых учёных и специалистов ПИЯФ КМУС-2014, Сборник тезисов, с. 44.

По итогам работы готовится публикация в высокорейтинговый зарубежный журнал.

Исследование индукции конформационных переходов модельных пептидов

Образование нерастворимых устойчивых к протеолизу фибриллярных белковых агрегатов сопутствует целой группе болезней, называемых амилоидозами (болезни Альцгеймера, Паркинсона и др.). Фибриллогенез сопровождается конформационными изменениями белков, в частности, увеличением содержания бета-структурированных участков. Для понимания механизмов образования фибрилл и префибриллярных олигомеров мы создали модельную пептидную систему, и с помощью биохимических и биофизических методов описали индуцированный тетрапетпидом конформационный переход модельного пептида, протяжённостью 17 аминокислотных остатков. Для детального описания механизма взаимодействия пептидов в этой системе нами были проведены эксперименты по молекулярной динамике. Полученные результаты и разработанные методы анализа траекторий могут быть применены при моделировании взаимодействий терапевтических пептидов с белками-мишенями, а также при поиске ингибиторов конформационных переходов, обусловливающих возникновение конформационных заболеваний.

По результатам моделирования и сопоставлению их с данными in vitro экспериментов подана статья в журнал «Кристаллография». Опубликована статья в журнале «Prion» . Результаты исследования были представлены на конференциях «РНСИ-КС-2014», «КМУС-ПИЯФ 2014», тезисы докладов опубликованы. Полученные результаты также послужили основой бакалаврской работы студента СПбГПУ Кадочникова В.В.

Изучение процесса образование комплексов модельного ионного самокомплементарного пептида с ДНК.

Ионные самокомплементарные мотивы (СКМ) , впервые были описаны при исследованиях малых белков теплового шока. СКМ в этих белках обеспечивают взаимодействия между субъединицами. Для сборки функциональных шаперонинов необходимо взаимодействие ориентированных антипараллельно СКМ мономеров. Показано, что СКМ также участвуют во взаимодействиях, определяющих сборку олигомерных комплексов кристаллинов - структурных белков, обнаруженных в различных органах, в том числе в тканях глаза. СКМ также принимают участие в образовании ряда функциональных ДНК-белковых комплексов.

В качестве модельного пептида для изучения таких взаимодействий был синтезирован пептид GDIRIDIRIDIRG, показано, что он способен к образованию фибриллярных комплексов. Было проведено молекулярное моделирование взаимодействия пептида GDIRIDIRIDIRG с рядом модельных молекул - структурных аналогов нуклеотидов. Было обнаружено, что аналоги нуклеотидов имеют тенденцию взаимодействовать с основными аминокислотами в составе бета-структурированных участков белков. Мы изучили влияние GMP и ряда аналогов GMP на различных этапах формирования фибрилл пептида с помощью методов электронной микроскопии, МУРР и МУРН. Показано, что нуклеотидные аналоги способны модулировать олигомерное состояние пептида GDIRIDIRIDIRG. Кроме того, показано, что пептид способен ко взаимодействию с ДНК. Изучается функциональная активность таких комплексов, обсуждается роль СКМ в приводящей к патогенезу конформационных заболеваний олигомеризации белков, а также в функционировании белков, взаимодействующих с ДНК.

Изучение процесса олигомеризации пептида из вируса Эбола

Белок GP  вируса Эбола - основной структурный белок, играющий ключевую роль в проникновении вируса в клетку. Изучение влияния аминокислотных замен на этот процесс и изучение структуры GP, выделенных из разных штаммов, позволило определить ряд областей, критичных для функционирования белка. Одной из таких областей является участок 551-560, содержащий консервативный остаток цистеина (556), участвующий в формировании пространственной структуры. Кроме того, участок 551-560 может играть роль в латеральном взаимодействии, обусловливающем процессинг GP. Данный участок был выбран нами в качестве мишени для поиска низкомолекулярных соединений, способных осуществлять специфическое взаимодействие с белком GP и модулировать его пространственную структуру. Мы изучили способность к олигомеризации модельного пептида, соответствующего участку 551-560 белка GP вируса Эбола штамма Судан (GenBank YP_138523.1) и модельного пептида с аминокислотной заменой, соответствующей замене Q560G с помощью просвечивающей электронной микроскопии и малоуглового рассеяния нейтронов. Изученная модельная система может быть использована для скрининга влияния различных низкомолекулярных веществ на функциональные внутри- и межмолекулярные взаимодействия белка GP вируса Эбола, что, принимая во внимание опасность работы с живым вирусом, является важным шагом на пути поиска фармакологических инструментов для борьбы с данным заболеванием. Кроме того, наблюдаемая в эксперименте способность пептида G33 к образованию амилоидоподобных фибрилл свидетельствует о потенциальной возможности использования аналогов данного пептида в качестве средства, предотвращающего правильную сборку белка GP вируса Эбола.

Работа ведётся совместно с Отделом молекулярной вирусологии ФГБУ НИИ гриппа МЗ РФ. По результатам исследования подана статья в журнал «Кристаллография».

Исследование структуры белка глюкоамилазы из Asp. Awamori

Глюкоамилаза (α-1,4-глюкан-глюкогидролаза, GA, EC 3.2.1.3) - гликопротеин, принадлежащий к семейству гликозид-гидролаз GH15,  катализирующий реакцию гидролиза α-1,4- и α-1,6-гликозидных связей в полимерах и олигомерах глюкозы. Фермент широко используется в промышленности при производстве биоэтанола, глюкозы и фруктозных сиропов. Глюкоамилаза содержит каталитический и крахмал-связывающий домены, связанные О-гликозилированной полипептидной цепью. Конформация линкера, относительное положение доменов и полная структура фермента не известны.

На основе данных, полученных нами в экспериментах по малоугловому рассеянию, была построена начальная модель глюкоамилазы. Нами были использованы структуры каталитического домена 1GAI и структура крахмал-связывающего домена 1AC0 из банка PDB. Линкер между крахмал-связывающим и каталитическим доменами был достроен в произвольной ориентации с фиксированными концами на соответствующих доменах. Моделирование молекулярной динамики проводили с помощью программного пакета GROMACS в периодическом водном боксе с использованием поля amber99sb-ildn и модели воды tip3p для явного растворителя. Модель была уравновешена в периодическом водном боксе при температуре 323K и давлении 1 Атм в течение 25 нс. Спектры рассеяния полученной структуры были рассчитаны из последних 10 нс молекулярной динамики с помощью модуля g_sans.

Нами была получена трехмерная структура полной формы глюкоамилазы GA1 без учета гликозилирования. Среднее значение радиуса гирации за последние 10 нс траектории составило 33.4 ± 0.6 Å, что коррелирует с экспериментальными данными. Раcчетный спектр МУРН, усредненный по последним 10 нс траектории, так же хорошо согласуется с экспериментальным спектром МУРН глюкоамилазы в D2O.

Полученные результаты в дальнейшем будут использованы для создания полноатомной модели белка с учетом N- и O-гликозилирования.

Работа поддержана грантом РФФИ офи-м 14-24-01103. По результатам была подана одна статья в журнал «Кристаллография». В текущем году результаты работы докладывались на конференции – «РНСИ-КС-2014» опубликованы тезисы докладов.

Исследование структуры и функций белков TIP49

Объектом исследования настоящего проекта являются белки семейства ДНК-зависимых АТФаз TIP49, относящиеся к семейству ДНК-зависимых АТФаз ААА+ и являющиеся неотъемлемыми для жизнедеятельности эукариотических клеток и архей. Как часть комплексов ремодуляции хроматина TIP60, SWR1 и INO80, они играют важную роль в большинстве процессов жизнедеятельности клеток, таких как транскрипция, репарация ДНК, митоз и апоптоз. Недавно было показано, что эти белки играют ключевую роль в канцерогенезе, а селективные ингибиторы АТФазной активности этих белков являются перспективными лекарственными средствами в борьбе с несколькими видами рака человека.

Цель настоящего проекта состоит в исследовании механизмов ДНК-зависимой АТФазной активности белков семейства TIP49 с помощью комбинации теоретических методов молекулярного моделирования, молекулярной динамики в периодическом водном боксе и современных экспериментальных молекулярно-биологических и биохимических методов.

В сотрудничестве с нашими зарубежными коллегами в работе впервые была получена кристаллическая структура кольцевого гексамерного комплекса белков TIP49B (код PDB 3UK6). На основе этих данных, а также имеющихся литературных данных методами молекулярного моделирования впервые были получены полноатомные модели гексамерных и додекамерных комплексов белков TIP4A, TIP49B, TIP4A/TIP49B c АТФ и днДНК и исследована их крупно масштабная конформационная подвижность. Впервые было показано что центральный этих комплексов имеет достаточные размеры для связывания днДНК как в классической Б-форме так и в растянутой форме. Методами молекулярной динамики исследовано влияние присутствия АТФ и GC-состава ДНК на механизмы растяжения днДНК в центральном канале мультимерных комплексов белков семейства TIP49. Теоретически и экспериментально исследован механизм гидролиза АТФ в белках семейства TIP49 и показано что эта реакция гидролиза АТФ идет ассоциативному механизму. Разработаны новые методы исследования влияния литической и структурной воды в активных центрах белков как на их биологическую активность и конформационную стабильность фермент-субстратных комплексов. Впервые проведенное нами исследование динамики литических молекул воды в активном центре АТФазы открывает новые возможности по исследованию ферментативной активности других белков с помощью методов молекулярного моделирования и молекулярной динамики.

Статьи:

  1. Petukhov M., Dagkessamanskaja A., Bommer M., Barrett T., Tsaneva I., Yakimov A., Quéval R., Shvetsov A., Khodorkovskiy M., Käs E., Grigoriev M. Large-Scale Conformational Flexibility Determines the Properties of AAA+ TIP49 ATPases // Structure. - 2012. - Vol. 20. - P. 1321-1331.
  2. Afanasyeva A., Hirtreiter A., Schreiber A., Grohmann D., Pobegalov G., McKay A.R., Tsaneva I., Petukhov M., Kas E., Grigoriev M., Werner F. Lytic water dynamics reveal evolutionarily conserved mechanisms of ATP hydrolysis by TIP49 AAA+ ATPases // Structure. - 2014. - Vol. 22. - P. 549-559.
  3. Афанасьева А., Якимов А., Григорьев М., Петухов М. Динамика и механизмы взаимодействия гетерогексамерных кольцевых комплексов белков TIP49A/B с двунитевой ДНК // Цитология. - 2015. - Т. 57. - С. 671-678.
  4. Afanasyeva A., Izmailov S., Grigoriev M., Petukhov M. AquaBridge: A novel method for systematic search of structural water molecules within the protein active sites // Journal of Computational Chemistry. - 2015. - Vol. 36. - P. 1973-1977.

Конференции:

  1. Афанасьева А.С., Григорьев М.Ю., Петухов М.Г. Влияние ДНК на динамику литической воды в ДНК зависимых АТФазах семейства TIP49 // XXII Российский национальный конгресс "Человек и лекарство"  6 - 10 апреля 2015 / ред. А. Г. Чучалин. - Москва: ЗАО РИЦ "Человек и лекарство", 2015.
  2. Chervyakova D.B., Lebedev D.V., Afanasyeva A., Khodorkovsky M.A., Isaev-Ivanov V.V., Petukhov M. TIP49a protein forms active rod-like structures in solution, 40th FEBS Congress (FEBS 2015) 4–9 July 2015 Berlin, Germany // FEBS Journal. - 2015. - Vol. 282 (Suppl. 1). - P. 335.
  3.  Afanasyeva A., Grigoriev M., Petukhov M. The structural basis of the TIP49a/b dodecamerization, 40th FEBS Congress (FEBS 2015) 4–9 July 2015 Berlin, Germany // FEBS Journal. - 2015. - Vol. 282 (Suppl. 1). - P. 333.
  4.  Afanasyeva, A., M. Grigoriev and M. Petukhov (2014). dsDNA affects dynamics of lytic water molecules in the catalytic sites of TIP49a/b hexamers. Book of abstracts, 2-nd International Workshop on Pontin and Reptin, October  10-12, 2014 Oeiras Portugal.
  5.  Afanasyeva, A., M. Grigoriev and М. Petukhov (2014). Mechanisms of DNA stretching in complexes with TIP49A/B proteins. FEBS EMBO 2014 Congress. Paris 31 aug – 4 sept 2014, Late Abstracts: 51.
  6.  Afanasyeva, A., M. Grigoriev and М. Petukhov (2014). Mechanisms of DNA stretching in complexes with TIP49A/B proteins. Young Scientist Forum. Paris, FEBS EMBO 2014 Congress. Paris 31 Aug – 4 Sep 2014: 19.
  7.  Afanasyeva, A., S. Izmailov and M. Petukhov (2014). The use of new molecular modelling method for investigation of structural water. 20th EuroQSAR, Understanding Chemical-Biological Interactions. St.-Petersburg, August 31 - September 4: 179.

SEQOPT – Новый метод рационального конструирование термостабильных белков с помощью глобальной оптимизации аминокислотных последовательностей их альфа-спиралей.

В лаборатории, на основе модифицированной нами статистико-механической модели AGADIR, описывающей переходы случайный клубок – альфа-спираль в мономерных пептидах а также туннельного алгоритма глобальной оптимизации, разработан новый практически важный метод глобальной оптимизации аминокислотных последовательностей альфа-спиралей в коротких пептидах и глобулярных белках. Разработаны оригинальные компьютерные программы для глобальной оптимизации аминокислотных последовательностей альфа-спиралей коротких пептидов и белков и соответствующий WEB-сервер этого метода: http://mml.spbstu.ru/services/seqopt/. Получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа способна искать уникальные аминокислотные последовательности, имеющие максимально возможное количество стабилизирующих взаимодействий в альфа-спиральных конформациях. При этом предусмотрена возможность произвольно фиксировать любые фрагменты первичной структуры (например, аминокислоты, участвующие во взаимодействиях, стабилизирующих третичную структуру белка) в их нативных последовательностях. В отличие от имеющихся в настоящее время способов частичной термостабилизации белков с помощью точечных аминокислотных замен, разработанный метод основан на осуществлении множественных аминокислотных замен, позволяющих оптимизировать те физические взаимодействия в альфа-спиралях белков, которые не влияют на активность, но увеличивают стабильность белков в экстремальных температурных условиях. Определены аминокислотные последовательности с близким к максимальному количеством внутриспиральных стабилизирующих взаимодействий для пептидов длиной 10-13 остатков. Данные КД-спектроскопии показали, что максимальное содержание альфа-спиральной конформации в таких пептидах может достигать рекордных 70-75%.

Статьи:

  1. Yakimov A., Rychkov G., Petukhov M. De novo design of stable alpha-helices // Methods Mol Biol. - 2014. - Vol. 1216. - P. 1-14.
  2. Petukhov M., Tatsu Y., Tamaki K., Murase S., Uekawa H., Yoshikawa S., Serrano L., Yumoto N. Design of stable alpha-helices using global sequence optimization // J Pept Sci. - 2009. - Vol. 15. - P. 359-365.

Конференции:

  1. Yakimov A., Rychkov G., Petukhov M. SeqOPT: web based server for rational design of conformationally stable alpha-helices in monomeric peptides and globular proteins // FEBS Journal. - 2013. - Vol. 280. - P. 127-128.
  2. Yakimov A., Rychkov G., Petukhov M. SEQOPT: new method and web server for de novo design of stable alpha-helices in peptides and globular proteins // 20th EuroQSAR, Understanding Chemical-Biological Interactions. - St.-Petersburg, August 31 - September 4, 2014.
  3. Якимов А.П., Рычков Г.Н., Петухов М.Г. SEQOPT: Новый метод и WEB-сервер для конструирования высокостабильных альфа-спиралей в мономерных пептидах и глобулярных белках // XXI Российский национальный конгресс "Человек и лекарство" 7 - 11 апреля 2014 / ed. А. Г. Чучалин. - Москва: ЗАО РИЦ "Человек и лекарство", 2014. - с. 361.

Разработка термостабильных вариантов промышленно важного фермента глюкоамилазы из Asp. awamori

Рациональное конструирование промышленно важных ферментов, имеющих высокую активность, специфичность и термостабильность при заданных условиях среды (температура, pH, давление, ионная сила и  т.д.), имеет не только большое практическое значение, но и способно прояснить многие вопросы, связанные с самопроизвольным сворачиванием белков в уникальную биологически активную конформацию и молекулярными механизмами их действия. Одним из наиболее широко используемых  ферментов в мировой промышленности при производстве фруктозы и биоэтанола является  не достаточно термостабильная глюкоамилаза из мицелиального гриба Aspergillus awamori X100. В этой работе мы предпринимаем попытку создания фермента способного к эффективному гидролизу полисахаридов в жестких условиях промышленных реакторов. На основе известной пространственной структуры глюкоамилазы из мицелиального гриба Asp. awamori,  фермента, используемого при производстве биоэтанола, с помощью разработанных нами методов сконструировано и биохимически исследовано несколько аминокислотных замен (G127A, P128A, I136L, G137A и G139A), оптимизирующих внутренние взаимодействия в α-спирали “D” этого фермента. Полученные экспериментальные данные показали, что константа термоинактивации двойного мутанта глюкоамилазы из Asp. awamori (G137A и A246C) примерно в 2 раза ниже, чем у белка дикого типа. Кроме того, двойная мутация I136L и G139A  в термочувствительной α-спирали D этого фермента имеет значительный термостабилизирующий эффект. Один из созданных нами мутантов глюкоамилазы показал рекордную на сегодняшний день термостабильность этого одного из наиболее промышленно важных ферментов. Кроме того, в работе были определены оптимальные условия роста дрожжевых трансформантов и продуцирования в них глюкоамилазы. Предпринимаются также попытки получения термостабильных вариантов этого фермента с помощью введения в его структуру искусственных дисульфидных связей а также методов направленной эволюции белков.

Статьи:

  1. Суржик М.А., Шмидт А.Е., Глазунов Е.А., Фирсов Д.Л., Петухов М.Г. Влияние дополнительных тиоловых групп в молекуле глюкоамилазы из Aspergillus awamori на термостабильность и каталитическую активность фермента // Прикладная биохимия и микробиология. - 2014. - Т. 50. - С. 139–146.
  2. Суржик М.А., Чуркина С.В., Шмидт А.Е., Швецов А.В., Кожина Т.Н., Фирсов Д.Л., Фирсов Л.М., Петухов М.Г. Влияние точечных аминокислотных замен во внутренней альфа-спирали на термостабильность глюкоамилазы из Aspergillus awamori x100 // Прикладная биохимия и микробиология. - 2010. - Т. 46. - С. 221-227.

Конференции:

  1. Surzhik M.A., Shmidt A.E., Shvetsov A.V., Yakimov A.P., Kozhina T.N., Firsov D.L., Glazunov E.A., Petukhov M.G. Sequence optimization of protein alpha-heliсes - a new method for bioengineering of thermostable enzymes // 7-th International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure\Systems Biology — BGRS\SB-2010 /. -: SB RAS. - pp. 224.
  2. Шмидт А.Е., Суржик М.А., Кожина Т.Н., Петухов М.Г., Фирсов Л.М. Исследование термостабильности мутантных форм глюкоамилазы из гриба Aspergillus awamori // Материалы докладов 13-й международной школы-конференции молодых ученых «Биология наука 21 века» /. -: Издательство Пущинского научного центра РАН. - стр. 183.

Исследование возможного механизма действия белка VapD

Вирулентность – степень способности данного инфекционного агента заражать данный организм. Вирулентно-связанные белки, которые являются подуктом vap генов, могут быть недостаточным, но необходимым условием для вирулентности. Обнаружено несколько vap генов, существующих в разных огранизмах: vapA, B, C, D, H и I, но как продукты этих генов связаны с вирулентностью до сих пор остается неизвестным.

Объект нашего исследования – белок VapD из фитопатогена Xylella fastidiosa. X. fastidiosa – Грамм-отрицательная, стержнеобразная, ксилем-ограничивающая бактерия, которая является причиной некоторых важных заболеваний растений, среди которых пестрый хлороз цитрусовых (CVC) на апельсиновых деревьях, болезнь Пирса у виноградников, в также заболевания листьев у сливы, вяза, клена, дуба и кофе. X. fastidiosa относится в типу протеобактерий, которая обитает в ксилемах растений (сосудах, по которым проходит вода с питательными веществами), создавая в них низкое содержание питательных веществ. Поэтому механизмы восприятия и ответа на неблагоприятные условия имеют исключительную важность для выживания этой бактерии в растении-хозяине. У зараженных растений происходит задержка в развитии побегов, а растения с хроническим заболеванием в конце концов погибают. По этой причине она приносит большой экономический ущерб.

Некоторые вирулентно-ассоциированные белки классифицируется как относящиеся к семейству Cas2. К числу белков этого семейства относятся ДНК-связывающие белки. Принимая это во внимание, был построен комплекс VapD-ДНК с помощью программы PTOOLS. Для проверки стабильности этого комплекса были использованы методы молекулярной динамики. Произведение расчетов на 100нс показало, что комплекс довольно стабильный. После этого с помощью метода Umbrella sampling была рассчитана энергия связывания белка с ДНК, которая равнялась 10,6 ккал/моль. Отсюда был сделан вывод, что белок VapD с довольно большой вероятностью является ДНК-связывающим белком. Vap белки предположительно являются агентами, помогающими клетке выжить в стрессовых условиях. А так как мы знаем предположительный активный центр VapD и возможный механизм его действия, можно определить подход к борьбе с заболеваниями растений (в частности для создания микробиологических средств защиты) и для развития микробиологического контроля над ними.

Результаты работы были представлены на конференции “Horizons in molecular biology” в Гёттингене, Германия, 15-18 сентября, 2014.

Планируется выход статьи с результатами проделанной работы в журнал Acta Crystallographica Section D Biological Crystallography.

Поиск новых путей активации транскрипции латентного провируса

Данный проект посвящен поиску новых путей активации транскрипции латентного провируса, что является актуальной задачей лечения ВИЧ. В предыдущей работе группы исследователей университета Говарда было показано, что протеинфосфатаза-1 (PP1) организма хозяина является регулирующим фактором транскрипции ВИЧ-1. При этом PP1 дефосфорилирует Thr-186 и Ser-175 белка CDK9, а ингибирование PP1 в первую очередь вызывает фосфорилирование Ser-175 белка.

В проекте разработана серия небольших органических соединений способных связываться с PP1 и изменять его активность. Кроме того, с помощью вычислительных методов молекулярного моделирования и молекулярной динамики построены полноатомные модели комплексов белков CDK9-CYCLIN-TAT в нефосфорилированном состоянии и проведены сравнительные исследования крупномасштабной конформационной подвижности этих комплексов.

На основе имеющихся кристаллографических данных была построена полноатомная модель белка фосфатазы PP1 человека. С помощью теоретических методов докинга подвижных низкомолекулярных лигандов (пакет программ ICM-Pro) исследованы возможные сайты связывания набора потенциальных ингибиторов и активаторов этого фермента. Кроме того, в работе экспериментально проанализировано влияние этих соединений на активацию ВИЧ-1. Показано, что одно из соединений является потенциальным индуктором экспрессии генов ВИЧ-1. В частности, в клетках, обработанных этим соединением, увеличивалось фосфорилирование CDK9 по Ser175 и также увеличивалась экспрессия белка-регулятора PP1, sds22. Таким образом, впервые определен новый активатор экспрессии ВИЧ-1, показавший высокую активность как in vitro, так и in vivo посредством дерегулирования PP1, фосфорилирования Ser175 в CDK9 и экспрессии sds22.

Грант РФФИ 12-04-91444-НИЗ_а

Грант Американского фонда гражданских исследований и развития (CRDF) RUB1-31088-ST-12

По результатам успешного сотрудничества российской и американской лаборатории опубликовано 2 совместных статьи в ведущих международных журналах:

1. Breuer, D., A. Kotelkin, T. Ammosova, N. Kumari, A. Ivanov, A. V. Ilatovskiy, M. Beullens, P. R. Roane, M. Bollen, M. G. Petukhov, F. Kashanchi and S. Nekhai (2012). "CDK2 Regulates HIV-1 Transcription by Phosphorylation of CDK9 on Serine 90." Retrovirology 9: 94. (импакт фактор 4.77)

2. Nekhai, S., M. Petukhov and D. Breuer (2014)."Regulation of CDK9 Activity by Phosphorylation and Dephosphorylation."BioMed Research International 2014: Article ID 964964. (импакт фактор 2.706)

3. Tyagi M., Iordanskiy S., Ammosova T., Kumari N., Smith K., Breuer D., Ilatovskiy A.V., Kont Y.S., Ivanov A., Uren A., Kovalskyy D., Petukhov M., Kashanchi F., Nekhai S. Reactivation of latent HIV-1 provirus via targeting protein phosphatase-1 // Retrovirology. - 2015. - Vol. 12. - P. 63.

Изучение структурно функциональных связей пре- и пост-транслокационных комплексов 70S рибосом.

Прошедшие 15 лет ознаменовались значительным прогрессом в структурных исследованиях белоксинтезирующих рибонуклеиновых макромолекулярных комплексов – рибосом. Методами рентгеноструктурного анализа были получены структуры рибосомных субъединиц  (Ban et al., 2000; Carter et al., 2000), полных 70S бактериальных рибосом (Yusupov et al., 2001), а недавно – и 80S эукариотических рибосом (Ben-Shem et al., 2011). Получение информации о структуре рибосом методами рентгеновской кристаллографии привело также к пониманию того факта, что единичной, статической структуры, соответствующей состоянию системы с минимумом свободной энергии, недостаточно для прояснения молекулярного механизма функционирования комплекса. Частично информация может быть получена методами криоэлектронной микроскопии с последующей реконструкцией пространственной структуры. Группировка структур по принципу максимального подобия привела к пониманию того, что именно рибосомы в «поворотном» состоянии (ratcheted) содержат молекулы тРНК, находящиеся в  гибридных сайтах (Julián et al., 2008). Революционным подходом оказалась мультипараметрическая сортировка, в результате которой были воссозданы структуры рибосом на различных стадиях реакции обратной транслокации (Fischer et al., 2010). Структуры, полученные в этой работе также легли в основу работы по симулированию молекулярной динамики движения тРНК в рибосоме в процессе транслокации (Bock et al., 2013). Несмотря на наличие статических структур рибосом и субчастиц на различных этапах трансляции, невыясненными остаются вопросы структурной динамики, т.е. как, с какими скоростями и на каких этапах происходят конформационные изменения транслирующей рибосомы, определяющие ее каталитические, информационные, транспортные и другие свойства. Структурная динамика межсубъединичных взаимодействий, определяющая реорганизацию взаимного положения большой и малой субчастиц. Методы флюоресцентной спектроскопии единичных молекул не обладают требуемой временной разрешающей способностью для измерения ожидаемых констант скорости (10-7 с) (Bock et al., 2013). Сочетание методов молекулярного моделирования и нейтронного спин-эхо позволит изучить параметры структурной перестройки взаимного расположения рибосомных субчастиц.

+ изучение пре- и пост-транслокационных комплексов

+ изучение перехода пре-пост (кинетика порядка 15 минут) стоп-флоу на МУРН

+ спин-эхо на рибосомах с/без  белковых высокоподвижных структур L1 и L7/L12

Исследование структурно функциональных проявлений фрактальной организации хроматина ядер эукариот

Одна из моделей упаковки ДНК в хроматине интерфазных ядер клеток высших, которая дискутируется в последние годы, предполагает фрактальную организацию наднуклеосомной структуры двойной спирали. Применение методов конфокальной микроскопии, малоуглового нейтронного рассеяния и техники Hi-C, позволяет сделать предположение  о том, что фрактальная организация хроматина имеет, по крайней мере,  два режима упаковки, которые отличаются размерностью.

В этой работе приведены экспериментальные данные полученные методом МУРН на клеточных ядрах эритроцитов кур (Hen), которые находятся в фазе G0 клеточного цикла, ядрах клеток лимфоцитов крыс (RatL), карциномы шейки матки человека (HeLa), глиомы крысы (RatС6) и эмбрионов дрозофилы (DE), которые находятся в фазе G1 клеточного цикла. Во всех исследованных ядрах после их выделения хроматин был фиксирован глютаровым альдегидом.

Представляемые экспериментальные данные, полученные на различных установках МУРН (IBR-2 Дубна, Россия; D11 Гренобль, Франция; KWS2 и KWS3 Мюнхен, Германия) есть результат многолетних измерений. Максимальный диапазон рассеянных векторов, в котором получены кривые рассеяния, составил Q = 0.00029 – 0.25Å-1, что соответствует диапазону линейных размеров рассеивателя l = 2.5нм – 2.17мкм и перекрывает практически всю иерархию структур хромосом хроматина. Измерения кривых рассеяния проводилось при двух значениях содержания D2O в H2O - 99% и 40%. Кривые рассеяния, полученные при 40% D2O, характеризуют структуру нуклеиновой компоненты хроматина (DNA+RNA).

Для всех исследуемых ядер форма этих кривых имеет общую качественную черту: кривые, в координатах log-log, имеют два линейных участка и точку их кроссовера.  Такую форму кривой рассеяния в методе МУРН имеют фрактальные структуры.

Количественно анализ кривых показал, что наклоны линейных участков кривых рассеяния справа от точки кроссовера (большие углы) близки по своим значениям для ядер Hen, RatL, HeLa и RatC6 и среднее значение этой величины составляет Dm = 2.4±0.1  и Dm = 2.25±0.1 при регистрации в 99% и 40% D2O соответственно. Слева от точки кроссовера (малые углы) наклоны кривых рассеяния ядер Hen, RatL, HeLa, RatC6 и DE составили величины > 3, что соответствует структурам поверхностного фрактала. При этом значения величины размерности составляют DS = 2.5±0.3  и DS = 2.3±0.3 в 99% и 40% D2O соответственно

Точки кроссовера линейных участков:  QHen=0.0022Ǻ-1 (300±70nm), QRatL= 0.0025Ǻ-1(260±20nm), QRatC6=0.0035Ǻ-1 (180±20nm), QHeLa=0.005Ǻ-1 (130±30nm), и DE QDE=0.012Ǻ-1 (52nm) в 40% D2O.

Таким образом, из приведенных данных МУРН следует:

Упаковка хроматина исследованных интерфазных ядер высших независимо от фазы клеточного деления и степени пролиферативности консервативна и в наднуклеосомных порядках упаковки представляет собой фрактальную структуру, которая из масс-фрактала в более низких порядках упаковки переходит в структуру поверхностного фрактала в более высоких порядках упаковки хроматина. При этом размерности фрактальных структур по своим величинам также близки. Существенные отличия наблюдаются в величинах определяющих точку кроссовера двух фрактальных режимов. У ядер, выделенных из пролиферирующих клеток, точка кроссовера сдвинута вправо на кривой рассеяния, то есть в сторону меньших линейных размеров. Другими словами в делящихся клетках область масс-фрактальной структуры имеет меньшие линейные размеры.

В митотических ядрах эукариотических клеток можно наблюдать ориджины репликации с помощью флюоресцентного мечения BrdU. В этой работе мы исследовали распределение ориджинов репликации в ядрах различных клеток с помощью конфокальной микроскопии. На основании полученных конфокальных изображений были построены трехмерные карты расположения центров ориджинов и вычислены функции распределения парных расстояний между ними.

Было установлено, что фукнция распределения по расстояниям для клеток HeLa и глиомы человека линейна на размерах до 2 мкм, что указывает на размерность системы ориджинов, близкую к двум. Амплитуда функции распределения по расстояниям на малых размерах имела степенную зависимость от размеров ядра и была обратно пропорциональна объему ядра в степени 0,9. Таким образом, распределение ориджинов репликации в ядре не может быть описано моделью с одной размерностью Хаусдорфа на всем диапазоне размеров.

Исследование нелинейных свойств и магнитно-электронного фазового разделения сложных магнетиков

Начиная с 70-х годов, в ОМРБ ПИЯФ развивается новая методика исследования магнетиков на основе регистрации второй гармоники намагниченности, М2, в продольной геометрии – в параллельных постоянном и гармоническом переменном (ac) магнитных полях [1,2]. Анализ физических причин продольного нелинейного отклика в разведенных парамагнетиках представлен в [3]. Это нелинейные эффекты в «запрещенных» резонансных переходах и  параметрические нелинейные эффекты, обусловленные  влиянием магнитного поля на релаксационные процессы. Наиболее интересными представляются последние, они позволяют получать дополнительную информацию о магнитной динамике. Присутствие релаксационных эффектов на растворах парамагнитных солей показано в [4]. В [5] на растворах нитроксильного радикала исследовано влияние спинового обмена на магнитную динамику. 

Потенциально регистрация М2 отклика позволяет реализовать высокую чувствительность, т.к. отклик на ас поле на какой-либо гармонике частоты возбуждения регистрируется на фоне теплового шума приемника, а не на фоне большого поля возбуждения, как при регистрации отклика на частоте возбуждения, когда получаемое отношение сигнал/шум определяется не шумом приемного устройства, а шумом и стабильностью генератора. Анализ чувствительности и описание экспериментальной установки для регистрации М2 (f ≈ 16 МГц) выполнены в [6]. Однако, реальная чувствительность определялась присутствием паразитного М2 сигнала. Выяснение физических причин его появления - нетривиальная задача, которая была решена лишь в конце 80-х. Было установлено, что главной причиной его присутствия было присутствие примесей металлов переходных групп, склонных к ферромагнетизму (Fe, Co, Ni, Mn), в металлических материалах, из которых изготавливались элементы высокочастотного (ВЧ) тракта для создания ас поля на образце и регистрации его М2 отклика (катушки индук-тивности, конденсаторы и т.д.). Покрытие металлических поверхностей таких элементов слоем чистой гальванической меди и использование ряда новых конструктивных решений позволило приблизить чувствительность установки к теоретической [7], она была запатентована [8].

Очень высокая чувствительность установки к ферромагнитным примесям, обусловленная их ярко выраженными нелинейными свойствами, позволила использовать данную методику для исследования сложных магнетиков, испытывающих различные фазовые переходы. Предварительно возможность исследования фазовых переходов с применением М2 отклика была проверена в исследованиях традиционного кубического ферромагнетика CdCr2Se4 [9]. В сложных диэлектрических магнетиках на основе оксидов металлов переходных групп, с сильными электронными корреляциями и структурой перовскитов, при неизовалентном допировании появляется прыжковая проводимость. Такие соединения характеризуются сильной корреляцией спиновых, зарядовых, орбитальных и структурных степеней свободы и присутствием фазового разделения (ФР) как на мезоскопическом, так и на микроскопическом масштабе, что приводит к сложной фазовой диаграмме и появлению многих необычных физических свойств, вызывающих интерес с точки зрения фундаментальной науки. Из них для практических приложений наибольший интерес представляют высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП), колоссальное магнетосопротивление (КМС, представляет интерес для приложений в компьютерной технике, спинтронике) и магнетокалорический эффект (МКЭ, представляет интерес для разработки холодильников нового типа). Последние два свойства проявляются, как правило, вблизи температуры ферромагнитного упорядочения, ТС. Разные нелинейные свойства образующихся при ФР магнитных фаз делают очень удобным исследование эволюции магнитного состояния таких соединений с помощью М2 отклика. Симметрийные свойства М2 позволяют надежно контролировать возникновение спонтанного момента в образце по появлению полевого гистерезиса в отклике. Исследования систем с сильными электронными корреляциями требуют комплексного подхода (исследований транспортных свойств, магнитной восприимчивости, структуры и т.д.) и проводились в кооперации с другими экспериментальными группами. Для исследования линейного отклика в СВЧ Х-диапазоне был разработан специальный ЭПР спектрометр для регистрации широких линий, характерных для сложных оксидов металлов [10]. В нем использовался разработанный в лаборатории балансный резонатор спиновой индукции [11], для которого была спроектирована специальная температурная приставка [10]. Магнитные свойства родственного ВТСП купратам CuO и его производных со «спиновым» (Zn) и «зарядовым» (Li) допированиями, а также температурная эволюция ФР в ВТСП купратах La2CuO4+x, допированных избытком кислорода, изучалась в кооперации с Институтом Физики Металлов УрО АН и Институтом Физики Твердого Тела и Полупроводников Национальной Академии Наук Белоруссии (ИФТТП НАНБ) [12-15]. Было показано образование в процессе ФР анизотропных ферромагнитных (ФМ) кластеров с размерами ~1000 Å в CuO2 плоскости.

В манганитах (исходное соединение LnMnO3, Ln – лантаноид, с антиферромагнитным основным состоянием и изоляторным поведением) при допировании как ионным замещени-ем Ln элементом щелочно-земельной группы (Ca, Sr, Ba, …), так и нестехиометрией кисло-рода, вследствие зарядового баланса образуется смешанно валентное состояние из ионов Mn3+, Mn4+ с диэлектрическими свойствами в парамагнитной области. В сочетании с сильным хундовским одноцентровым обменным взаимодействием появление при допировании прыжковой проводимости приводит к возникновению специфического обменного взаимодействия, связывающего ионы Mn. Манганиты обладают богатой фазовой диаграммой, свойствами КМС и МКЭ. Исследования допированных манганитов из разных областей фазовой диаграммы как испытывающих переход диэлектрик-металл (Д-М) вблизи ТС, так и сохраняющих диэлектрическое состояние ниже ТС, проводились в кооперации с ИФТТП НАНБ, Национальным Исследовательским Технологическим Университетом «МИСиС» (НИТУ МИСиС) и ОИКС ПИЯФ [16-33]. Было надежно установлено, что в парамагнитной области манганитов, независимо от типа допирования, происходит магнитно-электронное ФР (МЭФР), сопровождающееся образованием металлических ФМ кластеров, дающих сигнал ферромагнитного резонанса и обладающих сильными нелинейными свойствами, в диэлектрической парамагнитной матрице. ФМ упорядочение внутри кластеров и их металлические свойства обеспечиваются двойным обменом. Предполагается, что ФМ упорядочение самой матрицы в ТС возникает из-за  присутствия косвенного обменного взаимодействия. В зависимости от уровня допирования концентрация кластеров либо дости-гает перколяционного предела, и тогда происходит перколяционный переход диэлектрик-металл (в различных манганитах он происходит либо выше, либо вблизи, либо ниже ТС), либо не достигает – и тогда ниже ТС сохраняется диэлектрическое состояние. В результате МЭФР магнитные и транспортные свойства оказываются связанными, и включение внеш-него магнитного поля облегчает перколяцию кластеров, что сопровождается эффектом КМС.

Кобальтиты (исходное соединение LnСоO3, Ln – лантаноид) в отличие от манганитов характеризуются диамагнитным основным состоянием с изоляторным поведением и кроссовером в парамагнитное состояние при повышении температуры. При допировании в них также возникает транспорт и двойной обмен. В зависимости от уровня допирования они либо испытывают Д-М переход и в основном состоянии образуется дальний ФМ порядок, либо такой переход отсутствует, и основное состояние соответствует состоянию спинового/ кластерного стекла с изоляторными свойствами. Величина КМС и МКЭ в кобальтитах замет-но меньше, чем в манганитах. Исследования кобальтитов позволяют выяснить степень универсальности МЭФР в разных оксидах переходных металлов, а также важную для понимания физики этих систем причину отличий в величине КМС, они проводились в кооперации с НИТУ МИСиС и ОИКС ПИЯФ. Главным образом из исследований нелинейного отклика было надежно установлено присутствие МЭФР в парамагнитной области температур в этих оксидах, как с дальним ФМ порядком, так и с состоянием спинового/кластерного стекла в основном состоянии [34-35]. Сравнительные исследования манганитов и кобальтитов близких составов позволили выявить две первые одинаковые стадии МЭФР в этих системах [36-38]:

(i) образование ФМ кластеров на предпочтительных местах неоднородностей, вносимых неравномерностью допирования и кислородной нестехиометрией;

(ii) однородная нуклеация ФМ кластеров по всему объему образца, сопровождающаяся быстрым ростом их концентрации без изменения критических свойств, а их поведение соответствует суперпарамагнитному режиму.

Третья стадия температурной эволюции кластерного ансамбля в этих системах отличается из-за разных свойств матриц. В кобальтитах матрица магнитно неактивна и не испытывает ФМ упорядочения. В манганитах матрица магнитно активна, и существенно влияет на последний этап эволюции кластерной подсистемы: (i) при недостаточной для Д-М перехода концентрации кластеров они упорядочиваются вместе с матрицей; (ii) при достаточном уровне допирования, когда концентрация кластеров достигает перколяционного предела присутствие ФМ дальнего порядка или ФМ корреляций в матрице облегчает туннелирование носителей между кластерами и их перколяцию. Это предполагает, что именно разные магнитные свойства матрицы являются вероятной причиной существенной разницы величин КМС этих систем.

Работы по исследованию манганитов и кобальтитов были поддержаны грантами РФФИ, СПбНЦ  РАН и РФФИ-БелФФИ: (i) РФФИ 97-02-17097-a, 1997-1999; (ii) РФФИ 00-02-16729-а, 2000-2002; (iii) РФФИ-БелФФИ 00-02-81205-Бел2000_а, 2000-2001; (iv) РФФИ-БелФФИ 02-02-81012-Бел2002_а, 2002-2003; (v) РФФИ-БелФФИ 04-02-81051-Бел2004_а, 2004-2005; (vi) РФФИ 06-02-17498-а,  2006-2007; (vii) Проект СПбНЦ  РАН, 2007; (viii) РФФИ 09-02-01509-а, 2009-2011.

Сочетание М2 измерений с исследованиями деполяризации поляризованных нейтронов и использованием кинетического уравнения Ландау-Лифшица-Гильберта для описания М2 отклика образующейся в результате МЭФР подсистемы ферромагнитных кластеров в парамагнитной матрице умеренно допированного кобальтита La0.85Sr0.15CoO3, поведение которой подобно поведению ансамбля магнитных наночастиц, позволило получить количественную информацию об эволюции геометрических и магнитных параметров кластеров в области их суперпарамагнитного поведения [39]. Данный кобальтит был выбран для анализа поведения именно ФМ кластерной подсистемы, поскольку матрица в кобальтитах, как упоминалось выше, магнитно неактивна, что существенно упрощает анализ.  Это позволило охарактеризовать температурный сценарий МЭФР, что необходимо для совместного количественного описания переходов парамагнетик-ферромагнетик, металл-изолятор, которые в данном случае реализуются в одном переходе, и эффекта КМС в будущем. В частности, был выявлен дополнительный этап эволюции кластерной подсистемы, по крайней мере, в кобальтитах (после этапа однородной нуклеации) – это этап обогащения кластеров дырками при сохранении их среднего размера, сопровождающийся ростом среднего момента кластера. Была прослежена также возрастающая роль диполь-дипольных взаимодействий кластеров с ростом их концентрации, что приводит, в конечном счете, к образованию кластерного дипольного стекла в основном состоянии. Данный подход является новым и открывает новые возможности неоднородного магнитного состояния сложных магнетиков. Он может быть использован также для анализа магнитных параметров ансамблей магнитных наночастиц в суперпарамагнитном режиме.

Особняком стоит вопрос о присутствии МЭФР (т.е о его универсальности) в допированных манганитах и кобальтитах из области фазовой диаграммы, где наблюдается металлическое поведение в парамагнитной области температур. Возможно ли образование ФМ кластеров с металлическими свойствами в таких составах. Предварительные результаты исследований La0.7Sr0.3MnO3 монокристалла, испытывающего ФМ упорядочение, но в котором величина КМС существенно меньше, чем в соединениях с изоляторным поведением, дают положительный ответ на этот вопрос [40], подтверждая гипотезу об универсальности МЭФР, по крайней мере, для манганитов, испытывающих ФМ упорядочение. Полученный результат предполагает, что для получения большей величины КМС, кроме образования в результате МЭФР неоднородного состояния и магнитно-активного поведения матрицы, требуется еще ее диэлектрическое состояние выше ТС.

Полеченные результаты были представлены на многих международных конференциях.

Часть опубликованных по результатам описанных исследований статей приведена ниже:

[1] В.В. Исаев-Иванов, В.А. Рыжов, В.Н. Фомичев В.Н. Доклады АН СССР 225(4), 794-797 (1975).

[2] В.В. Исаев-Иванов, В.А. Рыжов, В.Н. Фомичев. ЖЭТФ 70(3), 983-991 (1976).

[3] В.А. Рыжов, В.Н. Фомичев. ЖЭТФ 80(5),1897-1910 (1981).

[4] В.А. Рыжов, В.Н. Фомичев. ЖТФ 53(6), 1115-1123 (1983).

[5] В.А. Рыжов, В.Н. Фомичев. Теор. Экспер. Химия 18(4), 408- 417 (1982).

[6] Г.К. Анисимов, Р.П. Девятериков, Е.И. Завацкий, В.В. Лавров, В.А. Рыжов, Д.М. Фельдман, В.Н. Фомичев. ЖТФ 52(1), 74-81 (1982).

[7] В.А. Рыжов, И.И. Ларионов, В.Н. Фомичев. ЖТФ 66(6), 183-195 (1996).

[8] И.И. Ларионов, В.А. Рыжов, В.Н. Фомичев. Авторское свидетельство № 1781650 (1992).

[9] А.В. Лазута, И.И. Ларионов, В.А. Рыжов. ЖЭТФ 100, 1964 -1980 (1991)

[10] В.А. Рыжов, Е.И. Завацкий, В.А. Соловьев, И.А. Киселев, В.Н. Фомичев, В.А. Бикинеев. ЖТФ 65(1), 133-145 (1995).

[11] В.В. Исаев-Иванов, В.Н. Фомичев. ПТЭ, вып. 3б 172-173 (1976).

[12] В.А. Рыжов, А.В. Лазута, И.А. Киселев, И.Д. Лузянин, Т.И. Арбузова. ЖЭТФ 117, 387 (2000)

[13] V.A. Ryzhov, A.V. Lazuta, I.I. Larionov, T.I. Arbuzova, L.A. Kurnevich. Physica C 235-240, 1573-1574 (1994).

[14] A.V. Lazuta, V.A. Ryzhov, I.I. Larionov, T.I. Arbuzova. Appl. Mag. Res. 12, 275-285 (1997).

[15] A.V. Lazuta, V.A. Ryzhov, I.I. Larionov, T.I. Arbuzova. Physica C 295, 22-38 (1998).

[16] И.Д. Лузянин, В.А. Рыжов, С.М. Дунаевский, В.П. Хавронин, И.И. Ларионов, А.В. Лазута, Ю.П. Черненков. ФТТ 40(2), 98, 2000.

[17] И.Д. Лузянин, В.П. Хавронин, В.А. Рыжов, И.И. Ларионов, А.В. Лазута. Письма в ЖЭТФ 73, 369 (2001).

[18] I.D. Luzyanin, V.A. Ryzhov, D.Yu. Chernyshov, A.I. Kurbakov, V.A. Trounov, A.V. Lazuta, V.P. Khavronin, I. Larionov, S.M. Dunaevsky. Phys. Rev. B 64, 094432 (2001).

[19] В.А. Рыжов, А. В. Лазута, И.Д. Лузянин, И.И. Ларионов, В.П. Хавронин, Ю.П. Черненков, И.О. Троянчук, Д.Д. Халявин. ЖЭТФ 121(3), 678-691 (2002).

[20] A.V. Lazuta, V.A. Ryzhov, A.I. Kurbakov, V.A. Trounov, I.I. Larionov, O. Gorbenko, A. Kaul. JMMM 258-259, 315-318 (2003).

[21] V.A. Ryzhov, A.V. Lazuta, I.A. Kiselev, Yu.P. Chernenkov, O.P. Smirnov, S.A. Borisov, I.O. Troyanchuk, and D.D. Khalyavin. Sol. St. Comm. 128, 41-45 (2003).

[22] V.A. Ryzhov, A.V. Lazuta, V.P. Khavronin, I.I. Larionov, I.O. Troyanchuk, D.D. Khalyavin. Sol. St. Comm. 130, 803-808 (2004).

[23] V.A. Ryzhov, A.V. Lazuta, O.P. Smirnov, I.A. Kiselev, Yu.P. Chernenkov, S.A. Borisov, I.O. Troyanchuk, and D.D. Khalyavin. Phys. Rev. B 72, 124427 (2005).

[24] A.I. Kurbakov, A.V. Lazuta, V.A. Ryzhov, V.A. Trounov, I.I. Larionov, C. Martin, A. Maignan and M. Hervieu. Phys. Rev. B 72, 184432 (2005).

[25] V.A. Ryzhov, A.V. Lazuta, I.A. Kiselev, V.P. Khavronin, P.L. Molkanov, I.O. Troyanchuk, S.V. Trukhanov. JMMM 300(1), e159-e162 (2006).

[26] A.V. Lazuta, V.A. Ryzhov, O.P. Smirnov, I.A. Kiselev, Yu.P. Chernenkov, S.A. Borisov, I.O. Troyanchuk, and D.D. Khalyavin. JMMM 300(1), 44-47 (2006).

[27] A.V. Lazuta, V. A. Ryzhov, I.A. Kiselev, V.P. Khavronin, Yu.P. Chernenkov, P.L. Molkanov, O.P. Smirnov, I.O. Troaynchuk, V.A. Khomchenko. Functional Materials 15, 178-185 (2008).

[28] A.I. Kurbakov, A.V. Lazuta, V.A. Ryzhov. J. of Phys.: Confer. Series 200 (2010) 012099.

[29] A.V. Lazuta, V.A. Ryzhov, V.P. Khavronin, Yu.P. Chernenkov, O.P. Smirnov, P.L. Molkanov, I.O. Troyanchuk, V.A. Khomchenko. Functional Materials 17(1), 11-16 (2010).

[30] В.А. Рыжов, П.Л. Молканов, А.В. Лазута, В.В. Рунов, В.П. Хавронин, И.О. Троянчук.  Известия РАН, Серия физическая 74, 1538-1541 (2010).

[31] А.В. Лазута, В.А. Рыжов, П.Л. Молканов, В.П. Хавронин, Ю.П. Черненков, О.П. Смирнов, И.О. Троянчук, В.А. Хомченко. Известия РАН, Сер. Физ. 75(2), 218-221 (2011).

[32] В.А. Рыжов, А.В. Лазута, И.А. Киселев, В.П. Хавронин, И.О. Троянчук, С.В. Труханов. ФТТ 53(5), 906-911, 2011.

[33] V.A. Ryzhov, A.V. Lazuta, O.P. Smirnov, V.P. Khavronin, P.L. Molkanov, Ya.M. Mukovskii, V. I. Chichkov. Sol. St. Phenom. 168-169, 485-488 (2011).

[34] A.V. Lazuta, V.A. Ryzhov, A.I. Kurbakov, V.P. Khavronin, P.L. Molkanov, Ya.M. Mukovskii, A.E. Pestun, R.V. Privezentsev. Sol. St. Phenom. 168-169, 457-460 (2011).

[35] A.V. Lazuta,V.A. Ryzhov, A.I. Kurbakov, V.P. Khavronin, P.L. Molkanov, Ya.M. Mukovskii, A.E. Pestun, R.V. Privezentsev. Sol. St. Phenom. 190, 679-682 (2012).

[36] V.A. Ryzhov, A.V. Lazuta, P.L. Molkanov, V.P. Khavronin, A.I. Kurbakov, V.V. Runov, Ya.M. Mukovskii, A.E. Pestun, and R.V. Privezentsev. JMMM 324, 3432-3436 (2012).

[37] V.A. Ryzhov, A.V. Lazuta, V.P. Khavronin, P.L. Molkanov, Ya.M. Mukovskii. J. Phys.: Condens. Matter 26,  076001-10 (2014).

[38] В.А. Рыжов, А.В. Лазута,  В.П. Хавронин, П.Л. Молканов, Я.М. Муковский,  А. Е. Пестун. ФТТ 56(1), 74-81 (2014).

[39] A.V. Lazuta, V.A. Ryzhov, V.V. Runov, V.P. Khavronin, and V.V. Deriglazov. Temperature evolution of superparamagnetic clusters in single-crystal La0.85Sr0.15CoO3 characterized by nonlinear magnetic ac response and neutron depolarization. Phys. Rev. B 92, 014404-10 (2015).

[40] V.A. Ryzhov, V.P. Khavronin, V.V. Deriglazov, Y.M. Mukovskii and V.I. Chichkov. Magneto-electronic Phase Separation in La0.7Sr0.3MnO3 with Metallic Behavior in Paramagnetic region. Sol. St. Phenom. 233-234, 117-120 (2015).

Исследование магнитных наночастиц и композитов и их возможных медицинских приложений.

Недавно установка продольного нелинейного отклика на слабое переменное поле, в которой регистрируется вторая гармоника намагниченности М2, была адаптирована для исследования магнитных свойств ансамблей магнитных наночастиц (МНЧ) и композитных материалов и запатентована [1]. Работа была поддержана Программой фундаментальных исследований  Президиума РАН № 21 (Основы фундаментальных исследований нанотехнологий  и  наноматериалов, проект № 4.4.1.8, 2009-2011). Это позволило в коллаборации с ФТИ РАН, СПбГУ, СПбГЭТУ  «ЛЭТИ», СПбГПУ начать исследования влияния ограничения размеров и роста вклада поверхности на организацию магнитного порядка, магнитные свойства и динамические характеристики МНЧ и композитных материалов, получающих все более широкое применение в электронике, энергетике, химии, медицине и т.д. Изучение зависимостей нелинейного отклика от температуры и частоты сканирования статического поля (от времени измерения)  позволяет определять магнитное состояние МНЧ (однодоменное/многодоменное) и температуру блокировки для однодоменных наночастиц (температуру перехода от суперпарамагнитного режима поведения МНЧ к режиму блокировки, характеризующегося появлением в отклике полевого гистерезиса) [2-5]. Определение температуры блокировки позволяет найти энергию анизотропии МНЧ, и в случае известной константы анизотропии, ее средний размер. Константа анизотропии может быть определена в независимом эксперименте, например, в измерениях ферромагнитного резонанса на имеющемся в лаборатории спектрометре. Все параметры ансамбля наночастиц, как статические (включая средний размер МНЧ и ширину распределения по размерам), так и динамические позволяет получить совместное использование нелинейного отклика и деполяризации поляризованных нейтронов в комбинации с использованием кинетического уравнения Фоккера-Планка для обработки М2 данных. Такой подход был апробирован и показал свою эффективность при исследовании магнитно-электронного фазового разделения в монокристалле La0.85Sr0.15CoO3 кобальтита, упоминавшемся в предыдущем разделе. Его использование позволило определить параметры образующихся при фазовом разделении металлических ферромагнитных кластеров, и проследить его сценарий.

Высокая чувствительность и информативность данной уникальной установки позволяет использовать ее в биомедицинских исследованиях для развития диагностических и фармакологических подходов, в которых используются МНЧ. Недавно данная методика была применена для изучения доставки различных МНЧ на основе магнетита (Fe3O4) в опухоль и их биораспределения в тканях крыс с модельной 9L глиомой при их внутривенном введении. Работа требует тщательной аттестации наночастиц, применения различных методик исследований и проводилась в кооперации с ЦИН РАН, Technische Universität München, НИИ Нейрохирургии им. А.Л. Поленова, ГНИИ ОЧБ, СПбГУ, ИЭФБ РАН, ИВС РАН, University of Pennsylvania [6,7]. Такие МНЧ используются для увеличения контраста изображений опухоли в магнитно-резонансной томографии (МРТ). Для наночастиц магнетита одетых в декстрановую оболочку (SPION) без/с пришитым белком теплового шока Hsp70 (SPION-Hsp70) был показан рост в ~10 раз относительной концентрации МНЧ в опухоли по отношению к нормальной ткани мозга для конъюгата SPION-Hsp70 (до ~40) за счет их меньшего накопле-ния в нормальной ткани, что сопровождалось существенным увеличением контраста МРТ-изображения опухоли [6]. Накопление МНЧ в других тканях при использовании конъюгата как правило уменьшалось, за исключением легких, где оно сохранялось, а также селезенки и сердца, где оно возрастало в ~10 раз. Была проверена также эффективность накопления МНЧ в опухоли при использовании конъюгата со специфическими антителами к этому белку (SPION-cmHsp). Для такого конъюгата относительная (к нормальной ткани мозга) концентрация наночастиц в опухоли также возрастала в более чем 7 раз, но за счет их более эффективного накопления в опухоли. В ткани мозга их концентрация практически не менялась. Интересно отметить, что облучение дозой 10 Грэй приводило к дополнительному увеличению концентрации конъюгата в опухоли в ~4 раза и отношение концентраций наночастиц опухоль/ мозг в этом случае достигало ~104 (7650) [7]. При этом накопление конъюгата в других тканях менялось слабо и увеличивалось лишь в ~2 раз в сердечной ткани. В работе [8] было проверено предположение о резком увеличении количества рецепторов CD-40 для белка теплового шока Hsp70 в зоне острого инфаркта миокарда. Действительно, было обнаружено резкое в ~50 раз увеличение накопления конъюгата SPION-Hsp70 в ткани инфаркт-ной зоны по сравнению с SPION наночастицами. При этом их накопление уменьшалось в ≥ 3 раза в селезенке и ткани мозга и слабо менялось в тканях остальных органов. Полученный результат показывает возможность использования  данного конъюгата для диагностики острого инфаркта миокарда. Эти данные были представлены на V Биофизическом съезде.

Планируется продолжение этих исследований, а также на основе полученных результатов выяснение возможностей использования МНЧ для гипертермии опухоли радиочастотным полем.

[1] В.А. Рыжов, Е.И. Завацкий. Патент № 2507525, зарегистрирован 20.02.2014.

[2] V.A. Ryzhov, I.V. Pleshakov, A.A. Nechitailov, N.V. Glebova, E.N. Pyatyshev, A.V. Malkova, I.A. Kiselev, V.V. Matveev. Appl. Magn. Reson. 45(4), 339-352 (2014).

[3] V. Matveev, V. Ryzhov, A. Lashkul, A. Mazur, V. Semenov, and E. Lahderanta. Europ. Phys. Journ. Web of Conferences 75, 05015 (2014).

[4] V. Kharitonskii, K.G. Gareev, S.A. Ionin, V.A. Ryzhov, Yu.V. Bogachev, B.D. Klimenkov, I.E. Kononova, and V.A. Moshnikov. Microstructure and Magnetic State of Fe3O4-SiO2 Colloidal Particles. J of Magnetics 20(3), 221-228 (2015).

[5] E. Lähderanta, V.A. Ryzhov, A.V. Lashkul, D.M. Galimov, A.N. Titkov, V.V. Matveev, M.V. Mokeev, A.I. Kurbakov, K.G. Lisunov. Macroscopic behavior and microscopic magnetic properties of nanocarbon. JMMM 383, 78-82 (2015).

[6] M. Shevtsov, B.P. Nikolaev, V. Ryzhov, L. Yakovleva, A. Dobrodumov, Ya. Marchenko, B. Margulis, E. Pitkin, I. Guzhova. Brain tumor magnetic targeting and biodistribution of superparamagnetic iron oxide nanoparticles linked with 70-kDa heat shock protein study by nonlinear longitudinal response. JMMM 388, 123-134 (2015).

[7] M.A. Shevtsov, B.P. Nikolaev, V.A. Ryzhov, L.Y. Yakovleva, Ya.Y. Marchneko, M.A. Parr, V.I. Rolich, A.L. Mikhrina, A.V. Dobrodumov, E. Pitkin, G. Multhoff. Ionizing radiation improves glioma-specific targeting of superparamagnetic iron oxide nanoparticles conjugated with cmHsp70.1 monoclonal antibodies (SPION-cmHsp70.1). Nanoscale, 2015, DOI: 10.1039/C5NR06521F (accepted for publication).

[8] M.A. Shevtsov, D.P. Nikolaev, V.A. Ryzhov, L.Y. Yakovleva, A.V. Dobrodumov, Ya.Y. Marchenko, B.A. Margulis, E. Pitkin, A.L. Mikhrina, I.V. Guzhova, G. Multhoff. Detection of experimental myocardium infarction in rats by MRI using heat shock protein 70 conjugated superparamagnetic iron oxide nanoparticles. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 2015 (accepted for publication).

Разработка математического обеспечения для обработки экспериментальных данных и  анализа траекторий молекулярной динамики, в том числе в среде GROMACS.

Расширение функционала программных утилит для расчета спектров МУРН и НСЭ с учетом моделирования конформационной подвижности биомакромолекул и их комплексов в рамках пакета GROMACS.

Разработка методов молекулярно-динамического рефайнмента структуры биомакромолекул и их комплексов в растворе средствами молекулярной динамики в  совокупности с данными нейтронного рассеяния.

Адаптация программного пакета GROMACS для работы с разветвлёнными полимерами (N- и O-гликозилирование), реализация расчетов молекулярной динамики для гликопротеинов.

Создание прототипа ПО для оптимизации аминокислотных последовательностей глобулярных белков на основании статистических структурных данных.

Программная реализация метода определения взаимного расположения цепей в цистеин-содержащих на основе MS/MS анализа.

Программная реализация метода генератора топологий малых молекул.

Разработка оригинального алгоритма, симулирующего пострансляционный фолдинг полипептидов.

 

Сотрудничество с лабораториями ОМРБ:

Клеточной биологии.

Молекулярной генетики.

Биосинтеза белка.

Генетики эукариот.

Биополимеров.

Энзимологии.

Молекулярной и клеточной биофизики.

Сотрудничество с другими отделениями ФГБУ ПИЯФ:

Отделение нейтронных исследований.

Отделение теоретической физики.

Сотрудничество с организациями:

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», Санкт-Петербург.

ФГБУ НИИ гриппа Минздрава России, Санкт-Петербург.

ФГБОУ ВПО "Московский физико-технический институт (государственный университет)", г. Долгопрудный, Московская обл.

Объединенный институт ядерных исследований ОИЯИ, г. Дубна, Московская обл.

Публикации:

2014

  1.  A. V. Akimova, M. A. Grin, G. V. Golovina, T. A. Kokrashvili, A. M. Vinogradov, A. F. Mironov, G. N. Rychkov, A. A. Shtil, V. A. Kuzmin, and N. A. Durandin Novel Derivatives of Bacteriochlorophyll a: Complex Formation with Albumin and the Mechanism of Tumor Cell Photodamage Doklady Biochemistry and Biophysics 2014 Volume 454, Nos. 1–6, p. 17
  2. Surzhik, M. A., A. E. Schmidt, E. A. Glazunov, D. L. Firsov and M. G. Petukhov (2014). "Introduction of Additional Thiol Groups into Glucoamylase From Aspergillus awamori and Their Effect on the Thermal Stability and Catalytic Activity of the Enzyme." Applied Biochemistry and Microbiology 50(2): 118–124.
  3. Nekhai, S., M. Petukhov and D. Breuer (2014). "Regulation of CDK9 activity by phosphorylation and dephosphorylation." Biomed Res Int 2014: 964964.
  4. Chayan Acharya, Irina Kufareva, Andrey V. Ilatovskiy, Ruben Abagyan, PeptiSite: A structural database of peptide binding sites in 4D, Biochemical and Biophysical Research Communications 445 (2014) 717–723
  5. A.V.Shvetsov, D.V.Lebedev, D.B.Chervyakova, I.V.Bakhlanova, I.A.Yung, A.Radulescu, A.I.Kuklin, D.M.Baitin, V.V.Isaev-Ivanov, Structure of RecX protein complex with the presynaptic RecA filament: molecular dynamics simulations and small angle neutron scattering // FEBS Letters 15 February 2014 DOI:10.1016/j.febslet.2014.01.053, JCR Impact 3.582
  6. Afanasyeva A., Hirtreiter A., Schreiber A., Grohmann D., Pobegalov G., McKay Adam R., Tsaneva I., Petukhov M., Käs E., Grigoriev M., Werner F. Lytic Water Dynamics Reveal Evolutionarily Conserved Mechanisms of ATP Hydrolysis by TIP49 AAA+ ATPases // Structure. - 2014. - Vol. 22. - P. 549-559.
  7. Yakimov, A., G. Rychkov and M. Petukhov (2014). "De Novo Design of Stable alpha-Helices." Methods Mol Biol 1216: 1-14.
  8. V.Y. Bairamukov, D.V. Lebedev, V.I. Tikhonov // Structure of the carbon matrix made by pyrolyzed yttrium bis-phthalocyanine by atomic force microscopy // Proceedings of InterM, Antalya, Turkey, October 10-13, 2013 Series: Springer Proceedings in Physics, 2014, V. 154, P. 189-195
  9. V.A. Ryzhov, I.V. Pleshakov, A.A. Nechitailov, N.V. Glebova, E.N. Pyatyshev, A.V. Malkova, I.A. Kiselev, V.V. Matveev. Magnetic study of nanostructural composite material based on cobalt compounds and porous silicon. Applied Magnetic Resonance 45, N4, 339-352, 2014.
  10. В.А. Рыжов, А.В. Лазута,  В.П. Хавронин, П.Л. Молканов, Я.М. Муковский,  А. Е. Пестун. Температурная эволюция кластерного состояния в монокристаллических La0.8Ca0.2MnO3 и La0.8Са0.2CoO3. ФТТ 56, вып.1, 74-81 (2014).
  11. V.A. Ryzhov, A.V. Lazuta, V.P. Khavronin, P.L. Molkanov, Ya.M. Mukovskii. Magnetic phase transition and clustered state in Ca-doped lanthanum cobaltite and manganite with insulator ground states. J. Phys.: Condens. Matter 26,  076001-10 (2014).
  12. В.А. Рыжов, Е.И. Завацкий. Устройство для исследования магнитных свойств магнетиков. Патент на изобретение № 2507525, зарегистрирован 20.02.2014.
  13. V. Matveev, V. Ryzhov, A. Lashkul, A. Mazur, V. Semenov, and E. Lahderanta. Study of Magnetic Nanocomposites by NMR and Bulk Magnetization Techniques. Europ. Phys. Journ. Web of Conferences 75, 05015 (2014).
  14. Matusevich, O.V.; Egorov, V.V.; Gluzdikov, I.A.; Titov, M.I.; Zarubaev, V.V.;  Shtro, A.A.;  Slita, A.V.; Dukov, M.I.; Shurygina, A.-P.S.; Smirnova, T.D.; Kudryavtsev, I.V.; Vasin, A.V.; Kiselev, O.I. Synthesis and antiviral activity of PB1 component of the influenza A RNA polymerase peptide fragments, Antiviral Research, 2014, In Press http://dx.doi.org/10.1016/j.antiviral.2014.10.015
  15. Vashchenkov V.E., Fedoseev A.I., Petukhov M.G., Khavinson V.K., Savvateeva-Popova E.V., Lushnikov S.G. Study of low-frequency dynamics of short peptides by Brillouin light scattering and Monte-Carlo global energy minimization // Journal of Physics: Conference Series. - 2014. - Vol. 572. - P. 012015.

2013

  1. Швецов А.В., Шмидт А.Е., Лебедев Д.В., Исаев-Иванов В.В. Метод расчета спектров малоуглового нейтронного рассеяния по полноатомным траекториям молекулярной динамики // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2013. Т. 12. С. 1–5
  2. Л.А.Бабкина, Ю.П.Гармай, Д.В.Лебедев, Р.А.Пантина, М.В.Филатов, В.В.Исаев-Иванов Использование моментов Цернике при анализе изображений// Сибирский журнал вычислительной математики.2013, т16 В№ 2, С147-163
  3. I.A.Yung, R.A.Pantina, D.V.Lebedev, M.V.Filatov, V.V.Isaev-Ivanov
  4. Confocal Microscopy Measurements of the Distance Distribution Functions for the Replication Origins in Human HeLa and Glyoma Cells // Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques 2013, Vol. 7, No. 6, pp. 1137–1142
  5. Egorov VV, Grudinina NA, Lebedev DV, Shaldzhyan AA, Slita AV, Sirotkin AK, Vasin  AV, Shavlovsky MM. Amyloidogenic peptide homologous to fragment 129-148 of human myocilin. Prion. 2013 May-Jun;7(3):248-52. doi: 10.4161/pri.24239
  6. Egorov VV, Zabrodskaya YA, Kalinin AS, Lebedev DV, Grudinina NA, Vasin AV, Kolikov VA, Klotchenko SA, Shawlovsky MM, Rutberg PG. Magnetic labeling of proteins for atomic force microscopy. Dokl Biochem Biophys. 2013 Jan-Feb;448:33-5. doi: 10.1134/S1607672913010080. Epub 2013 Mar 13
  7. Д.В. Лебедев, М.Л. Соколова, Я.В. Федорова, Г.Е. Побегалов,  Д.Б. Червякова, С.Б. Ланда, М.А. Ходорковский НАДМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СТРУКТУРЫ,  ОБРАЗУЕМЫЕ IN VITRO БЕЛКОМ TIP49A// Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки № 2(170) 2013
  8. Golovina, G.V., Rychkov, G.N., Ol'shevskaya, V.A., Zaitsev, A.V., Kalinin, V.N., Kuzmin, V.A.and Shtil, A.A. Differential binding preference of methylpheophorbide a and its diboronated derivatives to albumin and low density lipoproteins //Anticancer Agents Med Chem, – 2013. – V. 13. – No. (4).– P. 639-46.
  9. Bobrov, K., Borisova, A., Eneyskaya, E., Ivanen, D., Shabalin, K., Kulminskaya, A.and Rychkov, G. Improvement of the efficiency of transglycosylation catalyzed by α-galactosidase from Thermotoga maritima by protein engineering //Biochemistry (Moscow), – 2013. – V. 78. – No. (10).– P. 1112-1123.

2012

  1. Андрей В. Илатовский, Дмитрий В. Лебедев, Михаил В. Филатов, Михаил Г. Петухов, Владимир В. Исаев-Иванов, 2012. Современные представления о структурной организации хроматина. Цитология, 54 (4): 298-306.
  2. Andrey V. Ilatovskiy, Dmitry V. Lebedev, Michael V. Filatov, Michael G. Petukhov and Vladimir V. Isaev-Ivanov, 2012. SANS spectra of the fractal supernucleosomal chromatin structure models. Journal of Physics: Conference Series, 351: 012007 (9 pages).
  3. А.V. Ilatovskiy, V. A. Lanzov, 2012. Paired repeats in the structure of the bacterial genome and recombination activity in cells. Russian Journal of Genetics: Applied Research, 2 (2): 190-196. (Перевод статьи Андрей В. Илатовский и Владислав А. Ланцов, 2011. Парные повторы в структуре бактериального генома и рекомбиногенная активность клетки. Экологическая генетика, 9 (1): 62-69.)
  4. Irina Kufareva, Andrey V. Ilatovskiy and Ruben Abagyan, 2012. Pocketome: an encyclopedia of small-molecule binding sites in 4D. Nucleic Acids Research, 40 (D1): D535-D540.
  5. Denitra Breuer, Alexander Kotelkin, Tatiana Ammosova, Namita Kumari, Andrey Ivanov, Andrey V. Ilatovskiy, Monique Beullens, Philip R. Roane, Mathieu Bollen, Michael G. Petukhov, Fatah Kashanchi, and Sergei Nekhai, 2012. CDK2 Regulates HIV-1 Transcription by Phosphorylation of CDK9 on Serine 90. Retrovirology, 9:94 (15 pages).
  6. Petukhov M, Dagkessamanskaja A, Bommer M, Barrett T, Tsaneva I, Yakimov A, Quéval R, Shvetsov A, Khodorkovskiy M, Käs E, Grigoriev M (2012) Large-Scale Conformational Flexibility Determines the Properties of AAA+ TIP49 ATPases. Structure 20:1321-1331.
  7. CORRELATED MOTION OF PROTEIN SUBDOMAINS AND LARGE-SCALE CONFORMATIONAL FLEXIBILITY OF RECA PROTEIN FILAMENT // Garmay Yu., Shvetsov A., Karelov D., Lebedev D., Petukhov M., Isaev-Ivanov V., Radulescu A. // Journal of Physics: Conference Series. 2012. Т. 340. С. 012094.
  8. V.A. Ryzhov, A.V. Lazuta, P.L. Molkanov, V.P. Khavronin, A.I. Kurbakov, V.V. Runov, Ya.M. Mukovskii,  A.E. Pestun, and R.V. Privezentsev. Comparative Study of Heterogeneous Magnetic State above TC in La0.82Sr0.18CoO3 Cobaltite and La0.83Sr0.17MnO3 Manganite. JMMM v. 324, 3432-3436 (2012).
  9. A. V. Lazuta,V. A. Ryzhov, A. I. Kurbakov, V. P. Khavronin, P. L. Molkanov, Ya. M. Mukovskii, A. E. Pestun, R.V. Privezentsev. Nucleation and Development of Clustered State in La1-xSrxCoO3 and La1-xCaxCoO3 Single Crystals at x = 0.15. Solid State Phenomena v. 190, 679-682 (2012).
  10. Golovina G.V.*, Rychkov G.N.*, Ol’shevskaya V.A., Zaitsev A.V., Kalinin V.N., Kuzmin V.A., and Shtil A.A. Differential Binding Preference of Methylpheophorbide a and Its Diboronated Derivatives to Albumin and Low Density Lipoproteins // accepted by Anti-Cancer Agents in Medicinal Chemistry, – 2012.
  11. Dobrovolska O.*, Rychkov G.*, Shumilina E.*, Nerinovski K., Schmidt A., Shabalin K., Yakimov A., and Dikiy A. Structural insights into interaction between mammalian methionine sulfoxide reductase B1 and thioredoxin // J Biomed Biotechnol, – 2012. – V. 2012. – No. – P. 586539.

2011

  1. Jerebtsova M., Klotchenko S., Artamonova T., Ammosova T., Washington K., Egorov V., Shaldzhyan A., Sergeeva M., Zatulovskiy E., Temkina O., Petukhov M., Vasin A., Khodorkovskii M., Orlov Y., Nekhai S. Mass spectrometry and biochemical analysis of RNA polymerase II: targeting by protein phosphatase-1 // Molecular and Cellular Biochemistry. - 2011. - Vol. 347. - P. 79-87.
  2. V V Egorov, Y P Garmay, A A Shaldzhyan, D V Lebedev, A V Vasin, N A Grudinina and O I Kiselev Modeling of self-organization of two-dimensional ordered structures // Journal of Physics: Conference Series 291 (2011) 012005 doi:10.1088/1742-6596/291/1/012005
  3. Дудкина А. В., Швецов А. В., Бахланова И. В., Байтин Д. М., Изменение динамики филаментации белка RecA, вызванное аминокислотной заменой D112R либо замещением ATP на DATP, приводит к устойчисости филамента к действию белка RecX. // Молекулярная биология 2011; 45:546-553.
  4. А.В. Лазута, В.А. Рыжов, П.Л. Молканов, В.П. Хавронин, Ю.П. Черненков, О.П. Смирнов, И.О. Троянчук, В.А. Хомченко. Фазовые переходы парамагнетик-ферромагнетик и изолятор-металл в La0.88MnO2.95. Известия РАН, Серия физическая 75, №2, 218-221 (2011).
  5. В.А. Рыжов, А.В. Лазута, И.А. Киселев, В.П. Хавронин, И.О. Троянчук, С.В. Труханов. Магнитные и транспортные свойства зарядово упорядоченного манганита Pr2/3Ca1/3MnO3. ФТТ, т. 53, №5, 906-911, 2011.
  6. V.A. Ryzhov, A.V. Lazuta, O.P. Smirnov, V.P. Khavronin, P.L. Molkanov, Ya.M. Mukovskii, V. I. Chichkov. Behavior of clustered state above the Curie temperature in La0.78Ca0.22MnO3 single crystal. Solid State Phenomena v. 168-169, 485-488 (2011).
  7. A. V. Lazuta, V. A. Ryzhov, A. I. Kurbakov, V. P. Khavronin, P. L. Molkanov, Ya. M. Mukovskii, A. E. Pestun, R.V. Privezentsev. Inhomogeneous Magnetic State above the Curie Temperature of the Doped Cobaltite La1-xSrxCoO3. Solid State Phenomena v. 168-169, 457-460 (2011)2010

2010

  1. Исаев-Иванов В.В., Лебедев Д.В., Лаутер Х., Пантина Р.А., Куклин А.И., Исламов А.Х., Филатов М.В. Cравнительный анализ нуклеосомной структуры клеточных ядер - малоугловое нейтронное рассеяние.// ФТТ, 2010, №5
  2. Irina V. Ogneva, Dmitry V. Lebedev, and Boris S. Shenkman  Transversal Stiffness and Young’s Modulus of Single Fibers from Rat Soleus Muscle Probed by Atomic Force Microscopy, Biophysical Journal 2010,V 98, P 418–424.
  3. Суржик МА, Чуркина СВ, Шмидт АЕ, Швецов АВ, Кожина ТН, Фирсов ДЛ, Фирсов ЛМ, Петухов МГ. Влияние точечных аминокислотных замен во внутренней альфа-спирали на термостабильность глюкоамилазы из Aspergillus awamori x100 Прикладная биохимия и микробиология 2010; 46:221-227.
  4. Surzhik MA, Churkina SV, Shmidt AE, Shvetsov AV, Kozhina TN, Firsov DL, Firsov LM, Petukhov MG. The Effect of Point Amino Acid Substitutions in an Internal alpha-Helix on Thermostability of Aspergillus awamori X100 Glucoamylase,. Applied Biochemistry and Microbiology 2010; 46:206-211.
  5. Поляков Д.С., Грудинина Н.А., Соловьёв К.В., Егоров В.В., Сироткин А.К., Алейникова Т.Д., Тотолян А.А., Шавловский М.М. Бета2-микроглобулиновый амилоидоз: фибриллогенез природного и рекомбинантных бета-2-микроглобулинов человека //Медицинский Академический журнал,10 (2), 2010, стр.40-49
  6. Заявка на патент:: «Альфа-D-галактозидазы, обладающие измененной региоспецифичностью, и способ их получения.» Авторы: Голубев А.М., Рычков Г.Н., Бобров К.С.,Борисова А.С., Шабалин К.А., Энейская Е.В., Кульминская А.А.
  7. A.I. Kurbakov, A.V. Lazuta and V.A. Ryzhov. Phase diagram of Sm1-xSrxMnO3 perovskite manganites. Journal of Physics: Conference Series 200 (2010) 012099.
  8. A.V. Lazuta, V.A. Ryzhov, V.P. Khavronin, Yu.P. Chernenkov, O.P. Smirnov, P.L. Molkanov, I.O. Troyanchuk, V.A. Khomchenko. Paramagnet-to ferromagnet and isolator-to-metal phase transitions in La0.88MnO2.95. Functional Materials 17 (2010) No 1, 11-16.
  9. В.А. Рыжов, П.Л. Молканов, А.В. Лазута, В.В. Рунов, В.П. Хавронин, И.О. Троянчук. Нелинейные свойства и переход парамагнетик-ферромагнетик в монокристалле Nd0.7Ba0.3MnO3 с металлическим основным состоянием. Известия РАН, Серия физическая 74, 1538-1541 (2010).