Физико-химические основы молекулярной биоинженерии

Объект исследования Объектами исследования являются биомолекулы, биополимеров, нанобъектов, ткани, микроорганизмы и микроводоросли, представляющие интерес для медицины и биотехнологии. Цель выполнения НИР Цель выполнения работы – заключается в разработке методов исследования и получении новых знаний в областях молекулярной, клеточной, тканевой, микробиологической, метаболической, компьютерной биоинженерии. Методы проведения работы При реализации работ используются современные высокотехнологичные методы исследований: конфокальная, электронная, атомно-силовая микроскопия, ПЦР реального времени, протеомный анализ, нанопоровое секвенирование, ЯМР-анализ, молекулярная динамика и компьютерное моделирование с использованием мощностей суперкомпьютеров и пр. Результаты работы. Основные характеристики В 2022 году проведены детальные физико-химические и биологические исследования биомолекул, полимеров, нанобъектов, тканей, представляющих интерес для медицины и биотехнологии и определены дальнейшие научные и практические задачи. Проведено комплексное исследование воздействия магнитного поля на бактерии и клетки, культивируемые на скаффолдах из композита поли-3-оксибутирата с магнитоактивными наноматериалами: наночастицами магнетита и его комплекса с частично восстановленным оксидом графена. Были исследованы микрогели из рекомбинантного спидроина rS1/9. Аллогенные клетки печени и мультипотентныемезенхимальные стволовые клетки костного мозга (MMSC BM) были иммобилизованы на микрогель из рекомбинантного спидроина rS1/9. Затем полученные конструкции были исследованы на крысиной модели с хронической печеночной недостаточностью, достигнутой при длительном отравлении четыреххлористым углеродом. Методами структурной биоинформатики было изучено и охарактеризовано многообразие структур нуклеосом и их комплексов. В 2022 году проведено изучение пластичности димеров гистонов в нуклеосомах методами молекулярного моделирования. Проводились работы по поддержке и модернизации баз данных нуклеосомных структур и гистоновых белков Nucleosome DB (https://nucldb.intbio.org) и HistoneDB (https://histonedb.bioeng.ru). Было построено таксономическое распределение последовательностей гистонов. Рассмотрены эффекты двух типов симметрии для линейных полимеров: пространственной симметрии относительно трансляций и вращения макромолекулы как целого в однородной вязкой среде и симметрии относительно перестановки в цепи одинаковых мономерных звеньев (или одинаковых по химическому строению участков полимерной цепи). Методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) проведены оригинальные исследования внеклеточных везикул бактериального происхождения, а также экзосом, выделенных из различных клинических образцов. Исследовано взаимодействие онкосупрессора р53 и про-опухолевого фактора FACT с хроматином методами футпринтинга и spFRET-микроскопии. Было изучено действие пептидов с высокой аффинностью к отрицательно заряженному участку (acidic patch, кислотного лоскута) на поверхности Н2А-Н2В димера нуклеосом на связывание с нуклеосомой и ее реорганизацию комплексом FACT методом spFRET микроскопии. С помощью spFRET микроскопии было определено влияние H2A.Z, H3K56Q и их комбинации на эффективность диссоциации FACT из комплекса с нуклеосомой. Полученные нуклеосомные матрицы, содержащие сшивки между гистонами Н3 двух димеров H3/H4 тетрамера были транскрибироваться РНК полимеразой 2 в различных условиях; и количественно определяться высота нуклеосомного барьера и «судьба» нуклеосом после транскрипции в присутствии и в отсутствие фактора FACT. С помощью электронной микроскопии макромолекул были охарактеризованы структурные особенности комплексов, образованных нуклеосомами и фактором FACT человека в присутствии кураксина CBL0137. Сочетание биофизических методов, таких как spFRET- и TIRF – микроскопия, с биохимическими исследованиями позволило намного детальней изучить механизмы действия различных полифенолов и кураксина в контексте хроматина. На клетках были исследованы свойства дизайнерских пептидов с высокой аффинностью и селективностью в отношении потенциалзависимых калиевых каналов. Разработана технология получения гибридных бифункциональных белков на основе цитокина TRAIL DR5-B для одновременного нацеливания на рецепторы DR5 и VEGFR2. . Разработана система продукции рекомбинантного трехпетельного белка из морской звезды, охарактеризованы физико-химические свойства полученного белка и подтверждена его структура методами ЯМР. Исследовано взаимодействие митохондриального цитохрома с с модельными кардиолипин-содержащими мембранами и показано, что полученные направленные мутации в неупорядоченной Ω-петле (а.о.70-85) цитохрома с вызывают увеличение его мембран-пермеабилизующих свойств, а также рост пероксидазо-подобной активности. Исследована морфология вирусоподоных частиц, сформированных белками ротавируса, вируса SARS-CoV-2 и химерных вирусоподобных частиц. Получен очищенный полноразмерный белок человека Ace2, стабилизированный детергентом. Методом термофореза измерены константы взаимодействия очищенного белка с RBD доменами S-белка вируса SARS-CoV-2 штамма дельта. В отчётном периоде исследовали методы детекции влияния фармацевтических препаратов (антибиотиков и нестероидные противовоспалительные препараты), являющихся опасными микрозагрязнителями (ОМЗ), и высоких концентраций макронутриентов (фосфата) на микроводоросли (компоненты акваэкосистем). Результаты выполненных исследований в 2022 году и сопоставление результатов с мировым уровнем позволяют утверждать, что полученные данные соответствуют тенденциям и уровню выполняемых в мире аналогичных исследований в этой области и имеют перспективы для дальнейшего развития, в том числе и с целью практического использования в клинической практике. Ряд исследований был интегрирован в образовательный процесс в качестве тем для выполнения бакалаврских и магистерских работ, а также задач большого практикума для студентов кафедры биоинженерии. Показателями успешности и признания исследований, проводимых сотрудниками кафедры биоинженерии являются наличие многочисленных проектов, финансируемых различными фондами: РНФ. РФФИ, Минобрнауки и пр, наличие большого списка публикаций, включая статьи в высокорейтинговых журналах первой квартили (Q1), участие в международных и отечественных конференциях , защищенные на кафедре диссертации и полученные патенты Области применения Областями применения полученных результатов или созданной на их основе инновационной продукции являются медицина, здравоохранение, профилактические программы. Экономическая эффективность или значимость работы. Прогнозные предположения о развитии объекта исследования Выполнение НИР создает необходимую научную и технологическую основу для получения биомолекул, полимеров, нанобъектов, тканей, представляющих интерес для медицины и биотехнологии