Физико-химические основы молекулярной биоинженерии

Объект исследования Объектами исследования являются микроорганизмы, микроводоросли, животные, ткани, клетки, биомолекулы, биополимеры, и нанобъекты – нуклеосомы, хроматосомы, элонгационные комплексы, жидкие белок-белковые фазы и пр. Цель выполнения НИР Цель выполнения работы – заключается в разработке методов исследования и получении новых знаний в областях молекулярной, клеточной, тканевой, микробиологической, метаболической, митохондриальной и компьютерной биоинженерии. Методы проведения работы При реализации работ на кафедре биоинженерии был использован междисциплинарный подход, обширный арсенал молекулярно-биологических, биохимических, биофизических техник, потенциал центра превосходства в области геномных и постгеномных технологий МГУ и мощности суперкомпьютеров, также реализован нейросетевой алгоритм для анализа белок-белковых взаимодействий, выполнены многочисленные расчёты, демонстрирующие превосходство разрабатываемого подхода над существующими аналогами. Результаты работы. Основные характеристики Группой биомедицинских полимеров (рук. – д.б.н., в.н.с. А.П. Бонарцев) было проведено исследование воздействия внешнего магнитного поля на регенерацию костной ткани с использованием магнитоактивных пьезоэлектрических скаффолдов 3-х основных типов, полученных методом электроспиннинга: на основе полученного нами методом контролируемого биосинтеза поли-3-оксибутирата (ПОБ), композита ПОБ с наночастицами магнетита (ПОБ/М) и композита ПОБ с комплексом оксида графена с наночастицами магнетита (ПОБ/М-ОГ). Полученные результаты могут указывать на магнитомеханическую и магнитоэлектрическую стимуляцию образования и восстановления костной ткани. Разработаны композиции эндолизинов в гидрогелях на основе бактериальных альгинатов в дальнейшем для разработки противомикробных раневых покрытий для лечения ран инфицированных антибиотикорезистентными бактериями. Группой микроскопии высокого разрешения (рук. – к.ф.м.н, в.н.с. Д.В. Багров) созданы оригинальные проточные системы, предназначенные для пропускания растворов через пористые полимерные мембраны. С помощью этих проточных систем экспериментально показана возможность усиления специфической и неспецифической адсорбции белков на мембраны. Также разработана программа, создающая трехмерную модель волокон, которая будет использована для глубокого анализа структуры электроформованных мембран и влияния структуры на макроскопические характеристики, например пористость и смачиваемость. Группой интегративной биологии (рук. - д.ф.м.н, доц. А.К. Шайтан) и группой молекулярного моделирования (рук. - д.ф.м.н, проф. К.В. Шайтан) проведено обновление и модернизация базы данных последовательностей гистонов HistoneDB (https://histdb.intbio.org) и база структур нуклеосом и их комплексов NucleosomeDB (https://nucldb.intbio.org). Разработана классификация белков хроматина человека, проведен анализ физико-химических свойств белков хроматина человека, разработан ресурс с информацией о ядерной сублокализации и функциях белков хроматина человека SimChrom (https://simchrom.intbio.org/). Выполнено построение моделей комплексов канала Kv1.2 с пептидами HgTx, Ce1, Ce4 и Ce5, расчёт молекулярно-динамический траекторий этих комплексов и оценка аффинности взаимодействия пептидов с каналом с помощью ряда веб-сервисов. Группой биофотоники (рук. - д.б.н. проф. А.В. Феофанов) и группой регуляции транскрипции и репликации (рук. - д.б.н. в.н.с. В.М. Студитский) определено влияние ряда ДНК-тропных полифенолов (генистеина, ресвератрола, кверцетина, EGCG, кемпферола, апигенина, физетина) и кураксина CBL0137 на структуру нуклеосом и хроматосом; а также установлено действие полифенолов и кураксинов на функционирование хроматин-модулирующих белковых факторов PARP1 и FACT. С целью изучения молекулярного механизма распознавания этой последовательности белком HMO1 были проведены исследования взаимодействия HMO1 с фрагментами ДНК длиной 24 п.н., содержащими либо рандомизированную, либо IFHL-нуклеотидную последовательность методами спектроскопии кругового дихроизма, флуоресцентной спектроскопии и молекулярного моделирования. Группой белковой биоинженерии (рук. - д.б.н. проф. Д.А. Долгих) сконструирован и получен бифункциональный гибридный белок на основе противоопухолевого цитокина TRAIL-DR5-B, направленный на активацию рецептора DR5 и блокирование сигнальных путей FGFR1. Разработана система продукции изотопно-меченых вариантов гемсодержащих белков нейроглобина и цитохрома с для исследования структуры предполагаемого комплекса нейроглобин/цитохром с методом ЯМР. Получены два мутантных варианта пептидного блокатора MgTx, изучено их взаимодействие с каналом hKv1.2, определена роль функционально важных областей MgTx в высокоаффинном взаимодействии с hKv1.2. Группой симбиологии и клеточной инженерии (рук. – д.б.н., проф. Е.С. Лобакова) и группой фотофизиологии (рук. - д.б.н. проф. А.Е. Соловченко) проведен метагеномный анализ и показано изменение таксономического состава и функционального профиля альго-бактериального сообщества при моделировании попадания в стоки лекарств – антибиотиков широкого спектра действия (на примере цефтриаксона) и нестероидных противовоспалительных средств (на примере диклофенака). Продемонстрировано одновременное воздействие цефтриаксона и избытка биогенных элементов в сточных вводах приводит к максимальному обогащению антибиотикоустойчивых организмов, а также замене исходно присутствующих в сообществе цианобактерий на эукариотические микроводоросли. Были оценены перспективы применения ДНК-метабаркодинга для оценки влияния биопрепаратов на почвенный микробиом агроэкосистем. Группой структурной биотехнологии (рук. д.б.н., проф. О.С. Соколова) проведено исследование структурных особенностей организации внутриклеточных компартментов, образующихся в процессе инфекции гигантскими бактериофагами. Разработаны методики исследования внеклеточных везикул, прикрепленных к эукариотическим клеткам. Получена структура и инактивированных вирионов клещевого энцефалита и проведен анализ конформационной гетерогенности их оболочек. Были исследованы физиологические проявления миссенс-мутаций в ионных каналах у пациентов с удлинением интервала QT. Группой конфокальной микроскопии (и.о. рук. к.б.н, в.н.с. А.Ю. Архипова) полученные микрогелевые частицы на основе рекомбинантного спидроина rS1/9 использовали в качестве матрицы для нейрональной дифференцировки индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека. Нейроны, представляли собой гетерогенную популяцию, содержащую дофаминовых нейронов с развитыми синапсами. Клетки проявляли спонтанную активность и экспрессировали потенциал-чувствительные каналы, что подтверждило функциональную зрелость полученных нейронов и успешность использования микрогелевые частицы на основе рекомбинантного спидроина rS1/9 для таких задач. 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