Молекулярно-кинетические механизмы регуляции в биологических, в том числе, фотоэлектрических и фотоинформационных системахНИР

Molecular-kinetic mechanisms in biological regulation including photovoltaic and fotoinformatsion systems

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Молекулярно-кинетические механизмы регуляции в биологических, в том числе фотоэлектрических и фотоинформационных системах
Результаты этапа: Выполнены новые исследования внутримолекулярной динамики фотосинтетического белка РЦ пурпурных бактерий, свидетельствующие, что световая активация РЦ приводит к локальным изменениям микроокружения триптофанилов в структуре РЦ, что может фиксироваться замораживанием РЦ на свету. Исследования эффективности тушения флуоресценции хлорофилла антенны фотосистемы 2 нейтральными и окисленными реакционными центрами показали, что длительность компонента флуоресценции связанного с миграцией энергии из антенны в РЦ ощутимо сокращается после накачки ФС 2 мощным импульсом света в результате более эффективного тушения флуоресценции. Высокая эффективность тушения флуоресценции антенны окисленным пигментом ФС 2 обеспечивается комбинацией ориентационного фактора и интеграла перекрывания спектров флуоресценции донора и поглощения акцептора. Были исследованы регуляторные изменения вязкости фотосинтетических мембран цианобактерий при адаптации к пониженным температурам. Получен и охарактеризован новый мутант оранжевого каротиноидного белка (ОСР) с заменой триптофана-288 на аланин, что позволило решить проблему изучения свойств термодинамически нестабильной красной формы ОСР и создать гибридные конструкции на основе этого белка и ряда флуоресцентных красителей. Теоретическое изучение взаимодействия центра электронной локализации в конденсированной среде (молекулы донора) с окружением показало, что релаксационная динамика среды, которая существенно зависит от температуры, может опосредованно влиять на вероятность туннельного переноса электрона. Исследование температурной зависимости безизлучательного переноса энергии от КТ (CdSe/ZnS) к коньюгированным с ними РЦ пурпурных бактерий свидетельствует о низкотемпературном увеличении эффективности переноса энергии, обусловленном, очевидно, температурной иммобилизацией гибридных структур. Исследование процессов миграции энергии в гибридных комплексах КТ (CdSe/ZnS) и замещенных фталоцианинов алюминия (ФЦ) показало, что использование КТ в качестве искусственной антенны для ФЦ оправдано тогда, когда соотношение молекул акцептора энергии, приходящихся на 1 молекулу донора (КТ) не превышает 10-15. Проведено сравнительное изучение первичных процессов фотосинтеза у мутанта способных к фотоиндуцированному выделению водорода зеленых микроводорослей Chlamydomonas reinhardtii CC400 без клеточной стенки и дикого типа СС125 в стандартных условиях и при недостатке магния для исследования взаимосвязи между процессами регуляции фотосинтеза и биопродукцией целевых продуктов (в том числе водорода), для выбора штаммов, характеризующихся высокими выходами водорода в биореакторе. Исследованы хлоропластные белки клеток С. reinhardtii, выращенных на полной среде и среде без магния. Показано, что при недостатке серы и магния имеются различия в динамике изменения содержания белков в процессе голодания. Фотосистема 1 для обоих вариантов повреждается меньше чем фотосистема 2.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Молекулярно-кинетические механизмы регуляции в биологических, в том числе фотоэлектрических и фотоинформационных системах
Результаты этапа: В рамках фундаментальных исследований по теме работы и в соответствии с техническим заданием были получены новые данные, расширяющие представления о молекулярно-кинетических механизмах регуляции в биологических, в том числе, фотоэлектрических и фотоинформационных системах. Проведено исследование первичных процессов миграции энергии и переноса электрона в ФСII, встроенных в матрицу на основе трегалозы. Проведено исследование спектрально-кинетических характеристик ОСР при его ковалентном связывании с флуоресцентными метками. Изучена динамика реорганизации структуры OCP при его ковалентном связывании с различными флуоресцентными метками. исследована фотодинамическая активность ковалентно связанных фталоцианинов цинка и алюминия с полупроводниковыми квантовыми точками Исследованы эффекты УФ излучения на структурные и функциональные свойства РЦ пурпурных бактерий в пленочных образцах, включая различные стабилизаторы структуры белка. Получены новые данные о физических механизмах первичных реакций переноса заряда в природных фоточувствительных белках и отработаны подходы для формирования прочных комплексов из КТ и белков с высокоэффективным переносом энергии светового возбуждения. Исследована связь констант электронного переноса в структуре РЦ с локальной молекулярной динамикой. Предложена модель конформационной перестройки системы водородных связей в локальном окружении вторичного хинона Проведен анализ конформационного состояния РЦ и его взаимодействий с липидным окружением на основе данных молекулярной динамики. Исследована физиологическая роль гидрогеназы в зеленой микроводоросли C. reinhardtii в условиях минерального голодания в связи с проблемой биопродукции Н2. Изучена возможность использования наночастиц для увеличения биопродукции целевых продуктов, в том числе водорода. Предложен простой и надежный способ эффективной конъюгации полупроводниковых наночастиц с белковыми макромолекулами на основе координационного взаимодействие гистидинов с ионами Zn на поверхности КТ и дополнительной дисульфидной связи цистеина с серой ZnS оболочки. Выявлены различия в среднем времени жизни флуоресценции триптофановых остатков в замороженных в темноте или на активирующем свету фотосинтетических реакционных центрах пурпурных бактерий, свидетельствующие о генерализованном характере индуцируемых светом структурно-динамических изменений РЦ.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Молекулярно-кинетические механизмы регуляции в биологических, в том числе фотоэлектрических и фотоинформационных системах
Результаты этапа: Исследовано влияние ионной силы на стабильность и процессы миграции энергии в гибридном комплексе на основе полупроводниковых квантовых точек и замещенных фталоцианинов алюминия. Мы показали, что электростатическое взаимодействие в гибридном комплексе КТ-ФЦ достаточно велико, поскольку увеличение ионной силы раствора до физиологических значений (0,15-0,2 М) не нарушает стабильность комплекса К Т-ФЦ; кроме того, наличие ионов NaCl в растворе способств ует усилению эффективности миграции энергии в комплексе. Тем не менее, поведение комплекса КТ-ФЦ во внутренней среде организма остается интересным вопросом, поскольку влияние многих видов органических и неорганических ионов, а также белковой фракции на фотодинамические свойства гибридных комплексов все еще достаточно слабо изучено. Были проанализированы изменения спектральных свойств ФЦ при образовании комплекса с КТ в отсутствие миграции энергии. При этом наблюдалось уменьшение интенсивности флуоресценции фталоцианина, причем величина снижения определяется как размером квантовой точки, так и количеством положительных зарядов на периферии макроцикла молекулы ФЦ. Последнее возможно лишь в том случае, когда молекула ФЦ взаимодействует с поверхностью КТ большинством своих боковых заместителей. Это находит подтверждение в экспериментах по изучению кинетик анизотропии ФЦ, где при установлении равновесия в растворе не наблюдается собственного вращения ФЦ на поверхности КТ. Вероятно, уменьшение интенсивности флуоресценции ФЦ может быть связано с изменением конформационного состояния молекулы ФЦ при адсорбции на поверхность КТ. Поскольку выраженность изменения конформационного состояния ФЦ определяется силой электростатического притяжения ФЦ к квантовой точке, увеличение ионной силы раствора приводит к ослаблению электростатического взаимодействия и частичному восстановлению спектральных характеристик ФЦ. Установленные зависимости величины миграции энергии от качественного и количественного состава комплексов КТ-ФЦ в значительной степени способствуют созданию гибридных комплексов с улучшенными фотофизическими и фотохимическими характеристиками. Согласно нашим данным, использование квантовых точек в качестве искусственных антенных комплексов для молекул ФЦ оправданно лишь тогда, когда соотношение молекул акцептора энергии, приходящихся на одну молекулу донора энергии (КТ), не превышает 10-15. Дальнейшее увеличение числа молекул ФЦ приводит к падению интенсивности их флуоресценции вследствие концентрационного тушения и неспособности КТ обслуживать большое число акцепторов энергии. Экстремально низкие соотношения [ФЦ]/[КТ] также оказываются невыгодными, т.к. при этом эффективность миграции энергии в гибридном комплексе составляет порядка 20%; следовательно, используется не весь ресурс КТ как светосборщика.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Молекулярно-кинетические механизмы регуляции в биологических, в том числе фотоэлектрических и фотоинформационных системах
Результаты этапа: 1. С использованием современных методов спектрально-кинетической абсорбционной и флуоресцентной спектроскопии исследованы эффекты электростатического взаимодействия и ковалентного связывания на перенос энергии от водорастворимых отрицательно и положительно заряженных CdS/ZnS квантовых точек (КТ) с полимерным покрытием к фотосинтетическим реакционным центрам (РЦ) Rb. sphaeroides. Наблюдали более эффективный перенос энергии к РЦ от положительно заряженных КТ, что объясняется преимущественной локализацией положительно заряженных КТ на периплазматической поверхности РЦ, а отрицательно заряженных КТ – на цитоплазматической стороне, тогда как акцепторы энергии – порфирины расположены вблизи периплазматической стороны РЦ. Ковалентное связывание отрицательно заряженных КТ с РЦ не увеличивало эффективность переноса энергии к РЦ. 2. Изучение температурной зависимости эффективности миграции энергии от покрытых гидрофильной полимерной оболочкой КТ CdSe/CdS/ZnS с максимумом флуоресценции при 580 нм, на РЦ бактерий Rb. sphaeroides показало, что она практически постоянна в диапазоне температур от 100 до ~ 230-240 К, но затем снижается в 2,5-3 раза при дальнейшем росте температуры до 310 К. Анализ данной зависимости на основе теории Фёрстера свидетельствует, что основные изменения эффективности переноса энергии связаны с квантовым выходом флуоресценции КТ. Дополнительный вклад в эти изменения определяют процессы внутримолекулярной подвижности в системе КТ+РЦ. 3. Изучено взаимодействие между ап-конверсионными наночастицами и октакарбоксифталоцианином алюминия. Показано, что эффективность безызлучательного переноса энергии от наночастиц на фталоцианин возрастает с увеличением числа адсорбированных на наночастице молекул фталоцианина лишь до максимального соотношения ~150. При дальнейшем увеличении концентрации фталоцианина его сенсибилизированная флуоресценция уменьшается вследствие димеризации молекул красителя на поверхности наночастицы. В гибридном комплексе при инфракрасном (980 нм) лазерном облучении происходила генерация синглетного кислорода молекулами фталоцианина. Обнаруженные эффекты представляют интерес с точки зрения создания гибридных фотосенсибилизаторов с большой глубиной онкологического действия. 4. Было продолжено изучение механизмов протонного транспорта в протеородопсине бактерий Exhiguobacterium sibiricum (ESR). Исследование электрогенеза в мутанте К96А показало, что общая эффективность протонного транспорта снижается за счет обратных реакций. Для проверки гипотезы о том, что повышенная скорость реакций обратного протонного переноса может быть вызвана различным расположением акцептора протонов Asp85 в ESR по сравнению с таковым в бактериородопсине, был исследован фотоцикл и электрогенез в мутанте по остатку His57. Этот остаток тесно взаимодействует с Asp85 в ESR, но отсутствует в БР. Результаты, полученные на мутантах H57N и H57N/K96A, показали, что замена His57 на Asn приводит к замедлению скорости обратных реакций. При низком значении рН 4,5 эффективность электрогенеза в H57M резко снижается. Однако в двойном мутанте H57N / K96A он остается таким же высоким, как и в ESR дикого типа при нейтральном рН. Полученные результаты указывает на то, что при низком рН Lys96 не является эффективным донором протонов. Это позволяет предположить, что протонная помпа в ESR оптимизирована для среды с высоким рН. 5. Исследованы механизмы релаксационного отклика белковой матрицы на изменение редокс-состояния молекул первичного и вторичного хинонов в РЦ. 6. В результате изучения физиологических характеристик и функциональной активности штаммов зеленой микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii cc-5130 (мутант HydG без гидрогеназной активности) и контрольного сс-4425 можно предположить, что наличие активной гидрогеназы положительно сказывается на функционировании фотосинтетической электронтранспортной цепи, но в выживании клеток C. reinhardtii при недостатке серы могут существенную роль играть также темновые процессы метаболизма. Наноалмазы могут быть использованы в качестве антиоксидантов в условиях, индуцирующих образование супероксидного радикала в клетках. Этот вывод сделан в результате изучениея действия наноалмазов на клетки штамма сс-400 Chlamydomonas reinhardtii с редуцированной клеточной стенкой.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Молекулярно-кинетические механизмы регуляции в биологических, в том числе фотоэлектрических и фотоинформационных системах
Результаты этапа: Была изучена роль аминокислотного остатка His57 в эффективности переноса протонов в протеородопсине ESR. Показано, что взаимодействие His57 с первичным акцептором Asp85 обеспечивает низкий предел рН выделения протона. В тоже время установлено, что остаток Lys96 функционирует как очень эффективный донор протонов при низких значениях рН. На основе исследования зависимостей длительности флуоресценции триптофана в различных растворах и в составе белка предложена модель переходов молекулы триптофана из возбужденного состояния в состояние с разделением заряда, обратный переход в возбужденное состояние, а также релаксацию состояния с разделенными зарядами в основное состояние. Обнаруженный нелинейный характер динамики этих переходов определяется взаимодействием триптофана с его микроокружением, перестройками в системе водородных связей водно-белковой матрицы. Функциональная активность акцепторной части бактериальных фотосинтетических реакционных центров (РЦ) обусловлена самосогласованной микроконформационной динамикой аминокислотных остатков, входящих в молекулярную структуру этой части РЦ. Молекулярный механизм самосогласования динамического отклика локального окружения кофакторов электронного переноса связан с кооперативными свойствами системы водородных связей РЦ. Восстановление первичного хинонного акцептора (QA) в процессе фотосинтетического разделения зарядов вызывает изменение поверхности потенциальной энергии молекулярной системы РЦ. Это не только активирует процесс переноса протонов вдоль определенных водородных связей, но одновременно вызывает переориентацию образующих эти водородные связи аминокислотных остатков в непосредственном окружении вторичного хинонного акцептора QB (Ser L223 и Asp L213). Созданная ранее молекулярная модель ядра цианобактериальной фикобилисомы (ФБС), а также его комплекса с димеров фотосистемы 2 (ФС2) позволила создать кинетическую схему, описывающую пути миграции энергии между ФБС и ФС2. Расчеты показывают, что экспериментально измеренная скорость переноса энергии от терминального эмиттера (ТЭ) энергии ФБС на хлорофилл ФС2 не может быть достигнута из-за слишком значительного расстояния между хромофорами. Учет множественности путей миграции от единичной молекулы ТЭ на несколько различных молекул хлорофилла, позволяет получить оценки очень близкие к экспериментальным значениям. Сравнительное исследование физиологических характеристик штаммов зеленой микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii РFL3 (c изменением пируват формиат лиазы) и соответствующего мутанту дикого типа в процессе серного голодания показало, что более ранний переход в анаэробиоз приводит к сохранению большего числа активных центров ФС2 у голодающих по сере водорослей, и, как следствие более длительной продукции водорода. Получены новые существенные факты о молекулярных событиях в начале индуцированного светом цикла (фототцикла) превращений белка OCP, важного для выживания фотосинтезирующих организмов. Впервые получены свидетельства существования в начале фотоцикла метастабильной формы каротиноида, а именно иона оксокарбениума. Были получены новые факты о процессах, в которых участвуют фотосенсибилизаторы, которые считаются перспективными для фотодинамической инактивации патогенных микроорганизмов. Прецизионные исследования оптических явлений показали, что скорость вызванной светом деградации молекул фталоцианинов зависит от места локализации этих молекул. Деградация молекул фталоцианинов, локализованных в полимерной оболочке квантовых точек, происходит быстрее, чем деградация молекул фталоцианинов в водном растворе. Выявленный факт имеет практическое значение для правильного выбора методических деталей применения молекул фотосенсибилизаторов для индуцированного светом уничтожения нежелательных клеток.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".