ИСТИНА

Изучение физико-химических механизмов фотосинтеза и других биологических процессов с применением методов математического моделирования на молекулярном и субклеточном уровне. Фундаментальной задачей является выяснение механизмов регуляции клеточных реакций. Решение этих задач предполагает использование комплекса экспериментальных и математических методов. Будет проведена разработка методологии комплексного использования теоретических методов, компьютерного моделирования и информационных технологий для анализа экспериментальных данных на примере первичных процессов фотосинтеза, внутриклеточного транспорта и действия лекарственных препаратов на болезнетворные организмы.

The fundamental task is to elucidate the mechanisms of regulation of cellular reactions in the process of photosynthesis. A fundamental problem is the optimization of the conditions for obtaining biofuels. The solution to these problems involves the development and integration of the models and methods we have developed. The construction and study of detailed models of the primary photosynthesis reactions will be continued using kinetic modeling methods and Markov processes (agent models), which will make it possible to build a detailed system of photosynthetic electron transfer reactions and associated energy transformation processes in the thylakoid membrane and verify it using experimental data. Simulation of protein-protein interactions by molecular and Brownian dynamics will be carried out. The effect of ionic strength, pH of the solution, and a number of point mutations on the change in the rate of interaction of the proteins involved in the primary photosynthesis reactions and the associated hydrogen evolution reactions will be evaluated, which will allow us to estimate the optimal conditions for the hydrogen output. The development of a flow model of central plant cell metabolism will continue, based on the description of quasistationary states of metabolic reactions and using the apparatus of linear algebra. In combination with the developed kinetic models of photosynthetic reactions, such a model will allow us to describe the interaction of processes of different hierarchical levels: photosynthetic electron transport and the synthesis and decomposition of hydrocarbons and other important metabolites, such as amino acids and lipids, necessary for cell life, which are also targeted products in biotechnological problems of biofuel production.

С использованием разработанных ранее моделей и методов анализа экспериментальных данных с помощью автоматической системы регистрации будут получены массивы данных по индукции флуоресценции и другим фотосинтетическим характеристикам культур микроводорослей при различных режимах выращивания в фотобиореакторах для получения целевых продуктов: альтернативного биотоплива – молекулярного водорода и биомассы, обогащенной липидами. Для обработки полученных массивов данных будут использованы методы машинного обучения, в том числе метод мультиэкспоненциальной аппроксимации, кластерный анализ и искусственные нейронные сети. Для построения моделей будет использован аппарат дифференциальных уравнений, переменными в которых выступают вероятности состояний пигмент-белковых комплексов фотосинтетической цепи и концентрации подвижных переносчиков, а также ионов. Наряду с детальными моделями, насчитывающими несколько десятков уравнений, рассматриваются редуцированные модели, полученные из детальных с применением метода иерархии времен (теорема А.Н.Тихонова). Для решения систем уравнений используются математические программные пакеты Mah Lab , Phyton, DBSolve. При разработке модели переноса электрона в ансамблях нескольких миллионов фотосинтетических цепей, будет использован ”rule-based” Монте Карло метод. Расчеты будут проводиться с помощью разработанных нами программ на рабочих станциях и суперкомпьютере Ломоносов Межфакультетского центра коллективного пользования МГУ им. М.В. Ломоносова. На основе ранее разработанной модели процессов в тилакоидной мембране зеленых растений и водорослей будет построена детальная кинетическая модель процессов в циановых, ее параметры будут идентифицированы по экспериментальным данным индукциа флуоресценции на временах от мс до десятков секунд. Будут установлены характерные различия в параметрах фотосинтетического аппарата зеленых и циановых. С использованием комплекса математических методов будет проведен анализ индукционных кривых, полученных в результате действия тяжелых металлов на фотосинтетический аппарат растительных клеток. Будут проанализированы индукционные кривые флуоресценции, полученные в ходе отравления тяжелыми металлами. Для анализа больших массивов данных будут использованы методы машинного обучения: мультиэкспоненциальной аппроксимации, кластерного анализа и искусственные нейронные сети. На основе данных флуоресцентных и оптических измерений будут построены и обучены искусственные нейронные сети, способные автоматически распознавать объекты и определять тип стрессового воздействия. Методами молекулярной и броуновской динамики будут изучены процессы взаимодействия подвижных переносчиком фотосинтетической цепи белковой природы. Планируется исследовать методами броуновской и молекулярной динамики, как мутации влияют на образование реакционно-диффузионных комплексов ферредоксина и фотосистемы I. Будут изучены динамические характеристики процессов взаимодействия электрон-транспортных белков пластоцианина и цитохрома f двух видов цианобактерий с различной средой обитания: морская Synechococcus RCC307 и пресноводная Synechococcus lacustris. Конформации белков будут получены с использованием построения структур по гомологии на основании их аминокислотной последовательности. Для моделирования взаимодействия данной пары белков будет использоваться метод броуновской динамики, в котором белки рассматриваются как твердые тела в неявно заданном растворителе и моделируется их движение с учетом электростатических взаимодействий между ними. Вычислительные эксперименты будут проводиться при различных значениях ионной силы раствора для оценки влияния среды на константу скорости образования комплексов. Будут созданы полноатомные и крупнозернистые модели одиночных молекул липополисахаридов клеточных стенок E.coli и P. aeruginosa с О-антигенными цепями различной длины, антигенами, содержащими полирамнозу, а также модифицированных липополисахаридов, содержащих в составе липида А и коровой части положительно заряженные остатки фосфоэтаноламина/аминоарабинозы. На основе моделей одиночных молекул липополисахаридов будут построены липополисахаридные мембраны различной структуры. Микротрубочки являются особыми динамическими нековалентными мезоскопическими полимерами. Клеточные микротрубочки с медленными процессами укорочения-удлинения детирозинированны и богаты Δ2-тубулином. Микротрубочки с быстрым оборотом тирозинированы. Механистическая основа этого различия неизвестна. С использованием чистого изотипа человеческого тирозинированного, детерозинированного и Δ2-тубулина мы планируем показать, что эти модификации не влияют на внутреннюю динамику микротрубочек, что может указывать на то, что их стабильность in vivo является результатом транс-регуляции эффекторами. Однако сам альфа-хвост тубулина может являться мощным отрицательным регулятором роста и катастроф микротрубочек. В соответствии с этим, с использованием молекулярно-динамического моделирования мы планируем показать, что альфа-хвост взаимодействует с интерфейсом продольной полимеризации альфа-тубулина.

Научная группа имеет большой опыт работы по моделированию процессов в биологических системах на субклеточном и молекулярном уровне с использованием ряда методов математического и компьютерного моделирования. Данные флуоресценции и других методов регистрации изменений в фотосинтетическом аппарате в сочетании с методами математического моделирования были использованы для экспресс-оценки изменений в метаболизме фотосинтезирующих организмов, в частности, микроводорослей, в ходе выращивания культуры микроводорослей для получения целевого продукта (молекулярного водорода, обогащенной липидами биомассы и др.). Методы автоматической регистрации и обработки с помощью математических моделей больших массивов экспериментальных данных позволили определять изменения в фотосинтетическом аппарате фотосинтезирующих организмов в процессе роста, при воздействии стресса, что важно для целей биотехнологического производства и экологического мониторинга. Для этого использованы кинетические модели разной степени детализации, а также потоковые модели для описания сопряжения процессов фотосинтеза и процессов в метаболических сетях. Броуновские и молекулярные модели использованы для описания процессов взаимодействия антисептиков с модельной плазматической мембраной и процессов сборки и расплетения микротрубочек. Тема 06-4-21 "Молекулярно-кинетические механизмы и математическое моделирование биологических процессов" является продолжением исследований проводимых по теме: "Физико-химические механизмы и математическое моделирование биологических процессов" "АААА-А16-116021660040-7