Научные достижения 2002

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ВАЖНЕЙШИХ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

   Основное аккредитованное направление фундаментальных исследований Института <Биофизика и биотехнология живых систем, включая замкнутые искусственные и природные экологические системы, моделирование и прогноз их состояния>

Три темы НИР Института на период 2002-2006 гг. зарегистрированы во ВНТИЦентре с присвоением шифров государственной регистрации:
1. Биофизические основы функционирования природных экосистем (мониторинг, эксперименты и модели). Гос. рег. № 01.200117939.
2. Закономерности трансформации вещества и потоков энергии в биотехнологических системах и искусственных экосистемах, моделирующих природные процессы. Гос. рег. № 01.200117941.
3. Физико-химические механизмы функционирования биолюминесцентных систем. Гос. рег. № 01.200117940.

    2002 году Институт биофизики СО РАН в рамках данного направления Институт выполнял НИР по приоритетным направлениям фундаментальных исследований Российской Академии Наук:

4.1.5. Экспрессия генетической информации в клетке в бесклеточных условиях.
4.1.6. Механизмы действия ферментов и биотехнологические аспекты их применения.
4.1.7. Биоэнергетика. Фотосинтез.
4.1.12. Действие физических факторов на биологические системы. Радиобиология.
4.1.13. Физиология и биохимия микроорганизмов; использование микроорганизмов в биотехнологии.
4.1.14. Физиология растений. Фитобиотехнология.
4.1.15. Математические модели в биологии.
4.2.1. Структурно-функциональная организация водных и наземных экосистем; динамика популяций и механизмы устойчивости сообществ.
5.2.1. Исследования и мониторинг состояния природной среды; ресурсы морей России, Мирового океана, прогноз их изменений.

1.1. Важнейшие результаты 2002 года

В рамках утвержденных планов НИР по проблемам биофизики экосистем и физико-химической биологии получены следующие важнейшие результаты:

    Клонирована кДНК, кодирующая Са2+-регулируемый фотопротеин обелин из биолюминесцентного морского гидроида Obelia geniculata, определена ее нуклеотидная последовательность, по которой восстановлена аминокислотная последовательность белка. Показано, что среди исследованных к настоящему времени Са2+-регулируемых фотопротеинов, обелин из Obelia geniculata обладает наилучшими характеристиками как индикатор внутриклеточного кальция. Получены кристаллы белка и определена его пространственная структура с разрешением 1,8 A (Рис. 1). (гос. рег. № 01.200117940, РФФИ № 02-04-49419а, лаб.фотобиологии, к.б.н. Высоцкий Е.С.).Результат вошел в основные научные результаты СО РАН 2002 года.

    Рис. 1. Сравнение аминокислотной последовательности обелина из Obelia geniculata (верх) с последовательностями других Са2+-регулируемых фотопротеинов. Жирным шрифтом отмечены Са2+-связывающие сайты фотопротеинов. Кристалл обелина, дающий дифракцию 1.8 A (слева, внизу). Стерео изображение электронной плотности Tyr190 и целентеразина, демонстрирующее наличие двух кислородных атомов в С2-позиции субстрата (справа, внизу). Второй кислородный атом формирует сильную водородную связь (2.39 A) с гидроксильной группой Tyr190.

   Создана экспериментальная модель биологической системы жизнеобеспечения (БСЖО) с высокой устойчивостью и степенью замкнутости (более 95%) круговорота основных биогенных элементов (углерод, азот и др.), а также водо- и газообмена, за счет <биологического сжигания> несъедобных растительных отходов в почвоподобном субстрате (Рис.2). Модель предназначена для ведения экспериментально-теоретических исследований механизмов трансформации вещества и направленности массообменных процессов в биотехнических системах и искусственных экосистемах. (гос. рег. № 01.200117941, INTAS-ESA-99-0444, лаб. управления биосинтезом фототрофов, д.б.н. А.А.Тихомиров, совместно с лаб. экологической биотехнологии, д.ф.-м.н. Ю.Л.Гуревич и МЦ ЗЭС).

    Рис. 2. Схема массообмена в экспериментальной модели биологической системы жизнеобеспечения (БСЖО). Потоки веществ даны в г/сутки. Контур водообмена в системе показан широкими стрелками. Отдельно приведены величины потоков метаболитической воды.

    Показано, что в зависимости от способа восстановления субстрата бактериальной люциферазы - флавинмононуклеотида - соотношение между количеством жирной кислоты, образующейся в ходе реакции, и квантовым выходом в бактериальной биолюминесцентной реакции in vitro может существенно изменяться. Это соотношение составляет 3:1, 5.6:1 и 92:1 моль/моль при фотовосстановлении, ферментативном и химическом восстановлении флавинмононуклеотида, соответственно (Рис. 3). Результаты подтверждают существование темновых путей окисления алифатического альдегида в биолюминесцентной реакции и показывают, что этот путь начинает преобладать при недостатке восстановленного флавина в реакционной смеси. (гос. рег. № 01.200117940, лаборатория бактериальной биолюминесценции, к.б.н Н.А. Тюлькова, совместно с аналитической лабораторией, к.б.н. Г.С. Калачева).

    Рис. 3. Молярное соотношение между квантовым выходом (h?) и количеством образованной миристиновой кислоты (RCOOH) в биолюминесцентной реакции при разных способах восстановления флавинмононуклеотида (FMN). 1-фотовосстановленный FMN, 2-ферментативно восстановленный FMN, 3- химически восстановленный FMN.

    Определены нуклеотидные последовательности генов 16S рРНК в зимних пробах бактериопланктона двух водоемов бассейна Енисея. Обнаружены 16 новых массовых видов (клонов) бактерий (зарегистрированы как новые в международном банке генетических данных EMBL [http://www.ebi.ac.uk] под номерами: AJ320487, AJ320489, AJ344195 - AJ344208). Найдено 32 массовых вида некультивируемых бактерий, ранее обнаруженных в оз. Байкал, озерах Альп, Аляски и Антарктиды. Полученные данные свидетельствуют о глобальном распространении многих видов водных бактерий, что не имеет аналогов среди других эволюционно более молодых типов организмов (Рис. 4). Работа выполнена на базе Коллективного центра секвенирования СО РАН. (гос. рег. № 01.200117939, лаб. экспериментальной гидроэкологии, д.б.н. Гладышев М.И.). Результат вошел в основные научные результаты СО РАН 2002 года.

    Рис 4. Глобальное распространение некультивируемых видов бактерий, обнаруженных из анализа генов 16S рРНК в евтрофных водохранилищах бассейна Енисея.