почта: Ekaterina.Efremova@mail.ioffe.ru Издание осуществлено на основе MS Word файлов, представленных авторами докладов

Вторая российская конференция

с международным участием

18–22 cентября 2017

Физика –

наукам о жизни

УДК 53, 57, 60, 61, 63 ББК 22.3, 28, 40

Тезисы докладов Второй российской конференции с международным участием

«Физика — наукам о жизни». — СПб.: ФТИ им. А.Ф. Иоффе, 2017. — с. 130, 35 ил.

ISBN 978-5-93634-039-0

Отдел научно-технической информации ФТИ им. А.Ф. Иоффе Политехническая 26, Санкт-Петербург, 194021

Телефон: (812) 297 2617 Факс: (812) 297 1017

Эл. почта: Ekaterina.Efremova@mail.ioffe.ru

Издание осуществлено на основе MS Word файлов, представленных авторами докладов. В процессе верстки исправлены только ошибки стилевого оформления.

Составители и технические редакторы: Е.А. Ефремова, И.М. Фишер Дизайн и верстка: Н.Г. Всесветский

Организаторы

ФТИ им. А.Ф. Иоффе при содействии

ООО «Альтернатива-тур» и АО «Техноэксан»

Спонсоры

Российский фонд фундаментальных исследований Техноинфо Лтд.

ООО «Поток»

ООО НПП «Изумруд»

ООО «Параллакс»

Программный комитет

Н.Н. Никольский, председатель (Институт цитологии РАН) А.В. Нащекин, ученый секретарь (ФТИ им. А.Ф. Иоффе)

М.В. Архипов (Агрофизический научно-исследовательский институт) Н.Т. Баграев (ФТИ им. А.Ф. Иоффе)

П.Г. Баранов (ФТИ им. А.Ф. Иоффе) О.С. Васютинский (ФТИ им. А.Ф. Иоффе)

Л.Н. Галль (ИАП РАН) Н.Р. Галль (ФТИ им. А.Ф. Иоффе) В.Г. Голубев (ФТИ им. А.Ф. Иоффе) А.Г. Забродский (ФТИ им. А.Ф. Иоффе)

Г.Р. Иваницкий (ИТЭБ РАН) А. Канапин (Оксфордский университет)

Н.А. Касьяненко (СПбГУ)

А.Н. Коваленко (ФТИ им. А.Ф. Иоффе) Е.С. Корнилова (Институт цитологии РАН) К.М. Лебединский (СЗГМУ им. И.И. Мечникова)

С.Г. Лушников (ФТИ им. А.Ф. Иоффе) С.В. Медведев (ИМЧ РАН) Б.С. Мельник (Институт белка РАН) Ю.Н. Орлов (СПбПУ Петра Великого) Р.З. Сагдеев (Институт МТЦ СО РАН) А.М. Самсонов (ФТИ им. А.Ф. Иоффе)

А.П. Соколов (Университет Теннесси и Окриджская национальная лаборатория) Т.Е. Суханова (ИВС РАН)

М.Л. Фирсов (ИЭФБ РАН)

Организационный комитет

А.Г. Забродский, председатель С.Г. Лушников, заместитель председателя

Е.А. Ефремова, секретарь Л.Ф. Гребеновская

А.В. Нащекин

Предисловие

В сборнике представлены тезисы 109 докладов, включенных в программу конференции, по следу- ющим разделам:

1. Физические подходы и проблемы интерпретации данных в науках о жизни.

2. Разработка технологий, диагностик, функциональных материалов и структур.

3. Разработка приборов и устройств для практических применений.

На школе молодых ученых будут представлены четыре лекции, тезисы которых выделены в от дельный раздел сборника.

На пленарном заседании конференции будут представлены два доклада, тезисы которых также выделены в отдельный раздел сборника.

Другие приглашенные доклады, отобранные Программным комитетом для устного представ- ления, распределены по тематическим заседаниям. Этим докладам присвоены коды, построенные по следующему формату:

〈День недели〉-〈Номер заседания〉.〈Номер доклада〉〈Статус доклада〉

Статусы докладов: пл — пленарный, п — приглашенный, у — устный.

В соответствии с этим форматом код Ср-3.2п означает приглашенный доклад, представляемый в среду, 20 сентября, на 3-м заседании, 2-м по счету.

Тематики заседаний и их коды приведены в таблице.

Секция 1. Физические подходы и проблемы интерпретации данных в науках о жизни

Вт-2 Ср-3 Чт-2

Секция 2. Разработка технологий, диагностик, функциональных материалов и структур

Вт-3 Ср-1 Пт-1 Пт-2 Секция 3. Разработка приборов и устройств для практических применений Ср-2 Чт-1 Стендовые сообщения будут представлены на двух сессиях, разнесенных по дням. Названия разделов вынесены в колонтитулы и оглавление.

Коды стендовых сообщений образованы на основе следующего формата:

〈День недели〉-〈Номер тематики〉.〈Номер сообщения〉〈с〉

Здесь код Вт-1.7с обозначает стендовое сообщение, представляемое во вторник, 19 сентября, по разделу 1 с условным номером 7.

Для каждой работы в правом верхнем углу страницы приведен код в программе и идентифика- тор, присвоенный при загрузке.

Лекции школы молодых ученых

Лекциишколымолодыхученых Пн-1.1л (Rep_0165)

Фолдинг белка : зачем его изучать и как это делают физики ?

Б.С. Мельник

ИБРАН, г. Пущино, 142290, Институтская, 4 эл. почта: bmelnik@phys.protres.ru

Современные исследования белковполны противоречий. С одной стороны, основное утвер- ждениемолекулярнойбиологии заключается в том, что развернутаяполипептиднаяцепь белка сама, без постороннейпомощиукладываетсяв единственновозможную трехмернуюструктуру. Сдругой стороны, известно, чтодлясворачивания (фолдинга) белкав клетке нужны специаль- ные «помощники» — шапероны, и без их помощи полипептидная цепь свернуться не может. Крометого, известно, чтоестьбелки, способныесвернутьсявразныеструктуры. Добавимсюда теоретические работы, по одной из которых белок не может свернуться никогда (парадокс Левинталя), аподругим (использующимкомпьютерноемоделирование) создаетсявпечатление, чтоможнолегкопредсказатьтрехмерную структурулюбогобелка. Чтоизэтого правда? Стоит ли вообще заниматься фолдингом белка? Япостараюсь ответить на эти вопросы, рассказав о том, что такое сворачивание (фолдинг) белка с точки зрения физика и почему его нужно изу- чать. Атакжеяостановлюсьнанекоторыхэкспериментальныхметодах (флуоресценция, круго- войдихроизм, микрокалориметрия) без которыхна сегодняшнийдень невозможноисследовать сворачиваниебелков. РаботаподдержанагрантомРНФ№ 14-24-00157.

Лекциишколымолодыхученых Пн-1.2л (Rep_0152)

8

Physics education and success in biomedicine:

it is not as simple as some physicists think

В.В. Ганусов

1 The University of Tennessee, Knoxville, 37996, 1414 Cumberland ave., M409

2 СПбПУ Петра Великого, Санкт-Петербург, 195251, Политехническая, 29 эл. почта: vitaly.ganusov@gmail.com

Science has always been an important if not the major component of the economic growth of a country and in general, science has been respected and scientists trusted with their professional opin- ions. However, it appears that in the last decades, the general public opinion of scientists and science in general has been declining. In my talk I will discuss some perceptions and actual data on the appre- ciation of science and scientific discovery by the general public, outline why perception has been changing, and propose ways of changing this course. I will argue that the scientific system has been slowly changing to the business model where “winner takes all” which in essence encourages rapid but not robust science leading to a raising number of nonreproducible studies. I will argue that steps to cor- rect these problems have to be taken at the education level, both undergraduate and graduate, with se- rious emphasis on the ways of how best science can be made. To paraphrase Churchill, I will also dis- cuss why physics education is not very good for a successful career in biomedical sciences, but per- haps it is the best from the available majors.

Лекциишколымолодыхученых Пн-1.3л (Rep_0105)

Фототрансдукция : механизм зрения и образцовый GPCR- сигнальный каскад

В.И. Говардовский

Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН, Санкт-Петербург, 194223, пр. Тореза, 44

эл. почта: vgovardovsky@yahoo.com

Фототрансдукцией называют процесс, транслирующий поглощение кванта света в электри- ческий ответ фоторецепторной клетки. Фоторансдукция в палочках и колбочках сетчатки по- звоночных — наиболее детально и достоверно изученный каскад внутриклеточной сигнализа- ции, основанный на GPCR-рецепторах — рецепторных молекулах, передающих сигнал через ГТФ-связывающиебелки (G-белки). В отличиеотдругихкаскадов GPCR-сигнализации, гдере- цепторныйбелокреагируетна химическиестимулы, вфоторецепторныхклетках GPCR-белок – это зрительный пигмент родопсин R, который активируется светом. Поглощение кванта света переводит молекулу зрительного пигмента в активную форму R*, способную взаимодейство- вать с G-белком трансдуцином (Т). Активный родопсин катализирует обмен ГДФ на ГТФ на молекулах трансдуцина, в своюочередь активируяих. Все компоненты каскада фототрансдук- ции свободно движутся в фоторецепторной мембране, и одна молекула родопсина при столкно- венияхпроизводитдо 200 молекул T* всекунду. Таквозникает перваяступень усилениясигна- ла. На следующемэтапе T* сталкиваются смолекулами эффекторногофермента фосфодиэсте- разыцГМФ (PDE) иактивируют их. Каждая PDE* гидролизует ≈ 200 цГМФ всекунду, образуя вторую ступень усиления. Концентрация цГМФ в цитоплазме понижается, что приводит к за- крытию цГМФ-управляемых ионных каналов в поверхностной мембране и к генерации элек- трическогоответа. Активированныйсигнальный каскад выключаетсяна всех уровнях — инак- тивацией R*, инактивацией PDE* иактивацией синтезацГМФ. Врезультате поглощенияодно- го кванта палочка сетчатки генерирует ответ длительностью около 2 с у холоднокровных жи- вотныхиоколо 0.2 с умлекопитающих, ис амплитудойпорядка 1 пА. Этиответынадежно ре- гистрируются электрофизиологической аппаратурой. Все эти ступени достаточно хорошо и ко- личественно изучены, покрайней мере на феноменологическомуровне. Молекулярныедетали функцийвсехбелковпоканевполнеясныипродолжаютактивноизучаться.

Диапазон интенсивностей, в которомработает зрительнаясистемачеловека, составляет око- ло 10 порядков. Поэтому в фоторецепторах имеется несколько систем регуляции чувствитель- ности. Онипозволяютподстраиватьчувствительностьипалочекиколбочеквпределах 3–4 по- рядков укаждого типа. Пока надежноидентифицированы трисинергическихмеханизма такой регуляции, ноочевидно, чтонасамом делеихбольше. Вдокладе будутрассмотрены нерешен- ные пока проблемы, связанные с работой фоторецепторов и всей сетчатки в диапазоне интен- сивностейотодногофотона на клеткуза 100 секунд на порогевосприятиядо 10⁷фотонов в се- кундувсолнечныйдень.

Лекциишколымолодыхученых Пн-1.4л (Rep_0123)

10

Инструментальные методы исследования в медицине ( медицинский и физический подход к решению

медицинских проблем )

Г.М. Черняков

ООО «НовыеТехнологии», 194223, Санкт-Петербург, ул. Курчатова, 9, литерВ эл. почта: genmich1@mail.ru

Идея сближенияфизикис «наукамиожизни» приусловии, когдафизикаставитсявпозицию какбыдоноранакопленных еюзнанийиопыта (чтоявнообозначено вназванииконференции), к сожалению, вольноили невольномаскирует собственную потребность физики в расширении сферыпознания за счет обращения к феноменужизни. Возможно, правда, чтоэта собственная потребность ещеневполне осознанавнутри физики, ибов категорию «наук ожизни», помимо биологии, котораяпоопределениюпризванаизучатьименножизнь, нореальноизучаетлишьеё проявления, попалифактически всенаучныедисциплины, занятые изучениемразных объектов биологическогопроисхождения. Малотого, в перечне «наук ожизни» фигурирует имедицина, предметомизучениякоторойявляютсядаженесамипосебеживыеорганизмы, аихболезни.

Что же касается именно феномена жизни в его собственном физическом оформлении, не тождественном совокупности объектов биосферы, ибо егоже выражениемявляется разум, как

«геологический фактор», активностью которого обеспечено возникновение и прогрессивное развитие ноосферы [1] или, что равносильно, реальности, в которой все рукотворное – ове- ществленнаямысль, тонауки, егоизучающей, поканет. Однаковнутренняяпотребностьв том, чтобы от наблюдений и систематизации проявлений феномена жизни перейти к познанию научными методами его существа, по-видимому, у человечества назрела. Точнее говоря, есть основания полагать, что современное состояние физики в целом и тесно с ней сопряженных научныхдисциплинтаково, чтопозволяет, какминимум, искатьподходыкизучению собствен- нофеноменажизни, иныне вступившемуна творческий путьпоколениюфизиков судьбадове- рила начать реализацию этого поиска.

По сути, это означает, что актуальноне привитие физических знанийнынешним «наукам о жизни» в надежде увеличить их эвристический потенциал, а критически осмыслив плоды по- знания, реализованного под сводами этих наук, создавать на базе современной физики такую науку, предметомизучениякоторой былбы собственнофеноменжизни. Приэтомкритический анализтеоретическогобагажатакназываемых «наукожизни» (особенномедицины) необходим ввидутого, чтов егоформировании, заредким, развечто, исключением, центральную рольиг- рает не методология научного познания, а традиция произвольного толкования результатов наблюдений, уходящаякорнямивовремена, когдаестественноеотсутствиезнания вынужденно маскировалось правдоподобной легендой. Тем самым, несмотря на применение, казалось бы, заведомо объективных, инструментальных методов исследований, нередко создаются условия дляформированияустойчивыхзаблужденийотносительнофункциональногоустройстваживых объектов, иболюбыеинструментальные методы автоматически обеспечиваютполучение толь- коматериаладляразмышлений.

При этом содержание размышлений отнюдь не задаётся существом физических явлений, на эксплуатации которых построен конкретныйинструментальный метод, но определяется моти- вацией егоприменения, одинаководопускающейианализ объективнойдинамикирегистрируе- мого показателя и в терминах условий, контролируемых в опыте, и в терминах общепринятого описания изучаемой болезни. Понятно, что степень соответствия реальности полученных на основеанализавыводовтожеокажетсяразной.

Литература

[1] ВернадскийВ.И. Научнаямыслькак планетарное явление. АН СССР; отв. ред. А.Н. Яншин. М: Наука, 1991.

270 с.

Пленарные доклады

Пленарныедоклады Вт-1.1пл (Rep_0173)

Макромолекулярный краудинг и организация внутриклеточного пространства

К.К. Туроверов

ИНЦРАН, Санкт-Петербург, 194064, Тихорецкийпр., 4 эл. почта: kkt@incras.ru

Исследования последних лет показали, что в цитоплазме и нуклеоплазме клетки наряду с компартментами, отделенными от остальной части клетки достаточно жесткими фосфолипид- нымимембранами (митохондрии, ядро, лизосомы, аппарат Гольджи и др.), существует множе- ство высокофункциональных и высоко динамичных немембранныхорганелл, функциональная активность которых определяется внешними условиями, в которых находится клетка (темпера- тура, рН среды, концентрация ионов, концентрация осмолитов ит.п.), и которые могут возни- кать или исчезать в ответ на сигналы, поступающие отдругих компартментов клетки [1]. Воз- можность образование таких органелл в условиях макромолекулярного краудинга непосред- ственно вытекает из физико-химических свойств полимеров. Наиболее существенное значение для формирования внутриклеточного пространства имеет то обстоятельство, что в водныхрас- творах полимеры (белки и нуклеиновые и рибонуклеиновые кислоты) могут смешиваться, т.е. равномерно распределяться в растворе только при их низкой концентрации. При высокой кон- центрацииполимеров (вусловиях макромолекулярногокраудинга[2]) ониразделяются нафазы. Согласносовременным представленияммногие из немембранныхобразований клетки возника- ютв результате обратимоговысоко контролируемогов биологических системахфазовогопере- хода жидкость–жидкость [3]. Изучение немембранных органелл в цитоплазме и ядре в настоя- щее время является одним из самых животрепещущих вопросов молекулярной и клеточной биологии поскольку, во-первых, эти знания дают новое фундаментальное представление о структуре живой клетки а, во-вторых, имеют практическое значение, поскольку известно, что нарушениефункциональных свойств немембранных органеллможет привести к различным за- болеваниям, втомчислекканцерогенезу [4].

На рубеже столетий произошли также серьезные изменения в представлении о структуре и функциибелков: выяснилось, что многие аминокислотныепоследовательности белковпри фи- зиологическихусловиях немогут образоватьжесткой глобулярной структуры. Такие белкипо- лучили название внутренненеупорядоченных. Основная функцияэтих белков состоит в потен- циальнойвозможности ихвзаимодействиясдругими белкамиизасчетэтоговыполнения функ- циипередачи сигналав клетке [5]. Степень неупорядоченностиэтихбелков можетсущественно различаться. Оказалось, чтовнутренненеупорядоченныебелкиявляютсяоднимиизважнейших компонентовнемембранныхорганелл [6].

Таким образом, на смену достаточно механистической модели организации живой материи, согласнокоторойфункциябелков, определяетсяихжесткойглобулярнойструктурой, авнутри- клеточные процессы происходят в жестко детерменированных компартментах, возникло пред- ставлениеотом, чтовосновевсегоживоголежитвысокодинамичнаяивысокофункциональная

«мягкаяматерия».

РаботаподдержанагрантомРНФ 14-24-00131.

Литература

[1] H.B. Schmidt, R. Rohatgi. Cell Reports 2016. 16:1228–1236.

[2] I.M. Kuznetsova, K.K. Turoverov, V.N. Uversky. Int. J. Mol. Sci. 2014. 15: 23090-23140.

[3] V.N. Uversky, I.M. Kuznetsova, K.K. Turoverov, B. Zaslavsky. FEBS Letters 2015. 589:15–22.

[4] A. Aguzzi1 and M. Altmeyer. Trends Cell. Biol. 2016. 26:547–558.

[5] K.K. Turoverov, I.M. Kuznetsova, V.N. Uversky. Progr. Biophys. Mol. Biol. 2010. 102: 73e84

Пленарныедоклады Вт-1.2пл (Rep_0164)

14

The ubiquity of water and its dielectric signature.

New vistas for biosensing

Yu. Feldman

The Hebrew University of Jerusalem, Department of Applied Physics, Edmond J. Safra Campus, Jeru- salem 91904, Israel

e-mail: yurif@mail.huji.ac.il

Whenever the water molecules interact with either dipolar or charged systems, the main water die- lectric relaxation peak broadens. If a solute is dipolar in nature, new solute-water clusters are created due to dipole-dipole interactions. It leads to the “red shift” of the dielectric loss maximum frequency.

In the case of ionic solutions, another cluster structure develops, due to dipole-charge interactions and a “blue shift” is observed. In the general case when a solute molecule has both charged and dipole groups, the dielectric loss maximum demonstrates a “red” or “blue” shift, depending on the entity con- centration. In all aqueous solutions, the water-solute interactions can be considered as dipole-matrix interactions in which water is the dipole subsystem. The phenomenological 3D trajectories approach was applied to the results of isothermal dielectric measurements of different concentrations of the fol- lowing aqueous solutions: Hydrocarbons, NaCl and KC, AMP and ATP, Amino Acids. The parame- ters of the main water peak define a trajectory that can clarify the nature and rate, at which water inter- acts with the solute. In this paper, we extend this approach from comparatively simple solutions to the complexity of Red Blood Cells (RBC) suspensions by monitoring the RBC cytoplasm under different external conditions. Dielectric measurements of RBC suspensions in the frequency region of 100 MHz to 50 GHz as a function of aging or external glucose concentration also reveal a distinct time point or glucose concentration after which the spectra are radically changed. The conclusion is that the dielec- tric response of the cytoplasm in microwaves is due to the water therein and its interaction with physi- ological active components in cytoplasm. This opens a window of opportunity to exploit this for the non-invasive monitoring of diabetes or to non-invasive control of the quality of Stored RBC in a Blood bank in order to manage the inventory.

Тематические сессии

Тематические сессии Вт-2.1п (Rep_0102)

Направленное изменение стабильности и скорости сворачивания белков

М.А. Мажорина, К.С. Глухова, Г.С. Нагибина, Б.С. Мельник ИБ РАН, г. Пущино, 142290, Институтская, 4

эл. почта: bmelnik@phys.protres.ru

На сегодняшний день обнаружено и охарактеризовано огромное количество белков, выпол- няющих различные функции в клетках живых организмов. Однако только небольшая их часть используется в биотехнологии и медицине. Очень часто препятствием для массового использо- вания какого-то «интересного» белка становятся его стабильность или скорость сворачивания.

Например, некоторые ферменты теряют свою активность при повышенной температуре. В дру- гих случаях, медленная скорость сворачивания белка может оказаться препятствием для его по- вторного сворачивания (рефолдинга), которое необходимо провести, если белок выделяют в больших количествах. Поэтому очень важно научиться направленно влиять на стабильность и скорость сворачивания белка, внося небольшое количество мутаций (замен аминокислотных остатков).

В нашей лаборатории ведется планомерное исследование мутантных форм нескольких гло- булярных белков. В основном, спектральными методами изучено влияние одиночных замен аминокислот и искусственно введенных цистеиновых мостиков на энергетический ландшафт многостадийно сворачивающихся белков. В результате нам удалось сделать несколько предва- рительных выводов, которые можно использовать как практическое руководство для направ- ленного изменения свойств глобулярных белков.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 14-24-00157.

18

Тематические сессии Вт-2.2п (Rep_0108)

18

Stochasticity of gene expression is the basis for sustainable development

S. Nuzhdin

University of Southern California, Los Angeles, USA

Development arises from unfolding regulatory cascades where upstream genes activate their down- stream targets. The physical processes within these cascades occur in variable genomes and are fun- damentally stochastic: binding of transcription factors to more or less specific sites, activating tran- scription (or not) as a result of binding, duration and amplitude of transcriptional bursts, the numbers of proteins produced from a transcript before it decays — all these and many other processes contrib- ute to stochastic noise in gene regulatory networks (GRNs). GRNs must be robust to withstand this noise and to additionally counter perturbations from environmental variation. Their inability to do so results in developmental abnormalities and diseases of variable expressivity and penetrance. The source of differences in expressivity and penetrance are not understood in the context of GRNs, and rigorous probabilistic models for analysis are nascent. Multi-scale models are needed that can partition variation to its sources, such as difference in transcriptional burstiness or promotor initiation. This would allow for rigorous testing of different hypotheses concerning the mechanisms by which noisy processes are translated into precise developmental outputs, as different sources of variation would support alternative models of signal interpretation by the cell. Multi-scale models will address the need for the analysis of experimental data with statistics combined with events occurring based on molecu- lar mechanisms. The Drosophila segmentation gene network is the experimental model of choice for these questions. The extensive existing work with this gene network as well as existing Drosophila resources and cutting edge technology allow precise genetic manipulation, imaging of individual mo- lecular events in finely controlled environments, and interrogation of numerous connections within the GRN. Current models of these gene networks have been developed for the spatial and temporal ex- pression of segmentation genes using thermodynamic-ordinary differential equation models. However, these models do not predict the effects of genetic variation or incorporate noise. We will validate these models experimentally and extend them to incorporate both of these sources of variation. This will shed light onto the general principles of organizing robust GRNs. This will be of high significance for synthetic biology, and for developing cures for diseases which origin lays in stochastic processes.

Тематические сессии Вт-2.3у (Rep_0007)

Перенос заряда и энергии нелинейными возбуждениями в ДНК

В.Д. Лахно

ИМПБ РАН – филиал ИПМ им. М.В.Келдыша РАН, Пущино, Московская обл., 142290, проф.

Виткевича, 1

эл. почта: lak@impb.ru

На основании гамильтониана Холстейна показано, что в молекуле ДНК, помещённой в силь- ное электрическое поле возможно образование новых типов нелинейных возбуждений. Эти возбуждения могут переносить заряд вдоль молекулы на большое расстояние (более, чем 1000 нуклеотидных пар), при этом приближённо сохраняя свою форму. Рассматриваемые возбужде- ния формируются только, если внешнее электрическое поле уже существует или специальным образом включается после помещения заряда в молекулу. Продемонстрировано, что возбужде- ния способны переносить заряд даже в случае, когда холстейновские поляроны оказываются практически неподвижны. Полученные результаты применяются для описания переноса заряда в Poly G/Poly C дуплексах ДНК. Они могут служить основой для известных экспериментов M.H.Fink и C. Schönenberger по переносу заряда в ДНК на большое расстояние.

На основе модели Пейрарда–Бишопа–Доксуа рассмотрены нелинейные возбуждения в моле- куле ДНК, вызываемые воздействием внешней силы. Показано, что внешняя сила может при- водить к возникновению в молекуле бабблов, которые могут распространяться вдоль молекулы.

Рассмотрено взаимодействие баббла с помещённым в молекулу избыточным зарядом. Прямым вычислительным экспериментом показано, что баббл способен переносить заряд вдоль цепоч- ки. Обсуждается возможность использовать полученные результаты в нанобиоэлектронике.

Работа поддержана проектами РФФИ № 16-07-00305 и РНФ № 16-11-10163 Литература

[1] В.Д. Лахно, A.P. Chetverikov, Werner Ebeling, et al. On the possibility that local mechanical forcing permits direc- tionally-controlled long-range electron transfer along DNA-like molecular wires with no need of an external electric field.

Eur. Phys. J. B (2016) 89: 101.

[2] Manuel G. Velarde1, Alexander P. Chetverikov, et al. From solitons to discrete breathers. Eur. Phys. J. B (2016) 89:

233.

[3] N.Fialko, E.Sobolev, V.Lakhno. Temperature dependence of electronic heat capacity in Holstein model of DNA.

Physics Letters A 380 (2016) 1547–1550.

[4] Коршунова А.Н., Лахно В.Д. Особенности движения полярона в молекулярных полинуклеотидных цепочках конечной длины. Математическая биология и биоинформатика 2016. Т. 11. № 2. С. 141–158.

[5] Лахно В.Д., Фиалко Н.С. Об оценке свободной энергии на основе расчетов динамики в полуклассической моде- ли Холстейна. Математическая биология и биоинформатика 2015. Т. 10. № 2. С. 562–566.

20

Тематические сессии Вт-2.4у (Rep_0081)

20

General picture of protein dynamics: Combining neutron scattering with dielectricand simulations results

A.P. Sokolov

University of Tennessee, and Oak Ridge National Laboratory, Knoxville, TN 37996, USA эл. почта: sokolov@utk.edu

We present an overview of protein dynamics based mostly on results of neutron scattering, dielec- tric relaxation spectroscopy and molecular dynamics simulations [1,2]. We identify several major clas- ses of protein motions on the time scale from faster than picoseconds to several microseconds [1–6], and discuss the coupling of these processes to dynamics of hydration water [2,7]. Our analysis sug- gests that the microsecond backbone relaxation process might be the main structural relaxation of the protein that defines its glass transition temperature [1,6], while faster processes present kind of local- ized secondary relaxations. Based on the overview, we formulate a general picture of protein dynamics and discuss the challenges in the field of dynamics of biological molecules.

Литература

[1] S. Khodadadi, A.P. Sokolov, Soft Matter 11, 4984–4998 (2015)

[2] S. Khodadadi, A. P. Sokolov, BBA-General Subjects 1861 (part B), 3546–3552 (2017).

[3] S. Khodadadi, S. Pawlus, A. P. Sokolov, J. Phys. Chem. B 112, 14273 (2008).

[4] L. Hong, et al. Phys. Rev. Lett. 107, 148102 (2011).

[5] J. D. Nickels, et al. Biophys. J. 103, 1566–1575 (2012).

[6] M. Nakanishi, A.P. Sokolov, J. Non-Cryst. Solids 407, 478–485 (2015).

[7] S. Khodadadi, et al. Biophys. J. 98, 1321–1326 (2010).

Тематические сессии Вт-3.1у (Rep_0157)

Чем могут быть полезны физики в клеточной биотехнологии и регенеративной медицине

М.И. Блинова

Институт цитологии РАН, Санкт-Петербург, 194064, Тихорецкий пр., 4 эл. почта: mira.blinova@mail.ru

Развивающиеся новые научные направления, как, например, клеточная биотехнология и ре- генеративная медицина, характеризуются комплементарностью разных областей биологии, ме- дицины, химии, материаловедения. Это дает возможность объединить и расширить диапазон фундаментальных исследований с выходом полученных результатов в практическую сферу.

Методы клеточной биологии с использованием культивируемых клеток создали возможность приготовления клеточных продуктов в условиях in vitro с клетками различной дифференциров- ки в качестве аналогов тканей и способствовали формированию новой области медицины — регенеративной медицины. В результате появились возможности лечения самых различных за- болеваний и восстановления поврежденных тканей и органов человека, которые считались не- излечимыми или имели летальный исход при повреждении. Для этого используются методы выделения соответствующих клеток из различных тканей, поддержания их в условиях in vitro, разрабатываются скаффолды из различных материалов, которые служат матрицей для форми- рования зачатка ткани или органа, который может быть имплантирован в организм с целью ре- парации поврежденных участков. Исследования, выполненные в Институте цитологии РАН и клеточные продукты с клетками кожи человека, позволяют реально в клинике спасать пациен- тов с критическими и сверхкритическими ожогами, излечивают долго незаживающие трофиче- ские язвы разной этиологии и другие заболевания и нарушения. Разработки с использованием мезенхимных клеток костного мозга позволят восстанавливать костную и хрящевую ткани, ре- конструировать различные ткани и органы. Эти выполненные исследования и разработки пред- ставляют собой только первый пласт приближения к адекватным процессам гисто- и органоге- неза в живом организме. Как показали последние исследования композиционного клеточного продукта на основе мезенхимных клеток костного мозга с направленной остеогенной диффе- ренцировкой, материала, содержащего гидроксиапатит, а также белковый компонент в виде коллагенового геля, применение атомно-силовой микроскопии, сканирующей микроскопии вы- сокого разрешения, методов спектрометрии для анализа многокомпонентного клеточного про- дукта для восстановления костной ткани позволяют более точно и доказательно формировать в условиях in vitro нужный клеточный продукт для имплантации в организм. Кроме того, разви- тие современных технологий с использованием радиационной и электрической энергии требует исследования результатов влияния этих факторов на процессы функционирования живых си- стем. Методы клеточной биологии в совокупности с методами физики могут оказаться очень полезными и своевременными.

Работа выполняется в рамках проекта РНФ № 14-50-00068.

22

Тематические сессии Ср-1.1п (Rep_0145)

22

Механобиология сосудистого эндотелия

В.П. Ширинский¹, М.В. Самсонов¹, М.М. Халисов^2,3, А.Ю. Хапчаев¹, В.А. Пеннияйнен², А.В. Анкудинов^3,4

1 РКНПК МЗ РФ, Москва, 121552, 3-я Черепковская 15а

2 Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, Санкт-Петербург, 199034, наб. Макарова, 6

3 Университет ИТМО, Санкт-Петербург 197101, Кронверкский 49

4 ФТИ им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург, 194021, Политехническая, 26 эл. почта: shirinsky@gmail.com

Эндотелий выстилает сосудистую стенку изнутри, образуя непрерывный монослой. К важ- нейшим свойствам эндотелиальных клеток относится механочувствительность, лежащая в ос- нове физиологической регуляции просвета сосудов и объема протекающей крови. Благодаря механочувствительности эндотелиальные клетки (ЭК) ориентируются вдоль потока крови и по- перек направления растяжения сосудистой стенки [1], а также управляют синтезом оксида азота и других важнейших сигнальных молекул. Механочувствительность связана с собственной жесткостью ЭК, которая, как мы обнаружили с помощью атомной силовой микроскопии, зави- сит от состояния фибриллярных систем цитоскелета, их взаимодействий и активности белков- регуляторов, в том числе, ключевых миозин-активирующих протеинкиназ ЭК — 210 кДа кина- зы легких цепей миозина (КЛЦМ210) и RhoA-активируемой протеинкиназы (ROCK). Избира- тельное подавление каталитической активности КЛЦМ, ROCK или миозина в ЭК приводит к снижению жесткости их кортикальной цитоплазмы в 1.5–2 раза. Аналогично, цитоплазма ЭК легочных микрососудов мышей, не экспрессирующих КЛЦМ210 в результате генетического нокаута [2], вдвое мягче цитоплазмы эндотелия дикого типа, хотя жесткость ядер этих видов клеток не различается. Разрушение системы клеточных микрофиламентов у клеток дикого типа с помощью латрункулина В, либо системы микротрубочек с помощью нокодазола приводит к значительному и сходному по величине снижению жесткости цитоплазмы. Полученные данные по регуляции жесткости кортикальной цитоплазмы ЭК согласуются с тензегративной моделью Дональда Ингбера [3], в которой основные фибриллярные компоненты цитоскелета составляют единую пространственную напряженную структуру, а удаление любого из них ведет к коллапсу всей системы.

Нарушение механических свойств эндотелия изменяет его физиологические реакции.

КЛЦМ210^-/- эндотелий значительно слабее активирует синтез оксида азота и вызывает меньшее расширение артерий под действием напряжения сдвига, чем эндотелий дикого типа. Сходный фенотип достигается при фармакологическом ингибировании активности КЛЦМ в эндотелии дикого типа. В совокупности это указывает на важную роль КЛЦМ210 в обеспечении механо- чувствительности эндотелия. При таких распространенных заболеваниях как атеросклероз и диабет в организме возрастает содержание малонового диальдегида, который, как показывают наши исследования, повышает жесткость ЭК и снижает подвижность их периферической цито- плазмы in vitro. Модификация белков ЭК малоновым диальдегидом приводит к нарушению структуры их цитоскелета, ослаблению межэндотелиальных контактов и повышению проница- емости эндотелия.

Таким образом, механические свойства эндотелия определяются состоянием его цитоскеле- та, который опосредует важнейшие (пато)физиологические реакции с участием ЭК.

Работа выполнена на оборудовании ЦКП «Конфокальная микроскопия» Института физиоло- гии им. И.П. Павлова РАН.

Литература

[1] V.P.Shirinsky, A.S.Antonov, K.G.Birukov, et al. Cell Biol. 1989. 109[1]. 331–339.

[2] M.S.Wainwright, J.Rossi, J.Schavocky, et al. PNAS. 2003.100[10]. 6233–6238. doi:10.1073/pnas.1031595100.

[3] D.E. Ingber. J. Cell Sci. 2003. 116. 1157–1173. doi:10.1242/jcs.00359.

Тематические сессии Ср-1.2п (Rep_0178)

Дистанционно управляемые системы доставки лекарств и сенсоры для тераностики

Д.А. Горин

Сколковский институт науки и технологий, Центр фотоники и квантовых материалов,

«Сколково», Москва, 143026, ул. Нобеля, 3 эл. почта: gorinda@mail.ru

Современные объекты доставки лекарств представляют собой мультифункциональные си- стемы, к которым предъявляется целый ряд требований: 1) способность переносить инкапсули- рованное биоактивное вещество в необходимой терапевтической дозе; 2) обеспечение адресной доставки; 3) реализация возможности визуализации данных систем in vivo, используя совре- менные методы диагностики, такие как МРТ, фотоакустическая цитометрия и томография и т.д.; 4) обеспечение сенсорной функции; 5) дистанционное высвобождение инкапсулированн- ного вещества в заданном месте в заданное время. Данные объекты являются инструментом но- вого направления медицины — тераностики, которая заключается в комплексном решении те- рапевтических и диагностических проблем. Одним из методов, позволяющих создавать такие объекты является метод последовательной адсорбции. Данный метод позволяет формировать планарные слои, структуры ядро-оболочки, микрокапсулы. Наличие плазмонно-резонансных наночастиц в структуре ядро-оболочка дает возможность обеспечить возможность их 3D управляемого перемещения в культуральной среде и ее расположение на поверхности фиб- робласта c помощью метода оптического пинцета [1]. Была продемонстрирована возможность использования такого типа ГКР платформ для исследования живой биологической клетки [2], а также материалов, используемых для создания каркасов для инженерии тканей и органов [3].

Показано, что наличие плазмонно-резонансных наночастиц на поверхности структур ядро- оболочка и микрокапсул, позволяет визуализировать их в такой сильно рассеивающей биологи- ческой жидкости, как кровь, фотоакустическим методом [4]. Обнаружено, что фотоакустиче- ский сигнал от капсул превосходит данный сигнал от структур ядро-оболочка аналогичной структуры и состава. Также была продемонстрирована возможность использования лазерной порации кожи для обеспечения трансдермальной доставки наноструктурированных объектов тераностики [5]. Альтернативный вариант физической адресации связан с использованием гра- диента магнитного поля для in vitro и in vivo перемещения микрокапсул, содержащих наноча- стицы магнетита [6]. МРТ контраст изображения микрокапсул, содержащих наночастицы маг- нетита, можно изменять варьируя среднее значение между наночастицами магнетита в нано- композитной оболочке [7], а оболочку капсул можно разрушать с помощью УЗ воздействия [8].

Полученные композитные микро- и наносистемы могут быть использованы для создания си- стем доставки лекарств, комбинирующих такие функциональности, как навигация, визуализа- ция, in vivo мониторинг биохимических процессов, активированное дистанционно высвобожде- ние биоактивных веществ in vivo.

Работа выполнена при финансовой поддержке правительства РФ (№ 14.Z50.31.0004) и СГУ.

Литература

[1] I. Stetciura, A. Yashchenok, A. Masic et al, Analyst. 2015. 140. 4981–4986.

[2] A. Yashchenok, A. Masic, D. Gorin et al. Small. 2013. 9. 351–356

[3] I.Y. Stetciura, A.V. Markin, A.N. Ponomarev et al. Langmuir. 2013. 29. 4140–4147 [4] A. M. Yashchenok, J. Jose, P. Trochet et al. J. Biophotonics. 2016. 9. 792–799

[5] E.A. Genina, Y.I. Svenskaya, I.Yu. Yanina et al. Biomed. Opt. Express. 2016. 7(6). 2082–2087

[6] D.V. Voronin, O.A. Sindeeva, М.A. Kurochkin et al. ACS Applied Materials & Interfaces. 2017. 9. 6885–6893 [7] S.V. German, D.N. Bratashov, N.A. Navolokin et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 2016. 18. 32238–32246

24

Тематические сессии Ср-1.3у (Rep_0079)

24

Способ функционализации наночастиц пористого кремния для получения дисперсных систем лекарственной доставки

Ю.М. Спивак¹, С.Г. Журавский^2,3, В.А. Мошников¹, А.О. Белорус¹, А.А. Паневин^2,3, К. Беспалова¹, П.А. Сомов¹

1 СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, 197376, ул. Проф. Попова, д. 5

2 СЗФМИЦ им. В.А. Алмазова Минздрава России, Санкт-Петербург, 194156, пр. Пархоменко, 15

3 ПСПбГМУ им. акад. И.П. Павлова, Санкт-Петербург, 197022, ул. Льва Толстого, 6–8 эл. почта: ymspivak@etu.ru

Пористый кремний (por-Si) обладает рядом свойств, позволяющих его применять как основу дисперсных систем транспорта для адресной доставки лекарственных препаратов [1].

Нашим предложением является модифицировать для задач лекарственной доставки частицы por-Si путем управления технологическими условиями получения. В результате получаются ча- стицы с различными значениями размеров, характеристиками морфологии и удельной площади поверхности, диаметра пор, распределения пор по размерам [2–4]. От условий анодирования (плотности тока анодирования, состава электролита и др.), а также выбора характеристик ис- ходного материала (монокристаллического кремния) будут зависеть состав и состояние функ- циональных групп на поверхности por-Si, а значит и природа адсорбционных центров на его поверхности (центры Льюиса, центры Бренстеда) [2]. Все эти управляемые характеристики важны для дальнейшей функционализации por-Si лекарственными и вспомогательными веще- ствами, а также влияют на характер его биораспределения.

Частицы por-Si были получены методом электрохимического анодного травления кремния с последующей ультразвуковой обработкой. Исследовали влияние свойств поверхности (морфо- логия, состав) частиц por-Si на возможность их функционализации антибиотиком (канамици- ном). Исследована морфология полученных образцов методами АСМ, РЭМ. Показано, что для функционализации por-Si канамицином подходят как метод импрегнации, так и метод электро- форетического осаждения (ЭФО). Отмечено, что изменением состава функциональных групп на поверхности por-Si, возможно влиять на характер закрепления лекарственной субстанции. Так, наиболее желательно, чтобы на поверхности por-Si присутствовали преимущественно гидрок- сильные группы. Методом ЭФО формируется сплошное покрытие из молекул канамицина. На экспериментальных животных (крысы) проведено исследование острой токсичности получен- ных наночастиц por-Si, содержащих лекарственный препарат. В условиях внутривенного введе- ния выявлены особенности биораспределение частиц por-Si в зависимости от существующих размеров (80, 250 и 400–600 нм).

Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследова- ний и Фонда поддержки научно-проектной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых «Национальное интеллектуальное развитие» в рамках научного проекта № 17-33- 80010 «Создание металлических покрытий на пористых материалах методами аддитивных тех- нологий» «мол_эв_а».

Литература

[1] Мошников В.А., Спивак Ю.М., Леньшин А.С. Гл. 4. в монограф. Исследование, технология и использование нанопористых носителей лекарств в медицине. Под общ. ред. Акад. РАН В.Я. Шевченко, акад. РАН О.И. Киселева, проф. В.Н. Соколова. СПб: Химиздат, 2015. 367 с, с. 70–116.

[2] Yu.M. Spivak, S.V. Mjakin, V.A. Moshnikov, et al. J. of Nanomaterials, 2016. Vol. 2016, Spec. is. “Advances in Na- noporous Materials”. Article ID 2629582, 8 pages. http://dx.doi.org/10.1155/2016/2629582.

[3] A.O. Belorus, E.V. Maraeva, Y.M. Spivak, V.A. Moshnikov. J. of Physics: Conf. Series 586 (2015) 012017.

[4] Yu.M. Spivak, A.O. Belorus, P.A. Somov, et al. J. of Physics: Conf. Series, 2015. Vol. 643, 010222. 6 p.