Рабочий семинар
cектора информатики и биофизики сложных систем

2008 год

14.02.2008 Москалейчик Фёдор Феликсович (Институт общей генетики им. Н.И.Вавилова РАН, лаб. популяционной генетики). Сравнительное исследование кинетических моделей необратимых ферментативных реакций в гомо- и гетерозиготе в стационарном и автоколебательном режимах

21.02.2008 Филиппов Сергей Валерьевич (Институт математических проблем биологии, г. Пущино). Трехмерное моделирование и динамическая визуализация объектов и процессов физико-химической биологии

06.03.2008 Коваленко Илья Борисович (каф. биофизики Биологического ф-та МГУ им. М.В.Ломоносова). Анализ кривой индукции флуоресценции хлорофилла а методом разложения на экспоненты

03.04.2008 Беляева Наталья Евгеньевна (каф. биофизики Биологического ф-та МГУ им. М.В.Ломоносова). Анализ в модели ФС 2 влияния диссипативных процессов на кинетику выхода флуоресценции

17.04.2008 Красильников Павел Михайлович (каф. биофизики Биологического ф-та МГУ им. М.В.Ломоносова). Роль водородных связей в электрон-транспортных процессах

18.09.2008 Гриневич Андрей Анатольевич (Институт биофизики клетки РАН, г. Пущино). Исследование фрактальной природы активности ионных каналов в биологических мембранах (по материалам диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук)

Построена физико-математическая модель работы воротного механизма ионного канала, основанная на броуновской динамике воротной частицы в потенциальном поле сил, определяемом конформационным потенциалом канального белка в виде потенциала с двумя локальными минимумами, соответствующими закрытому и открытому состояниям канала. Модель учитывает гидрофобные взаимодействия ионной поры с молекулами воды окружающего раствора и медленные конформационные изменения белковой глобулы канала во время его активности.

Показано, что в качестве возможной причины, определяющей характерные особенности кинетики наблюдаемых ионных токов через ионный канал, такие как «пачечная» активность, долгоживущие закрытые состояния канала и полиэкспоненциальный вид распределений его кинетических параметров, может выступать гидрофобное взаимодействие ионной поры с окружающими молекулами воды. Предложенная модель обладает ярко выраженными фрактальными свойствами, которые в значительной степени обусловлены медленными конформационными изменениями структуры ионной поры канала во время его активности, обеспечивая ему долговременную «память» и характеризуя его активность как персистентный фрактальный процесс.

Сделан вывод, что статистические особенности активности ионного канала обусловлены внешним воздействием на ионную пору канала со стороны окружающего раствора, фрактальные свойства – внутренними взаимодействиями.

25.09.2008 Абатурова Анна Михайловна (каф. биофизики Биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова). Изучение механизмов белок-белковых взаимо-действий при фотосинтезе методами компьютерного моделирования (по материалам диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук)

В работе построена прямая многочастичная компьютерная модель процессов фотосинтетического электронного транспорта в тилакоиде, учитывающая электростатические взаимодействия белков, сложную форму белков и геометрию люминального пространства. Проведена идентификация параметров отдельных стадий процессов по экспериментальным данным.

На модели показана важная роль электростатических взаимодействий в связывании пластоцианина – цитохрома f, пластоцианина - фотосистемы 1, фотосистемы 1 - флаводоксина.

09.10.2008 Зленко Дмитрий Владимирович (каф. биофизики Биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова). Исследование динамических свойств бислойных липидных мембран методами молекулярной динамики (по материалам диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук)

В работе сделан акцент на динамических свойствах липидных мембран. Работа состоит из двух частей. В первой части работы рассматриваются методические подходы к оценке параметров подвижности молекул липида в БЛМ на основании данных молекулярного моделирования. Во второй части работы представлено исследование проницаемости липидных мембран для различных молекул и ионов.

16.10.2008 Мамонов Петр Александрович (каф. биофизики Биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова). Моделирование конформационного перехода, регулирующего скорость реакции рекомбинации в фотосинтетическом реакционном центре бактерии Rb. sphaeroides (по материалам диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук)

Методом квантово-химического моделирования исследован возможный конформационный переход в локальном окружении первичного хинона (QA) в фотосинтетическом реакционном центре (РЦ) бактерии Rhodobacter sphaeroides, сопровождающий процесс переноса электрона. Показано наличие двух стабильных конформаций сайта связывания QA, отличающихся ориентацией гидроксильной группы треонина M222. В конформации №1 гидроксильная группа треонина связана водородной связью с пептидной связью, образуемой остатками M218:M219, а в конформации №2 – с 4-C=O группой QA. Указанные конформации стабильны как в состоянии РЦ с неразделенными зарядами, так и при одноэлектронном восстановлении QA. Показано уменьшение относительной энергии конформационного состояния №2 на 2 ккал/моль при одноэлектронном восстановлении QA. Также показано, что в конформации №2 потенциал ионизации исследуемой системы на 0,25 эВ больше, чем в конформации №1.

Полученные результаты вкупе с результатами кинетического моделирования конформационных переходов в РЦ позволяют предположить, что указанное конформационное изменение может являться механизмом регуляции скорости реакции рекомбинации и приводить к наблюдаемым различиям температурных зависимостей эффективной скорости рекомбинации в фотосинтетическом РЦ бактерии Rb. sphaeroides.

23.10.2008 Пономарев Владислав Олегович (Институт биофизики клетки РАН, Пущино). Модели влияния слабых электромагнитных полей на биологические и физико-химические системы (по материалам диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук)

В докладе будут предложены две теоретические модели, описывающие возможные механизмы воздействия внешних сверхслабых (<2мкТл) переменных магнитных полей на биологические системы. Частота рассмотренных полей лежит в диапазоне (1-30Гц).

Автор постарался выяснить природу первичного рецептора слабого низкочастотного коллинеарного магнитного поля и разработать механизм трансдукции внешнего воздействия от первичной мишени к экспериментально наблюдаемым явлениям.

Основной тезис доклада состоит в том, что первичной мишенью магнитного поля могут являться ядерные спины водорода, входящего в состав молекул воды. В результате воздействия внешним полем магнитные свойства воды изменяются. Это влияет на скорость радикальных реакций в частности на реакцию производства активных форм кислорода (перекисных радикалов). Активные формы кислорода, по мнению автора, являются передаточным звеном между первичной мишенью магнитного поля (спином протона) и экспериментально наблюдаемыми эффектами.

С помощью предложенного механизма трансдукции можно теоретически предсказать зависимость биологических эффектов, вызванных внешним магнитным полем, от его параметров. Найденные параметры магнитного поля хорошо согласуются с данными полученными эмпирически.

Другая модель предсказывает, что магнитное воздействие приводит к неравномерному распределению протонов вдоль цепочек водородных связей в молекулах воды. Это в свою очередь приводит к локальным изменениям кислотность среды. Широко известно, что рН среды влияет на скорости химических реакций. В работе это влияние рассмотрено на примере образования перекисного радикала.

30.10.2008 Патрин Максим Михайлович, Тёрлова Лада Джураевна (каф. биофизики Биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова). Моделирование регуляторных механизмов первичных процессов фотосинтеза

В работе представлена минимальная кинетическая модель первичных процессов фотосинтеза. Внимание уделено описанию механизмов регуляции электронного транспорта, в первую очередь механизмов нефотохимического тушения. Дана интерпретация исследуемых процессов в виде функциональных зависимостей, включенных в систему дифференциальных уравнений.

13.11.2008 Анашкина Анастасия Андреевна (Институт молекулярной биологии им.Энгельгардта РАН). Стерическая избирательность белок-белковых и белок-нуклеиновых контактов. (по материалам диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук)

В работе для определения контактирующих атомов использовано разбиение Вороного-Делоне. Проанализированы большие выборки различных типов белок-белковых и белок-нуклеиновых интерфейсов. Построены модели случайного и специфического контактирования аминокислот на поверхностях белок-белкового и белок-нуклеинового взаимодействий. На основе этих моделей определены предпочтения для взаимодействия аминокислотных остатков на поверхности контактов в белок-белковых и белок-нуклеиновых комплексах. Показано, что для всех типов белок-белкового взаимодействия наибольшая предпочтительность наблюдается для взаимодействий между двумя цистеинами, а также важную роль играют противоположно заряженные пары аминокислот. Для взаимодействий белок-ДНК показано, что значимыми являются контакты типа Asp-G, Trp-C, Glu-C, Asp-C и His-T.

20.11.2008 Беляева Наталья Евгеньевна (каф. биофизики Биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова). Имитация кинетики водо- окисляющего комплекса (ВОК) в рамках модели ФС 2

В кинетической модели фотосистемы 2 (ФС 2) имитировали процессы переноса электрона, индуцированные светом при специально выбранных условиях эксперимента. В расчетах фитировали данные по выходу флуоресценции (ФЛ), вызываемой либо

1. мощным актиничным наносекундным импульсом, либо
2. постоянным светом в образце, обработанном ионофорами.

Начальные условия в модели формировали, учитывая предварительную темновую адаптацию образца. Это позволило ввести функциональную зависимость для константы скорости донирования электрона от ВОК на окисленный хлорофилл реакционного центра. Как показано, параметры такой функциональной зависимости принципиально различны при имитации двух названных выше вариантов регистрации выхода ФЛ.

27.11.2008 Карелина Татьяна Александровна (каф. биофизики Физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова). Математическая модель фотосинтеза и исследование влияния параметров модели на ассимиляцию СО₂ и риск фотоповреждения

11.12.2008 Молчанова Екатерина Владимировна (Институт экономики Карельского научного цента РАН, г. Петрозаводск). Математическое моделирование и оптимизация режимов фракционирования дозы в лучевой терапии опухолей

Лучевая терапия (ЛТ) – ведущий метод многих форм злокачественных новообразований. Основная цель ЛТ заключается в выборе таких условий облучения очага опухолевого заболевания, которые приведут к необратимому разрушению опухолевого процесса без серьезных (необратимых) лучевых осложнений в нормальных органах и тканях организма.

Условия облучения включают в себя разовую дозу облучения, суммарную очаговую дозу и план реализации облучения во времени. При выборе схемы лучевой терапии врач зачастую опирается исключительно на свой клинический опыт. В то же время мощный аппарат математического и компьютерного моделирования открывает новые возможности не только для обобщения имеющегося мирового опыта применения лучевой терапии, но и для выработки новых оптимальных режимов ее реализации. Цель данного исследования заключается в разработке математических моделей и оптимизации режимов фракционирования дозы в лучевой терапии злокачественных опухолей. Для обработки клинического материала были использованы статистические пакеты анализа данных. Выполнена оценка существующих математических моделей фракционирования дозы в лучевой терапии злокачественных опухолей, выявлены их достоинства и недостатки. Проведен сравнительный анализ зарубежной и отечественной клинической практики (на базе Республиканского онкологического диспансера г. Петрозаводска). В результате исследования были разработаны и программно реализованы математические модели, которые объединяют (синтезируют) наиболее перспективные модели ЛТ. Такой подход дает возможность оценивать весь спектр параметров, необходимых врачу-радиологу для успешного планирования курса ЛТ (вероятность лучевых осложнений, разовую дозу, суммарную дозу, объем облученной ткани). Результаты работы могут быть использованы научными работниками в сфере математического моделирования, онкологии, врачами-радиологами и медицинскими физиками при планировании различных режимов фракционирования дозы в лучевой терапии злокачественных опухолей.

18.12.2008 Москалейчик Фёдор Феликсович (Институт Общей Генетики им. Н.И.Вавилова РАН, лаб. популяционной генетики). Сравнительное исследование кинетических моделей необратимых ферментативных реакций в гомо- и гетерозиготе в стационарном и автоколебательном режимах

Впервые проведено сравнительное исследование кинетических моделей необратимых реакций в гомо- и гетерозиготе. Сравнивалось качественное поведение во всем пространстве параметров и скорости потока вещества для гетерозиготы и двух альтернативных гомозигот в стационарном и автоколебательном режиме. Показано, что в модели с автоколебательным режимом могут возникать нетривиальные аллельные взаимодействия по усредненной скорости потока вещества через метаболический путь – сверхдоминирование.