Рабочий семинар
cектора информатики и биофизики сложных систем

2009 год

12.02.2009 Карнаухов Алексей Валерьевич (Институт биофизики клетки РАН, г.Пущино). Аналитическое моделирование сложных биофизических систем

Доклад посвящен вопросам применения аналитических методов исследования теоретической физики, для исследования сложных биофизических систем. Сегодня основным методом исследования сложных систем является численное моделирование. Более того, распространено мнение, что применение аналитических методов принципиально ограничено простыми системами либо частными (специальными) случаями сложных.

В докладе демонстрируется возможность применения аналитических методов исследования для широкого класса биофизических задач, таких как:

1. моделирование биоценозов;
2. идентификация какскадов биохимических реакций;
3. моделирование процессов самоорганизации.

Основное внимание в докладе уделено циклу работ, посвященных моделированию биосферных и геобиосферных процессов.

Показано, что именно применение современных аналитических методов, таких как: теоретико-групповые методы, использование процедуры перенормировки, элементы теории представлений, анализ динамических систем с голономными связями оказывается существенным для получения конечных научных результатов.

19.02.2009 Злобина Ксения Евгеньевна (Гематологический научный центр РАМН, г.Москва). Кинетика полимеризации фибрина в ходе реакций свертывания крови. Теоретический анализ

В последние годы в биофизике большое внимание уделяется структурным аспектам всевозможных волокнистых материалов (актин, тубулин, коллаген, фибрин), а также задачам кинетики их формирования. В свете этого понятен интерес специалистов, работающих в области проблем свертывания крови к работам, направленным на изучение кинетических особенностей полимеризации фибрина. Скорость формирования фибриновых сгустков в кровотоке имеет решающее значение для остановки кровотечения.

Именно поэтому предпринятая в данной работе попытка изучения механизмов формирования фибрин-полимерных сетей, вопросов их фрагментации и деградации, представляется актуальной.

С физико-химической точки зрения образование фибриновых сгустков при свертывании крови/плазмы крови представляет собой агрегационный переход крови из жидкого состояния в гелеобразное. Фазовые переходы традиционно принято изображать на диаграммах состояний. Попытка построить соответствующие диаграммы для агрегационных переходов в крови предпринята в данной работе. При этом кинетические процессы полимеризации макромолекулярных кластеров и переход в гель-состояние трактуется в терминах статистических моментов. Наряду с ассоциацией макромолекул учитываются процессы фрагментации, вклад которых в процессы смены кровью своего агрегатного состояния теоретически удалось проследить впервые.

Скорость наработки собственно мономерных субъединц (фибрин-мономеров) регулируется тромбином. Его наработка, в свою очередь, регулируется целым каскадом протеолитических реакций. В связи с этим в работе определенное внимание уделяется современным представлениям о кинетике образования тромбина.

Проведенный анализ кинетических аспектов полимеризации/фрагментации фибрина позволил построить искомые диаграммы состояний. В частности, удалось выяснить, что взрывные процессы полимеризации фибрина могут быть инициированы не только запороговой активацией тромбина, но и ослаблением интенсивности фибринолитических процессов при допороговой концентрации тромбина.

В работе анализируются пространственные особенности реакций полимеризации фибрина в условиях кровотока. Сделан вывод о том, что пространственное распределение фибриновых микросгустков в кровотоке связано особым соотношением подобия с интенсивностью и местоположением очага активации свертывания крови в прилегающей к сосуду ткани.

Последнее, по-видимому, представляет практический интерес, поскольку позволяет, опираясь на данные (скажем, ультразвуковые) о распределении фибриновых микросгустков в кровотоке делать предположения о локализации и темпе роста воспалительного очага в прилегающей к сосуду ткани. Такого рода прогнозирование важно в случаях, когда патологический очаг развивается еще без видимой клинической симптоматики.

26.03.2009 Дьяконова Александра Никитична (каф. биофизики Биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова). Прямое компьютерное моделирование взаимодействия белков ферредоксин-НАДФ⁺-редуктазы и ее реакционных партнеров ферредоксина и флаводоксина (по материалам дипломной работы)

Методом броуновской динамики моделируется кинетика образования комплекса между белками электрон-транспортной цепи фотосинтеза ферредоксином и ферредоксин:НАДФ⁺-оксидоредуктазой (ФНР) в растворе. В трехмерном реакционном объеме моделируются столкновения белков, движущихся под действием случайной броуновской и электростатической сил. Оценены значения параметров модели по экспериментальным данным, на модели получены константы скорости взаимодействия для нескольких мутантных форм ФНР и рассчитаны зависимости константы от ионной силы. Данное исследование позволяет оценить вклад электростатических взаимодействий в процесс образования комплекса двух белков. Проводится сравнение реакции ФНР с ферредоксином и флаводоксином.

09.04.2009 Парамонов Александр Сергеевич (лаборатория биомолекулярной ЯМР-спектроскопии ИБХ РАН). Структура и динамика вольт-сенсорного домена K+ канала KvAP по данным гетероядерной ЯМР-спектроскопии (по материалам диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук)

В работе исследован вольт-сенсорный домен потенциал-зависимого калиевого канала KvAP. Полученные в работе данные позволили найти новый подход к выбору мембраномоделирующей среды для ЯМР-исследований мембранных белков. Была показана применимость липид-белковых нанодисков (частиц, построенных на основе липопротеинов высокой плотности человека) в качестве среды для солюбилизации мембранных белков при ЯМР-исследованиях. Структурно-динамические данные, полученные в работе, позволили сделать выводы о возможном механизме потенциал-зависимой активации катионых каналов.

23.04.2009 Колосова Алена (каф. биофизики Биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова). Применение модели ФС 2 для сравнительного анализа параметров процессов переноса электрона в листьях и водорослях по данным индукции флуоресценции (по материалам дипломной работы)

Кривые индукции флуоресценции, вызываемые постоянным светом в листе гороха и в препарате одноклеточной водоросли Chlorella, были успешно фитированы при проведении расчетов в модели процессов фотосистемы 2. Найденные модельные параметры дают информацию о параметрах процессов переноса электрона, одинаковых для листа и водоросли. Отличия получены для параметров, характеризующих энергизацию тилакоидной мембраны (рН люмена, стромы, электрический потенциал).

23.04.2009 Князева Ольга Сергеевна (каф. компьютерных методов физики Физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова). Прямое компьютерное моделирование белок-белковых взаимодействий в люминальном пространстве тилакоида хлоропласта

В работе изучаются процессы электронного транспорта в люмене тилакоида, осуществляемого белком пластоцианином. На основе экспериментальных данных по распределению липидов и белковых комплексов в фотосистентической мембране построена компьютерная модель люменального пространства. Рассчитано и визуализировано электростатическое поле, создаваемое тилакоидной мембраной и фотосинтетическими мультиферментными комплексами в люмене тилакоида. Исследуется диффузия и реакция пластоцианина с мультиферментными комплексами с учетом рассчитанного электростатического поля.

04.06.2009 Левич Александр Петрович (каф. общей экологии Биологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова). Контроль качества природной среды по данным экологического мониторинга: биоиндикация состояния экосистем, диагностика причин экологического неблагополучия, нормирование качества

Задачи доклада:

1. Подчеркнуть и разъяснить различия между предложениями разработок со стороны научных организаций и спросом на разработки со стороны государственных заказчиков.
2. Сформулировать существующие методические проблемы и задачи в области контроля качества природной среды. Предложить пути их решения.
3. Обсудить возможности сотрудничества кафедры биофизики и общей экологии на пути решения экологических проблем.

Содержание доклада:

• Управленческий контекст контроля природной среды.
• Проблема неэффективности существующих нормативов качества среды и пути ее решения.
• Задачи и этапы на пути разработки эффективной технологии контроля качества среды.
• О биоиндикаторах качества среды.
• Метод экологически допустимых нормативов (ЭДН).
• Перспективные направления применения метода ЭДН.

01.10.2009 Николаев Олег (каф. биофизики Биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова). Взаимная синхронизация автоколебательных систем с запаздыванием в моделях популяционной экологии (по материалам дипломной работы)

В докладе представлены результаты исследования явления взаимной синхронизации в системах дифференциальных уравнений с запаздыванием, описывающих динамику популяций с внутривидовой конкуренцией. Изучается взаимная синхронизация экологических моделей с запаздыванием, и синхронизация внешним воздействием. Представлено численное исследование взаимной синхронизации автоколебательных режимов систем дифференциальных уравнений, описывающих как популяции с просто внутривидовой конкуренцией за общий ресурс, так и модели «хищник-жертва» с учетом внутривидовой борьбы. Особое внимание уделено изучению процесса синхронизации в распределенных системах. Поставлена задача исследования взаимной синхронизации в одномерной распределенной системе. В перспективе предполагается изучение синхронизации распределенных систем в трехмерии и при более сложных связях. Представлено явление параметрического резонанса в недовозбужденной системе, описываемой уравнением Хатчинсона. Параметрика вводится в предположении, что периодическое изменение окружающей среды оказывает параметрическое влияние на экологические сообщества.

08.10.2009 Браже Алексей (каф. биофизики Биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова). Моделирование динамики экстраклеточного К⁺ при ритмическом возбуждении нервного волокна и его роль в трансформации ритма

Моделирование динамики экстраклеточного К⁺ при ритмическом возбуждении нервного волокна и его роль в трансформации ритма

Предложена модель нервного волокна млекопитающих с учетом изменений в концентрации экстраклеточного К и внутриклеточного Na. Модель включает несколько типов Na- и K-токов и учитывает данные о структурной организации нервных волокон. Ритмическая стимуляция нервного волокна может приводить к накоплению ионов калия под миелином в области паранодального скопления К-каналов. Обсуждается механизм периодических изменений порога возбуждения, связанный с К-обусловленными структурными перестройками в миелине и приводящий к пачечному характеру активности нервного волокна — трансформации ритма возбуждения.

22.10.2009 Антал Тарас (каф. биофизики Биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова). Исследование механизмов адаптации фотосинтетического аппарата у высших растений к недостатку азота

В докладе представлены основные результаты исследования действия азотного голодания на первичные реакции фотосинтеза у высших растений на примере Phaseolus vulgaris (бобы). Изучается пигментный состав и активность фотосинтетических реакций, транспорт электронов на акцепторной стороне ФС 2. Особое внимание уделяется процессам адаптации фотосинтетического аппарата при голодании к избытку восстановителя, таким как хлородыхание, переход тилакоидов из состояния 1 в состояние 2, циклический транспорт электронов вокруг ФС 2, и тепловая диссипация энергии возбуждения в антенне ФС 2. Проводится сравнительный анализ влияния недостатка основных биогенных элементов (азот, сера, фосфор) на фотосинтез у высших растений и водорослей.

05.11.2009 Аристов Владимир Владимирович, Ильин Олег (Вычислительный центр им. А.А. Дородницына РАН). Хаотическое поведение решений кинетической системы Карлемана

Демонстрируется возможность процессов, хаотических во времени и по пространству, рассматриваемых на основе кинетических уравнений. Кинетическая модель Карлемана представляет собой систему двух нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих перенос и столкновения для двух типов частиц. Данная система уравнений относится к классу неинтегрируемых, что ведет к важным следствиям. А именно, такие системы могут обнаруживать нерегулярное поведение решений. Для модели Карлемана действительно наблюдается ряд бифуркаций, приводящих вначале к появлению нескольких колебательных частот, количество которых при уменьшении числа Кнудсена увеличивается, и затем происходит переход к хаотическому поведению решений.

19.11.2009 Белостоцкий Александр (ГосНИИГенетика). Выявление осцилляций в генных сетях с негативными обратными связями

Доклад будет посвящен постановке задачи выявления осцилляций в генных сетях.

В настоящее время имеется масса в целом похожих моделей генных сетей (например, [1]). Есть дискретные модели [2], основанные на Булевой логике. В них ген включен или выключен. Дискретные модели описывают разные регуляторные сети с большим количеством компонентов, но при этом они слишком нереалистичны. Непрерывные модели описывают системы с небольшим количеством элементов, но при этом гораздо ближе к Природе. В настоящее время имеется масса разных моделей, в которых процесс функционирования генной сети задается системой дифференциальных уравнений (практически любая работа по генным сетям, например – [3]). Важные элементы генных сетей, имеющий особый интерес и для меня – негативные обратные связи. Важно, что такие связи и приводят к осцилляциям в сети. Генные сети с негативными обратными связями – особый предмет анализа [4]. Конечно, есть и случаи, когда в системе с негативными обратными связями присутствуют и устойчивые состояния [5]. Такой случай генных сетей с триггером также представляет интерес.

Моделирование генных сетей иногда начинают с привлечения непосредственно экспериментальных данных – данных по экспрессии генов. В настоящее время благодаря экспрессионным чипам имеется масса данных по экспрессии генов. Практически вся эта информация относится к экспрессии генов в определенный момент времени. Однако есть и данные по динамике экспрессии [6]. При анализе таких данных становится видна «волна» экспрессии генов. Фактически это скорее всплеск экспрессии отдельных генов. Предполагается, что используя данные по экспрессионным чипам можно выявить колебания в самом всплеске.

Вообще можно выделить разные типы генных сетей. Так в работе [7] выделяют три вида генных сетей: 1) поддерживающие гомеостаз и стационарные состояния; 2) обеспечивающие осцилляции, циклы: 3) контролирующие необратимые процессы развития организма. По-видимому, все виды генных сетей, какие только можно выделить, порождают и поддерживают колебания. Для выявления таких колебаний, зачастую характеризующихся высокой частотой (относительно частоты изученных колебаний в сетях), лучше всего использовать и данные по экспрессии, и модели генных сетей.

Литература:

1. Wessels LF, van Someren EP, Reinders MJ A comparison of genetic network models, Pac Symp Biocomput. 2001:508-19.
2. Akutsu T, Miyano S, Kuhara S. Identification of genetic networks from a small number of gene expression patterns under the Boolean network model, Pac Symp Biocomput. 1999:17-28.
3. Salazar-Ciudad I, Jernvall J. A gene network model accounting for development and evolution of mammalian teeth, Proc Natl Acad Sci U S A. 2002 Jun 11;99(12):8116-20. Epub 2002 Jun 4.
4. М. А. Клишевич, В. В. Когай Исследование циклических контуров генных сетей с отрицательным типом регулирования, Вычислительные технологии, Том 11, № 5, 2006
5. Joshua L. Cherry and Frederick R. Adler How to make a Biological Switch, Journal of Theoretical Biology. Volume 203, Issue 2, 21 March 2000, Pages 117-133
6. Xiling Wen et al Large-scale temporal gene expression mapping of central nervous system development, PNAS January 6, 1998 vol. 95 no. 1 334-339
7. В. А. Лихошвай, Ю. Г. Матушкин, С. И. Фадеев Задачи теории функционирования генных сетей.

10.12.2009 Мамонов Петр (каф. биофизики Биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова). Моделирование конформационного перехода в фотосинтетическом реакционном центре бактерии Rhodobacter sphaeroides

В докладе обсуждается возможный механизм конформационной регуляции скорости рекомбинации зарядов между первичным хиноном (QA) и димером бактериохлорофилла (P) в фотосинтетическом реакционном центре (РЦ) бактерии Rhodobacter sphaeroides. С использованием методов молекулярного моделирования, в рамках комбинированной квантово-механической/молекулярно-механической модели показано наличие в РЦ двух стабильных конформаций, отличающихся наличием дополнительной водородной связи между молекулой QA и гидроксильной группой остатка треонина M222. В докладе проводится сопоставление расчетных характеристик указанного конформационного перехода с экспериментальными результатами по рекомбинации в РЦ, обсуждается молекулярный механизм конформационной регуляции скорости рекомбинации.

24.12.2009 Минкевич Игорь Георгиевич (Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН), Фурсова Полина Викторовна (каф. биофизики Биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова). Материально-энергетический баланс роста клеток фотосинтезирующих организмов с двумя фотосистемами