Живые системы | 2017 ИФХЭ РАН

Живые системы

МЕМБРАННЫЙ ТРАНСПОРТ

Построена теория подвижных переносчиков и электроуправляемых ионных каналов, подтверждённая экспериментально. Разработана теория распространения импульсов по нервным волокнам и возбудимым средам. Этот цикл исследований был отмечен в 1986 году Государственной премией СССР.

ЭЛЕКТРОПОРАЦИЯ

Изучено воздействие внешних электрических полей на мембранные образования, такие как плоский липидный бислой, сформированный в специальной ячейке, или живая клетка. В результате теоретических и экспериментальных исследований было доказано, что электрическое поле индуцирует появление в мембранах нанометровых пор, которые могут служить каналами доступа в клетки экзогенных ионов и даже таких крупных молекул как нуклеиновые кислоты. Приоритет нашей лаборатории в открытии и объяснении электропорации признан во всём мире. Это явление нашло множество различных приложений в биотехнологии, генной инженерии и терапии (см. обзор Weaver, Chizmadzhev, in book “Biological Effects of Electromagnetic Fields”, 2006).

СЛИЯНИЕ МЕМБРАН

Разработана теория слияния липидных бислоёв, основные положения которой оказались справедливыми и для слияния биологических мембран. Приоритет нашей научной школы в этой области общепризнан (Chernomordik, Melikyan, Chizmadzhev, BBA, 1987). Важность данного направления обусловлена тем, что слияние (и деление) мембранных образований лежат в основе всей жизнедеятельности клетки. Кроме того, управляемые липид-белковыми взаимодействиями наноскопические мембранные перестройки ведут к целому ряду клеточных патологий.

Основываясь на фундаментальных результатах, полученных ранее, мы ведём работы по изучению ряда мембранотропных клеточных патологий. Эти исследования, входящие в Программу «Клеточные нанотехнологии», нацелены на биомедицинские приложения, что проиллюстрировано ниже на нескольких примерах.

ВИРУСНОЕ ИНФИЦИРОВАНИЕ КЛЕТКИ

pi1

Рисунок 1. А – схематическое строение вируса гриппа. Б – изображение вирусной частицы, полученное с помощью сканирующей зондовой микроскопии. В – траектория движения вируса в клетке.

Проникнув в клетку, вирус инжектирует в ядро свой геном и запускает цепную реакцию размножения вирусов, которые инфицируют весь организм. Этот процесс мы изучаем на примере вируса гриппа, который удобен тем, что участвуют в нём всего три белка – гемагглютинин (ГА), М1 и М2 (см. рис. 1А), структура которых хорошо известна. Кроме того, остаётся актуальной проблема создания эффективных антигриппозных препаратов, которая может быть решена только на базе фундаментальных исследований.

Мы разработали и применили экспериментальную систему, в которой реализуется слияние вирусных частиц с плоским липидным бислоем (БЛМ). С её помощью впервые удалось наблюдать слияние одиночных вирионов с БЛМ. Использовав современные электрохимические методы, флуоресцентную микроскопию и полимеразную цепную реакцию для регистрации выхода из вириона рибонуклеиновой кислоты, мы получили важные данные о ключевых стадиях вирусного слияния (Chizmadzhev, Bioelectrochemistry, 2004). Кроме того, уточнён механизм действия противогриппозного препарата амантадина, блокирующего М2-каналы. Разработанная нами теория вирус-индуцированного слияния хорошо описывает эту совокупность экспериментальных данных (Kuzmin et al., PNAS, 2001).

Решающие события при слиянии вируса с мембраной-мишенью разыгрываются в наноскопической розетке, образованной несколькими молекулами ГА. Чтобы регистрировать эти стадии процесса мы планируем использовать атомно-силовую микроскопию (АСМ) высокого разрешения. Предварительные результаты сканирования вирусной частицы с помощью АСМ показаны на рис. 1Б.

Вирус гриппа проникает в клетку в ходе процесса, называемого эндоцитозом (Рис. 1В). После его адсорбции на клеточной мембране, она обволакивает его, образуя пузырёк, который соединён с плазматической мембраной липидной нанотрубкой (НТ). Дальнейшее путешествие вируса внутри клетки начинается после того, как НТ разрушается с помощью белка деления динамина (Д) и макроэргических фосфатов ГТФ (см. рис.2А). Чтобы выяснить механизм этого процесса мы разработали метод получения НТ в условиях in vitro (рис.2Б) (Frolov et al., PNAS, 2002). С помощью этой модели мы пришли к новой концепции деления, отличной от принятой в литературе (Башкиров, Биол. мембраны, 2007).

pi2

Рисунок 2. А – деление мембранного перешейка в процессе эндоцитоза с участием белка динамина. Б – пространственная структура комплекса динамин-ГТФ. В – получение липидной нанотрубки из плоской бислойной липидной мембраны методом пэтч-кламп. Диаметр пэтч-пипетки около 1 мкм, внутренний радиус нанотрубки – 2 нм.

РЕГУЛЯЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ МЕЖДУ АДИПОЗНЫМИ КЛЕТКАМИ И ВНЕШНЕЙ СРЕДОЙ

pi3

Рисунок 3. А – схема измерений. Б – траектории движение гранул.

Нарушение этой регуляции является одной из причин диабета. Известно, что выход глюкозы из адипозных клеток осуществляется специальным транспортёром, который содержится в мембранах гранул, циркулирующих в цитоплазме. Основываясь на разработанной нами теории слияния и применив флуоресцентную микроскопию неполного внутреннего отражения, мы выяснили механизм активации переноса глюкозы инсулином. Показано, что инсулин останавливает движение гранул и способствует их связыванию с плазматической мембраной. Далее они кластеризуются и сливаются с ней, поставляя в мембрану транспортёры глюкозы (Лизунов и др., J. Cell Biol., 2005).

ПРОГРАММИРУЕМАЯ СМЕРТЬ КЛЕТКИ (АПОПТОЗ)

pi4

Рисунок 4. А – Изображение рафтов (липидных доменов) на плоской бислойной липидной мембране, полученное методом сканирующей зондовой микроскопии. Нижняя часть рисунка – профиль высот рафтов. Б – Изображение рафтов в гигантских однослойных везикулах, полученное методом флуоресцентной микроскопии.

Этот процесс реализуется в ходе сложной цепи реакций с участием каспаз и в ряде случаев завершается образованием гигантских пор в митохондриях. Это нарушает энергетическое обеспечение клетки и приводит к её гибели. Судя по новейшим данным, в процессе апоптоза существенную роль играют липид-белковые домены, называемые рафтами. По-видимому, они участвуют в сборке белковых комплексов, реализующих разнообразные клеточные функции. В липидных бислоях обнаружены ансамбли нанорафтов, а также домены микронных размеров. Мы разработали теорию, которая описывает как динамику фазового разделения, так и механизм возникновения целой иерархии различных липид-белковых структур (Frolov et al., Biophys. J., 2006).

ВОЗРАСТНАЯ ДЕГРАДАЦИЯ СЕТЧАТКИ ГЛАЗА

pi5

Рисунок 5. А – Строение глазного яблока человека. Б – Пространственная структура зрительного родопсина.

Это широко распространённое заболевание не поддаётся эффективному лечению, т.к. до сих пор не выяснен механизм разрушения клеток сетчатки (рис. 5А). Известно, что этот процесс инициируется продуктами фотолиза зрительного родопсина (рис. 5Б), в первую очередь липофусциновыми гранулами, в состав которых входит А2Е. В связи с этим мы изучили действие А2Е на БЛМ и установили, что он обладает детергентным действием, а на свету играет роль фотосенсибилизатора, генерируя активные формы кислорода, способствующие разрушению мембран (Sokolov et al., Photochem. and Photobiology, 2007).

МЕТАЛЛОСИТАЛЛОВАЯ ЗУБНАЯ КОРОНКА


pi6

На основании фундаментальных исследований морфологии, структуры и химического состава зоны контакта стоматологических сплавов с керамикой, атомно-абсорбционного и электрохимического методов анализа коррозионной стойкости стоматологических сплавов и припоев разработана научно обоснованная технология изготовления качественных зубных протезов на основе золота и циркония. Впервые изготовлена металлоситалловая коронка на основе сплава Zr Э-125. Проведена клиническая апробация зубных протезов, изготовленных на основе новых стоматологических сплавов, показавшая, что у этих сплавов имеется хорошая перспектива использования в ортопедической стоматологии при изготовлении качественных, биоинертных и относительно дешевых зубных протезов.

 
 
shadow shadow
Яндекс.Метрика