Лаборатория биоэлектрохимии | 2017 ИФХЭ РАН

Лаборатория биоэлектрохимии

Заведующий лабораторией:

к.ф.-м. н. БАТИЩЕВ Олег Вячеславович

Phone: +7(495) 952-55-82
E-mail:
olegbati@mail.ru

Основные направления исследований

  • липид/белковые мембранные наноструктуры, ответственные за слияние, деление и транспорт.

Конкретно:

  • механизм вирусного инфицирования (роль М1-белка в процессе выхода генетического материала в цитоплазму);
  • деление мембранной нанотрубки в модельных и клеточных системах (эндоцитоз); теория липид/белковых нанодоменов;
  • молекулярный механизм действия Na/K-ATФазы.


Важнейшие результаты:

1977-1991

1) Теория возбудимых сред. Прежде всего в аналитической форме была решена задача о скорости распространения нервного импульса по гладкому однородному волокну. Токи, протекающие через Na и K-каналы аппроксимировались простой знакопеременной функцией. Более строгий учёт динамики Na-проводимости подтвердил справедливость упрощённой модели, которая хорошо описывает экспериментальные данные.

В рамках простой модели был рассмотрен ряд более сложных задач: миелинизированное волокно, геометрически неоднородное и ветвящееся волокно, взаимодействие импульсов, распространяющихся по соседним волокнам и т.п.

После этого были разработаны методы описания распространения возбуждений в синцитиях и нейронных сетях.

Все эти результаты подытожены в монографии В.С. Маркина, В.Ф. Пастушенко, Ю.А. Чизмаджева “Теория возбудимых сред”, “Наука”, 1981 г. Позднее, в 1987 г. перевод этой книги на английский был опубликован издательством J. Wiley and Sons, в серии монографий под редакцией И. Пригожина и Г. Николиса.

2) Мембранный транспорт. Ключевым моментом в теории возбудимых сред является механизм переноса ионов Na+ и K+ через соответствующие каналы. Экспериментальные модели на основе липидных бислоёв (БЛМ), содержащих комплексоны типа валиномицина и грамицидина позволили разобраться в этом вопросе.

Была разработана теория подвижных переносчиков (валиномицин + K+ ) и однорядного транспорта (грамицидин + K+ ), которая была распространена на случай Na+ и K+-каналов электровозбудимых клеточных мембран.

Были предложены методы электрической диагностики, которые позволили идентифицировать механизм переноса в случае более сложных систем, реализующих обменный и коллективный транспорт. Однорядный перенос был изучен также с помощью молекулярной динамики.

Все эти результаты сформировали базис, на котором строится описание мембранного ионного транспорта в биологических системах переработки информации и энергии. Изложенный материал подытожен в монографии В.С. Маркина и Ю.А. Чизмаджева “Индуцированный ионный транспорт”, “Наука”, 1974 г.

3),4) Термодинамика, механика и электростатика мембран. Перенос заряженных частиц через мембраны является многостадийным процессом. Поэтому важно знать распределение электрического потенциала как в окрестности заряженной поверхности раздела бислой-водный раствор электролита, так и в гидрофобной зоне мембраны.

Крупным достижением нашей лаборатории явилось то, что было разработано два оригинальных метода — один из них получил название потенциодинамического (И.Г. Абидор), а другой — компенсации второй гармоники тока (В.С. Соколов). Оба получили широкое распространение и у нас в стране и за рубежом. В результате была получена возможность изучать адсорбцию заряженных частиц, определять заряд любого монослоя, находить граничный потенциал, порождённый поверхностными диполями. Заметим, что оба метода дают также информацию об упругом модуле мембраны, т.к. её сжатие электрическим полем изменяет ёмкость, что отражается на измеряемом сигнале.

В самое последнее время использование этих методов при изучении адсорбции бериллия и гадолиния позволило обнаружить их воздействие на дипольный потенциал (Ю.А. Ермаков).

5) Мембрана в электрическом поле. Воздействие достаточно сильного электрического поля разрушает мембраны. Нами было установлено, что это разрушение является следствием возникновения и развития липидных пор.

Разработанная теория объяснила происхождение резкой зависимости времён жизни мембран от напряжения. Эксперименты с бислоями определённого состава привели к открытию т.н. обратимого пробоя, когда в ответ на ступеньку внешнего поля в мембране возникает огромное количество пор малого радиуса, но мембрана остаётся устойчивой, а поры залечиваются после снятия напряжения.

Разработанная у нас теория электропорации получила признание во всём мире. Изучение пробоя клеточных мембран показало, что он является обратимым. Это открыло возможности для различных медицинских и биотехнологических приложений.

В нашей лаборатории был налажен выпуск электропораторов (И.Г. Абидор и др.), которые использовались и у нас, и в других лабораториях страны. Одно из интересных приложений электропорации — это генная электротерапия, о которой будет сказано в п.7.

6) Механизм слияния мембран. Слияние и деление мембранных структур сопровождает весь жизненный цикл клетки.

Этот многостадийный процесс в условиях клетки опосредован белком, но включает и объединение липидного матрикса сливающихся мембран. Бислойные липидные мембраны (БЛМ) оказались идеальной моделью для изучения механизма слияния. В этом проекте удивительно гармонически сочетались теоретические и экспериментальные работы. Г.Б. Меликян и др. создали установку и показали, что после сближения 2х БЛМ происходит их полу- (или монослойное) слияние, т.е. вместо 2х мембран получается одна. Приложенный импульс напряжения её разрушает и приводит к полному слиянию. М.М. Козлов и В.С. Маркин предложили теорию сталков, согласно которой между ближайшими монослоями возникает перемычка, расширение которой и приводит к полуслиянию, если это энергетически выгодно. Энергия сталка определяется модулем изгиба монослоя и его спонтанной кривизной.

Эти представления о механизме слияния получили широкое признание во всём мире. Подробное изложение основных результатов по слиянию мембран можно найти в обзоре L. Chernomordik, G. Melikyan and Yu. Chizmadzhev, Biochim. Biophys. Acta, 1987 (индекс цитирования по базе данных за последние 10 лет – 136).

7) Электротрансфекция. Электрическое поле индуцирует порацию мембран, их слияние и способствует проникновению в клетки макромолекул, включая такие как ДНК. В ходе изучения этих явлений был получен ряд важных результатов:

а) Было показано, что липосомы захватывают ДНК по механизму эндоцитоза, т.е. после адсорбции ДНК на мембране образуется инвагинация, затем перемычка рвётся, и в липосоме оказывается ДНК, упакованная в кусочек липидной мембраны.

б) Доказано, что в ходе электрообработки ДНК попадает в клетки через поры, причём электрическое поле выполняет две функции – порождает поры, а затем электрофоретически втягивает заряженные макромолекулы в цитоплазму.

Прямые опыты показали, что молекулы ДНК в ходе электрофореза значительно расширяют поры в клеточной мембране. (S. Sukharev, V. Klenchin et al., Biophys. J., 1991, 1992). Эти работы получили высокую оценку специалистов. Их результаты используются при электротерапии злокачественных опухолей.

1992 – по настоящее время

Ниже перечислены наиболее значимые результаты, полученные в последние годы.

  • Измерены постоянные времени, характеризующие конформационную перестройку Na/K-ATФазы и перемещение Na+ через каналы доступа к центру окклюзии (V. Sokolov et al., Eur. Biophys. J., 2001).
  • Разработана теория, позволившая вычислить упругую составляющую линейного натяжения липидного нанодомена в бислойной мембране, которая согласуется с результатами прямых измерений. Найдено критическое значение линейного натяжения, определяющее устойчивость ансамбля нанодоменов (S. Akimov et al., J. Electroanal. Chem., 2004).
  • В ходе экспериментальных и теоретических исследований, проведенных совместно с MIT (USA) и компанией Cygnus (USA), установлен механизм электроиндуцированного трансдермального транспорта полярных веществ. Тем самым заложены основы для разработки методов трансдермальной терапии и диагностики (Yu. Chizmadzhev et al., Biophys. J., 1995, 1998).
  • В результате экспериментальных и теоретических исследований, проведенных совместно с NIH (USA) и Rush Medical Center (USA) достигнут значительный прогресс в понимании механизмов слияния и деления мембран в биологических системах:

а) обнаружены нанометровые сайты слияния (Frolov et al., Traffic, 2000);

б) измерена и рассчитана динамика поры слияния (Chernomordik et al., J. Cell Biol., 1988; Chizmadzhev et al., Biophys. J., 2000);

в) предложены низкоэнергетические интермедиаты, обеспечивающие наблюдаемые скорости вирус-индуцированного слияния (Kuzmin et al., PNAS, 2001);

г) разработана методика, позволившая регистрировать слияние одиночных вирусов с липидными бислоями (Максаев и др., Биол. мембраны, 2001);

д) обнаружены липидные нанотрубки, возникающие после коллапса микротрубок и являющиеся интермедиатом деления; обратимые переходы между нано- и микротрубками позволили объяснить циклы открытий-закрытий клеточных везикул, наблюдаемых при эндо- и экзоцитозе (Frolov et al., PNAS, 2003).



Публикации

Признание работ нашего коллектива можно проиллюстрировать следующим списком индексов цитирования сотрудников:

  • ChizmadzhevЮ.А.Чизмаджев – 1592
  • В.С.Соколов – 218
  • В.А.Фролов – 194
  • П.И.Кузьмин – 183
  • Ю.А.Ермаков – 143
  • А.А.Щербаков – 74
  • А.В.Инденбом – 48
  • Г.И.Максаев – 22.

Индекс цитирования лаборатории, рассчитанный по 20 работам за последние 10 лет, составляет 1333.

Премии и гранты

Лаборатория имеет значительное число различных грантов.

Приведём конкретные данные за период с 1998 по 2004 гг.:

  • Поддержка ведущих научных школ – 1996-2004;
  • РФФИ – ежегодно по 3-6 грантов; Программа Миннауки (2002, 2003);
  • Программа ОХНМ РАН (2003, 2004);
  • INTAS – по 2 гранта в 1998-2000, по 1 гранту в 2002 и 2003;
  • FIRCA – по 1 гранту с 1998 по 2002;
  • NIH – 1 грант в 2003, 2004;
  • CRDF GAP – по 1 гранту каждый год;
  • Программа Президиума РАН – 1 грант в 2004 г.

Члены коллектива лаборатории удостаивались почётных премий и стипендий:

  • Фрумкинская стипендия (по итогам конференции молодых учёных ИЭЛ РАН) – 1998,1999, 2001 г.г.
  • Государственная стипендия для молодых учёных – В.А.Фролов (1998, 2000) и Д.А.Куменко (2000)
  • Соросовские стипендии для аспирантов и студентов – 4 (1998,2001)
  • 1-ая премия на конкурсе научных работ ИЭЛ РАН в 2001 г.
  • Лауреат конкурса «Грант Москвы» – аспирант В.А.Лизунов (2003)
  • Победитель конкурса «Лучшие учёные РАН» – к.ф.-м.н. Г.И.Максаев (2004, 2005)
  • Победитель конкурса «Лучшие аспиранты РАН» – С.А.Акимов (2005).

Сведения о коллективе лаборатории

Руководитель лаборатории Ю.А.Чизмаджев был избран членом-корреспондентом Академии наук в 1987 г. В 1986 г. ему вместе с коллегами была присуждена Государственная премия в области науки и техники. С 1980 г. он является профессором на кафедре биофизики биологического факультета МГУ; с 1995 г. читает также курс «Биофизика мембран» в МФТИ; Соросовский профессор 1997-2000; лауреат конкурса профессоров Москвы «Грант Москвы» 2001-2004. В качестве приглашенного профессора читал курсы лекций в университетах Женевы, Тулузы, Рима, Флоренции и Бари. Ю.А.Чизмаджев – председатель Научного совета «Биологические мембраны», главный редактор одноимённого журнала и член редколлегии двух международных журналов. В 2003 г. ему присуждена премия имени Джулио Милаццо Международного Биоэлектрохимического Общества за выдающиеся достижения в области биоэлектрохимии.

Всего через лабораторию прошло 85 человек. Из них 9 защитили докторские диссертации, 38 – кандидатские. 23 человека работают в настоящее время за рубежом. Из них 7 занимают высокие позиции в ведущих лабораториях мира.

Cегодня состав лаборатории биоэлектрохимии выглядит следующим образом: научные сотрудники – 10, аспиранты – 6, студенты старших курсов МГУ и МФТИ – 6.

Историческая справка

В 1977 году в Институте электрохимии была создана лаборатория биоэлектрохимии, позднее преобразованная в отдел. В его составе к 1991 году было 25 научных сотрудников, среди которых известные своими трудами доктора и кандидаты наук (см. ниже).

Можно сказать, что за эти годы в Институте сложилась оригинальная научная школа, которая получила широкое признание у нас в стране и за рубежом.

В 1992 году, в результате «утечки мозгов» отдел лишился 15ти молодых и наиболее активных сотрудников. Репутация коллектива и личный рейтинг многих его членов были достаточно высоки, так что особых трудностей с трудоустройством за рубежом, в основном в США, они не испытывали. В первое время положение лаборатории казалось катастрофическим, особенно с учётом тяжёлого экономического положения в стране. Сегодня уже ясно, что лаборатория выжила и восстановила былую форму. Этому способствовала тесная связь и научное сотрудничество с нашими сотрудниками, выехавшими за рубеж. С их помощью установились научные контакты с теми лабораториями, где они работают в настоящее время. В результате были заключены контракты и сформулированы совместные проекты, которые предусматривали, в том числе, стажировку нашей молодёжи в зарубежных лабораториях.

Таким образом, историю лаборатории естественно рассматривать последовательно, с 1977 по 1991 г.г., а затем с 1992 году и по настоящее время.

1977-1991

Основные направления исследований, сложившиеся за это время, выглядели так:

  • теория возбудимых сред
  • мембранный транспорт
  • термодинамика и механика мембран
  • электростатика мембран
  • мембрана в электрическом поле
  • механизм слияния мембран
  • электротрансфекция.

Эти исследования велись в рамках Научных проектов (“Нервный импульс”, “Ионный канал”, “Родопсин” и др.), которые поддерживались крупными Программами по развитию в нашей стране физико-химической биологии. Координация работ осуществлялась Научным советом при Президиуме АН СССР “Биологические мембраны”. Благодаря этому удалось оснастить отдел современной измерительной аппаратурой, которая позволяла работать на мировом уровне.

1992 – по настоящее время

Научные исследования ведутся в рамках направлений, перечисленных выше, но реальное содержание каждого проекта претерпело существенные изменения. Так, центр тяжести работ по мембранному транспорту, п.2, сместился к исследованиям механизма действия Na/K-АТФазы, а исследования по механике мембран, п.3, сконцентрировались вокруг проблем слияния и деления мембран и теории микро- и нанодоменов в липидных бислоях. Изучение электропорации, п.5, сместилось в сторону медицинских приложений. В области слияния/деления мембран, п.6, интересы сфокусировались на белок-индуцированном слиянии, в частности, проблеме вирусного инфицирования клетки.

Для всех направлений принципиально новым является переход к исследованиям процессов на наномасштабах. Соответственно, все они объединены в рамках одной темы: “Изучение мембранных наноструктур, ответственных за слияние, деление и транспорт”.

В 2002 году лаборатории исполнилось 25 лет. В связи с этой датой в Москве был проведён Международный симпозиум «Биоэлектрохимия мембран: от первых принципов до медицинских приложений», который вызвал большой интерес. В его работе приняло участие более 60 человек, в их числе множество наших бывших сотрудников, а также ряд известных учёных из 10 стран мира. Симпозиум, по мнению участников, прошёл на высоком уровне и продемонстрировал высокий международный авторитет нашей лаборатории.



 
 
shadow shadow
Яндекс.Метрика