Основные направления исследований

   Избранные публикации

   Биофизика XXI век (семинар для 1-2 курсов)

   Научный семинар кафедры биофизики

   Научная конференция

 

   Кафедра концентрирует научную работу в области фундаментальных проблем биофизики, перспективных для использования в медицине, экологии, сельском хозяйстве. За шестидесятилетнее существование кафедра биофизики вместе со своими выпускниками, работающими в академических институтах, сформировала ведущую отечественную и международную научную биофизическую школу.

   В историческом аспекте к наиболее значимым можно отнести следующие ее достижения, внесшие существенный вклад в российскую и мировую науку:

• Введение в практику биологических исследований магнитной спектроскопии – метода электронного парамагнитного резонанса (Л.А.Блюменфельд, 50-е годы).
  
  
• Введение в биофизику и развитие представлений о макромолекулярных машинах как физической основе функционирования биологических систем (профессор Л.А.Блюменфельд, профессор С.Э.Шноль, 60-е годы, В.А.Твердислов, Л.В.Яковенко, А.Н.Тихонов – 80-е и далее годы).
  
  
• Первое воспроизведение колебательной химический реакции Б.П.Белоусова, первые исследования автоволн в химической активной среде, ставшие основой многих направлений современной синергетики (профессор С.Э.Шноль, профессор А.М.Жаботинский, ведущий научный сотрудник А.Н.Заикин, 60-80-е годы).
  
  
• Развиты экспериментальные подходы и новые теоретические представления о механизмах преобразования энергии в электрон-транспортных системах окислительного фосфорилирования и фотосинтеза (профессор Л.А. Блюменфельд, профессор Э.К. Рууге, профессор А.К. Кукушкин, профессор А.Н. Тихонов, профессор В.А. Караваев, ст.н.с. М.К. Солнцев, 60-2000-е годы).
  
  
• Предложена, разработана и экспериментально обоснована принципиально новая гипотеза о происхождении жизни на Земле, согласно которой возникновение термодинамически неравновесных дискретных предшественников живых клеток связано с «холодной» поверхностной пленкой мирового океана, где возникли ионная и хиральная асимметрии, свойственные живым клеткам (профессор В.А. Твердислов, профессор Л.В.Яковенко, 70-2000-е годы).
  
  
• С помощью изучения изотопных эффектов D2O показан вклад явлений гидратации-дегидратации в ионную селективность ионных насосов мембран, выявлена роль воды в термостабильности белков. Показано изменение физических свойств воды при слабых воздействиях электромагнитных полей и в присутствии сверхмалых концентраций примесей (профессор В.И. Лобышев, 80-2000-е годы).
  
  
• Предложена и экспериментально обоснована принципиально новая автоволновая гипотеза свертывания крови. Развиты математические модели периодических режимов в ферментативной кинетике, метаболических процессов в ходе иммунного ответа (профессор Ф.И. Атауллаханов, доцент А.А. Бутылин, 90-е 2000-е годы).

 

   Научные задачи, которые решают сотрудники кафедры биофизики, чрезвычайно разнообразны, но объединены общими представлениями о системном единстве физических подходов к изучению различных биологических проблем, идеями самоорганизации.

 

   Наиболее интересными и важными научными достижениями последних лет представляются следующие:

 

Э.К. Рууге: Показано, что ответом митохондрий сердца на патологический стресс и нарушение равновесия между прооксидантными и антиоксидантными процессами в клетках может быть образование в кардиомиоцитах активных форм кислорода и физиологически значимых комплексов оксида азота (Dudylina et al, Cell Biochemistry and Biophysics, 2018).

Продемонстрировано, что динитрозильные комплексы железа с тиольными лигандами являются уникальной группой соединений, способными быть донорами NO и в то же время способными реагировать с широким спектром токсических интермедиатов окислительного, нитрозативного и карбонильного стресса (Shumaev et al, BioFactors, 2018).

 

А.Н. Тихонов: Методом функционала плотности рассчитана скорость окисления пластохинола железо-серным (Fe-S) центром цитохромного b6f комплекса; показано, что перенос электрона от пластохинола к (Fe-S) центру происходит по неадиабатическому механизму (Ustynyuk et al,  J. Organomet. Chem. 2018).

Установлено,что акклимация растений к свету низкой интенсивности приводит к двукратному увеличению емкости пластохононового пула в хлоропластах, обеспечивая ускорение электронного транспорта при недостатке света (Suslichenko et al, FEBS Lett.2019).

 

Л.В. Яковенко: Впервые показано, что непрерывные меры хиральности, основанные на использовании симметрийных свойств тензора поляризуемости, непригодны для практического использования из-за критической чувствительности к начальным условиям. (Хамицаев и др., актуальные проблемы биологической физики и химии, 2018).

Экспериментально установлено, что монослои из хирально чистых фосфолипидов и их рацематов имеют разные изотермы сжатия, которые зависят от ионного состава раствора (Яковенко, актуальные проблемы биологической физики и химии, 2018).

 

В.И.Лобышев: Зарегистрирована немонотонная зависимость электропроводности сильно разбавленных водных растворов диклофенака от концентрации при последовательных сотенных разбавлениях, сопровождающихся активным встряхиванием.

Методом 2Н-ЯМР оценена кинетика обмена дейтерия для разных отделов тела мыши (голова, грудь, таз) как в водной фазе, так и в биополимерах. Скорость обмена дейтерия в водной фазе головы выше таковой для груди и таза (Kosenkov et al, Physics of Wave Phenomena, 2015)

 

Ф.И.Атауллаханов: Обнаружена бистабильность системы Аврора В – фосфатаза1, определяющая механизмы исправления ошибок закрепления хромосом в митозе (Zaytsev et al, eLife, 2016).

Показана функциональная роль структурной неоднородности прокоагулянтных тромбоцитов, заключающаяся в накоплении ключевых факторов свертывания крови и их защиты от ингибирующего действия потока (Podoplelova et al, Blood, 2016).

 

Г.Б. Хомутов: Получены новые организованные неорганические, органические, гибридные органико-неорганические, бионеорганические, биополимерные, композитные наносистемы различной размерности и нанопленочные наноструктурированные материалы, в том числе характеризующихся рекордными или уникальными структурными и/или функциональными характеристиками (Khomutov et al, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2017).

В последнее время разрабатываются новые эффективные системы и методы капсулирования, адресной доставки и управляемого высвобождения биологически-активных и лекарственных средств на основе функционализированных нанокомпозитных биомиметических коллоидных систем, чувствительных к внешним химическим и/или физическим воздействиям.

 

Е.Ю. Симоненко: Изучены основные изменения значимых свойств клеток при длительной криоконсервации (Симоненко и др., Биофизика, 2016).

Впервые методом адиабатической калориметрии получены термодинамические характеристики многокомпонентой среды (криопротектора SpermFreeze) (Cимоненко и др., актуальные  вопросы  биологической физики  и химии, 2018).

 

А.Н. Свешникова: Построена компьютерная модель внутриклеточной сигнализации в тромбоците крови. Модель позволяет достоверно предсказать ответ тромбоцита на повреждение сосуда (Sveshnikova et al, Mol BioSyst, 2015).

Разработана методика достоверного измерения динамики концентрации ионов кальция в цитозоле живой клетки с 100-мс разрешением (Шахиджанов и др., Успехи физических наук, 2019).

 

А.В. Беляев: Разработана феноменологическая модель роста тромба в микрососуде, учитывающая изменение гидродинамических сил, действующих на тромб в процессе его роста. Модель предсказала возможность гидродинамической регуляции размера тромба. Впервые продемонстрировано, что размер области повреждения стенки микрососуда влияет на динамику роста тромба и его конечный размер (Belyaev et al, Biophysical Journal, 2015).

Разработана принципиально новая компьютерная модель мультимерного белка плазмы крови - фактора фон Виллебранда, - играющего ключевую роль в регуляции первичной адгезии тромбоцитов к месту повреждения кровеносного сосуда (Belyaev et al, Biophysical Journal, 2021). Показано, что при повышении гидродинамических напряжений сдвига происходит последовательная перестройка структуры белка на различных пространственных масштабах (Languin-Cattoёn et al., Polymers, 2021). Результаты расчетов позволяют сделать ряд биофизических выводов о механизмах функционирования фактора Виллебранда как одного из главных молекулярных элементов-сенсоров в системе клеточного гемостаза. 

 

Н.Б. Гудимчук: Создана принципиально новая молекулярно-механическая модель биологической микротрубочки (Zakharov et al., Biophys J. 2015).

Получены экспериментально и описаны теоретически данные о структуре концов микротрубочек (McIntosh et al., J. Cell Biol. 2018), опровергающие ранее существовавшие представления.

 

Д.Ю. Нечипуренко: Установлен механизм перераспределения клеток в составе тромба: в процессе cжатия агрегата за счет механической активности тромбоцитов происходит вытеснение умирающих клеток на периферию тромба. (Nechipurenko et al, ATVB, 2019).

Разработана стохастическая модель тромбообразования, реализующая квазистационарное приближение по потоку крови (Trifanov et al, Supercomputing Frontiers and Innovations, 2018).

 

С.А. Яковенко: Разработана новая система поляризационной микроскопии, позволяющая визуализировать внутриклеточные структуры сперматозоидов.

Выявлены типичные повреждения на субклеточном уровне сперматозоидов после цикла заморозки-разморозки в жидком азоте. Полученные данные позволяют оптимизировать процесс криоконсервации сперматозоидов, в том числе одиночных.

 

Л.Л. Меньшенина: Систематизированы сведения о распространении, распределении по глубине и по условиям обитания шестилучевых губок (Hexactinellida), отмечена связь с гидротермами, а также влияние шестилучевых губок на окружающую среду. Проанализирована связь строения скелета этих организмов с условиями обитания. Описан новый вид рода Docosaccus (Euplectellidae – Euplectellinae) из абиссали Берингова моря – единственный представитель этого подсемейства в Беринговом море. Переописан род монотипический род Ijimaiella, известный ранее только по фрагментам. Подтверждена его принадлежность к подсемейству Corbitellinae. В работах по данной теме научных исследований, помимо научно-преподавательского состава кафедры, принимали участие три аспиранта и 13 студентов.

 

А.Э.Сидорова: Разработан новый метод количественной оценки хиральности вторичных структур белковых молекул и нуклеиновых кислот.

Создана новая модель автоволновой самоорганизации в развития городов. Получен прогноз развития в пространстве и времени Москвы и Шанхая до 2030 года.

 

Е.В. Белова (Малышко): На основании анализа структуры более 1000 молекул белков доказан левый знак хиральности их структурных мотивов - суперспиралей.

На большом количестве примеров полимерных и жидкокристаллических структур доказано, что закономерность спонтанного формирования знакопеременных хиральных иерархий в гомохиральных системах распространяется на абиогенные системы.

 

В.А. Твердислов: Выявлена и охарактеризована общая закономерность, касающаяся спонтанного формирования L-D-знакопеременных иерархий хиральных структур, исходно неравновесных за счет гомохиральности. Рассмотрены механические, гидродинамические, макромолекулярные, жидкокристаллические системы, а также белки и нуклеиновые кислоты. Хиральность биомакромолекул связана с наличием асимметричного атома углерода и далее с формированием спиральных и суперспиральных внутри- и надмолекулярных структур. Хиральность является физическим инструментом стратификации и фолдинга в биомакромолекулярных системах, важным принципом функционирования молекулярных машин. Молекулярная биология клеток в целом составляет периодическую систему знакопеременных хиральных структур (Tverdislov & Malyshko, Symmetry, 2020).