Исследования основаны на применении качественной теории нелинейных дифференциальных уравнений для построения математических моделей сложных клеточных и ферментативных систем. Большая часть наших исследований посвящена изучению метаболических систем. В своей работе мы широко используем математическое моделирование и методы компьютерной симуляции, а также экспериментальные методы для исследования биохимических и биофизических задач, в том числе для дизайна новых лекарств.
Руководитель направления: профессор Атауллаханов Фазоил Иноятович.
Основные направления:
• Системная биология и мктаболический контроль биохимических сетей
• Биофизика сложных систем
• Нелинейная динамика
• Пространственная динамика свертывания крови
• Самоорганизация и формирование структур в делении клетки
• Биотехнология и разработка новых приборов для научных исследований Сфера научных интересов и полученные результаты
1. Системная биология и метаболический контроль биохимических сетей в клетке.
Количественное описание физиологии простейшей клетки человека – эритроцита. Проект - Red blood cell in silico. В ходе работы были открыты важные закономерности функционирования метаболических систем, названные инвариантами регуляции метаболических путей. Оказалось, что Природа так сконструировала метаболические системы, чтобы все их поведение полностью определялось некоторой простой функцией одной переменной. Например, в энергетике клетки такой переменной является энергетический заряд, а функцией этого заряда является скорость производства АТР в клетке. Для того, чтобы подчинить все процессы производства энергии этой переменной Природа создает биохимически ненужные реакции, и даже целые метаболические системы. На основе инвариантов регуляции метаболических систем выстраивается стройная иерархическая организация всех внутриклеточных процессов, начиная с отдельных ферментов и кончая функционированием клетки как целого.
2. Самоогранизация и пространственная динамика в клеточной биологии.
2.1. Исследование и математическое моделирование пространственной динамики свертывания крови показало, что кровь является активной средой [68,69]. Распространение фронта свертывания подчиняется тем же законам, что и распространение нервного импульса или фронта горения. Существенное отличие системы свертывания крови – она умеет останавливать распространение таких волн. Это открытие привело к формированию новых представлений о том, как протекает процесс свертывания. Исследования свертывания крови привели к возникновению нового раздела теории «активных сред» и синергетики. Кровь оказалась «дважды активной средой» с совершенно новыми свойствами. В этих средах обнаруживаются совершенно новые механизмы самоорганизации с удивительными свойствами. Есть основания думать, что похожие механизмы используются и в процессах дифференцировки многоклеточных организмов.
2.2. Исследование самоорганизации и динамики деления клетки. Нами теоретически предсказано и экспериментально показано, что микротрубочки являются молекулярными моторами доселе неизвестного типа и могут развивать силы до 40 pN, что на порядок больше сил, развиваемых классическими мотроами типа кинезина. Эти силы настолько велики, что могут полностью обеспечить движение хромосом в митозе без участия молекулярных моторов. Поведение ансамбля таких моторов в процессе формирования и развития веретена деления, видимо, приводит к необычным механизмам самоорганизации, которые являются в настоящее время предметом наших исследований.
2. 3. Исследование механизмов исправления ошибок закрепления хромосом при формировании веретена деления. Показано in vitro и in vivo, что система: протеинкиназа «Аврора В» - фосфатаза 1 образуют бистабильную систему, которая обеспечивает формирование крутого градиента активности «Авроры В»в кинетохорной области хромосомы. Способность Авроры В связываться с микротрубочками и диффундировать по ним определяет избирательность открепления неправильно закрепленныхз микротрубочек.
Статьи:
1. CLASP2 recognizes tubulins exposed at the microtubule plus-end in a nucleotide state-sensitive manner. Luo W, Demidov V, Shen Q, Girão H, Chakraborty M, Maiorov A, Ataullakhanov FI, Lin C, Maiato H, Grishchuk EL. Science Adv. 2023 Jan 4;9(1):eabq5404. doi: 10.1126/sciadv.abq5404. Epub 2023 Jan 4. PMID: 36598991
2. Mechanisms of microtubule dynamics and force generation examined with computational modeling and electron cryotomography. Gudimchuk NB, Ulyanov EV, O'Toole E, Page CL, Vinogradov DS, Morgan G, Li G, Moore JK, Szczesna E, Roll-Mecak A, Ataullakhanov FI, Richard McIntosh J. Nature Commun. 2020 Jul 28;11(1):3765. doi: 10.1038/s41467-020-17553-2. PMID: 32724196
3. Elevated pre-activation basal level of nuclear NF-κB in native macrophages accelerates LPS-induced translocation of cytosolic NF-κB into the cell nucleus. Bagaev AV, Garaeva AY, Lebedeva ES, Pichugin AV, Ataullakhanov RI, Ataullakhanov FI. Science Rep. 2019 Mar 14;9(1):4563. doi: 10.1038/s41598-018-36052-5. PMID: 30872589
Ссылки на лаборатории:
https://www.med.upenn.edu/grishchuklab/
Ссылка на полный цикл лекций курса "Биофизика клетки" 2023/2024 года:
https://www.youtube.com/watch?v=N-zECTLiO1Q&list=PLcYak4SuWNGnw4M1e2zlSGgM5YEK5uxVy