Важнейшие фундаментальные исследования ИБХФ РАН в 2018 году

Вернуться назад

Важнейшие фундаментальные достижения Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН (ИБХФ РАН) в 2018 году

Аномальный эффект воздействия высокоэнергетических ионов на графеновые пленки

В 2017-2018 гг. в ИБХФ РАН совместно с Институтом физики полупроводников СО РАН и Объединенным институтом ядерных исследований были изучены морфология и электронные свойства одно- и многослойных графеновых пленок, наноструктурированных под воздействием тяжелых высокоэнергетических ионов. Обнаружено, что облучение приводит к образованию наноразмерных пор. Показано, что размеры нанопор слабо зависят от энергии ионов, тогда как реальная плотность пор увеличивалась с увеличением дозы облучения. С увеличением энергии ионов (>70 МэВ) происходило существенное снижение концентрации структурных дефектов. При этом наблюдалось высокие подвижности носителей заряда до 1200 см2/В, что на порядок выше, чем в случае облучения низко энергетическими ионами, а также наблюдалось появление полупроводниковой проводимости.

Авторы: Квашнин Д.Г., Сорокин П.Б., Чернозатонский Л.А.

Рис. 1. (a) и (b) АСМ-изображения поверхности пленки до и после облучения. (c, f) ПЭМ изображение и профиль пленки, облученной Xe ионами с энергией 167 МэВ; (d) Модели образования структуры с «замкнутыми» отверстиями. (е) Результаты моделирования образования пор под действием высокоэнергетических ионов.

С помощью современных методов квантово-химического моделирования были изучены и объяснены процессы, происходящие при облучении графеновых пленок тяжелыми ионами. Показано, что существенное увеличение подвижности носителей заряда связано объяснено образованием сплошных многосвязанных графенов слоев с «замкнутыми» отверстиями за счет межслойных ковалентных связей на краях (Рис. 1(d)). Этот механизм полностью объяснил необычно сильное уменьшение интенсивности пиков комбинационного рассеяния при облучении, ответственных за наличие дефектов в графеновых структурах (Рис. 1(b)) и увеличение проводимости пленок.

По результатам проведенной работы опубликована статья:

N.A. Nebogatikova, I.V. Antonova, S.V. Erohin, D.G. Kvashnin, A. Olejniczak, V.A. Volodin, A.V. Skuratov, A.V. Krasheninnikov, P.B. Sorokin, L.A. Chernozatonskii, NANOSCALE 10 (30) 14499-14509 (2018)

Компьютерное моделирование флуоресцентных белков

Флуоресцентные белки являются важнейшими маркерами для визуализации процессов в живых системах. Компьютерное моделирование строения, спектров и фотохимических свойств флуоресцентных белков необходимо для прогнозирования новых более эффективных биомолекулярных меток. В данной работе по результатам суперкомпьютерных расчетов методами квантовой химии и молекулярной динамики установлены механизмы формирования хромофоров в флуоресцентных белках и характеризованы структуры и спектры нового класса маркеров – инфракрасных флуоресцентных белков на основе фитохромов. Результаты моделирования представлены в обзорной статье в наиболее авторитетном международном химическом журнале Chemical Reviews (импакт-фактор 52,6).

Авторы:  д.ф.-м.н. Григоренко Б.Л., д.х.н. Немухин А.В.

Результаты опубликованы в высокорейтинговых журналах: Chemical Review, Journal of American Chemical Society, Chemical Physics Letters:

Acharya, A; Bogdanov, AM; Grigorenko, BL; Bravaya, KB; Nemukhin, AV; Lukyanov, KA; Krylov, AI // Photoinduced Chemistry in Fluorescent Proteins: Curse or Blessing? 2017. Chemical Reviews. V. 117. № 2SI. P. 758-795

Grigorenko, B.L.; Krylov, A.I.; Nemukhin, A.V. // Molecular Modeling Clarifies the Mechanism of Chromophore Maturation in the Green Fluorescent Protein. 2017. Journal of the American Chemical Society. V. 139. № 30. P. 10239-10249

Modeling structure and excitation of biliverdin-binding domains in infrared fluorescent proteins. Polyakov, IV; Grigorenko, BL ,Mironov, VA ; Nemukhin AV . Chemical Physics Letters. 2018. V.710. P.59

Масс-спектрометрия высокого разрешения для исследования пептидома биологических жидкостей человека с целью диагностики социально значимых заболеваний.

Разработан подход для исследования пептидома мочи беременных на базе жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии высокого разрешения. Выявлены особенности пептидома мочи беременных, в том числе при наличии гипертензивных расстройств: характерны общие 140 пептидов, которые являются в основном фрагментами коллагена (COL1A1;COL3A1 и др.), 8 пептидов белка уромодулина (UMOD). Для пациенток с гипертензивными нарушениями (ПЭ, ПЭ на фоне ХАГ, ХАГ) характерны общие 29 пептида - фрагменты коллагена (COL1A1;COL3A1 и др.) и альфа-фибриногена (FGA). Для группы пациенток с преэклампсией (ПЭ, ПЭ на фоне ХАГ) была выявлена характерная панель пептидов, которые являются фрагментами белка альфа-1-антитрипсина (SERPINA1), также по одному пептидному фрагменту представлены белки альфа-1 цепи коллагена 1 (COL1A1), 1 - альфа-2-HS-гликопротеина (AHSG), 1 - аполипротеина А-I (APOA1). В результате сравнительного анализа сформирована панель пептидов, позволяющих достоверно дифференцировать гипертензивные расстройства у беременных. Также предложены новые высокоэффективные подходы для исследования фракции амилоидных пептидов с целью диагностики болезни Альцгеймера. Работы проводятся в сотрудничестве с Национальным медицинским исследовательским центром акушерства гинекологии и перинатологии им. В.И. Кулакова им. Минздрава России, МФТИ, ИНЭПХФ РАН, ИМБ РАН, ФГБНУ Научным центром психического здоровья РАН.

Авторы: Кононихин А.С., Индейкина М.И., Сергеева В.А, Бугрова А.Е., Захарова Н.В., Стародубцева Н.Л., Попов И.А., Николаев Е.Н.

 

 

Рис. 1. Диаграмма распределения 312 пептидов мочи наиболее значимо изменяющихся в группах беременных (p-value<0,05). По данным сравнения средних значений пептидов по тесту Краскела-Уолисса. ПЭ – преэклампсия, ГАГ – гестационная артериальная гипертензия, ХАГ – хроническая артериальная гипертензия.

  1. Kononikhin AS, Sergeeva VA, Bugrova AE, Indeykina MI, Starodubtseva NL, Chagovets VV, Popov IA, Frankevich VE, Pedrioli P, Sukhikh GT, Nikolaev EN. Methodology for Urine Peptidome Analysis Based on Nano-HPLC Coupled to Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry. Methods Mol Biol. 2018;1719:311-318. doi: 10.1007/978-1-4939-7537-2_20.
  2. Zakharova NV, Bugrova AE, Kononikhin AS, Indeykina MI, Popov IA, Nikolaev EN. Mass spectrometry analysis of the diversity of Aβ peptides: difficulties and future perspectives for AD biomarker discovery. Expert Rev Proteomics. 2018 Oct;15(10):773-775. doi: 10.1080/14789450.2018.1525296. Epub 2018 Sep 26.
  3. Maria I Indeykina, D.A. Podgrudkov, Alexey Kononikhin. The author identified by his method: EuPA YPIC challenge solved. October 2018 EuPA Open Proteomics, DOI: 10.1016/j.euprot.2018.10.001
  4. Муминова К.Т., Кононихин А.С., Ходжаева З.С., Шмаков Р.Г., Сергеева В.А., Бугрова А.Е., Индейкина М.И., Стародубцева Н.Л., Франкевич В.Е., Николаев Е.Н., Кан Н.Е., Сухих Г.Т. Дифференциальная диагностика преэклампсии на фоне других гипертензивных нарушений во время беременности с помощью анализа пептидомного профиля мочи. Акушерство и гинекология, 2018, стр 66-75.
  5. Kugaevskaya EV, Veselovsky AV, Indeykina MI, Solovyeva NI, Zharkova MS, Popov IA, Nikolaev EN, Mantsyzov AB, Makarov AA, Kozin SA. N-domain of angiotensin-converting enzyme hydrolyzes human and rat amyloid-β(1-16) peptides as arginine specific endopeptidase potentially enhancing risk of Alzheimer's disease. Sci Rep. 2018 Jan 10;8(1):298. doi: 10.1038/s41598-017-18567-5.
  6. Pekov S, Indeykina M, Popov I, Kononikhin A, Bocharov K, Kozin SA, Makarov AA, Nikolaev E. Application of MALDI-TOF/TOF-MS for relative quantitation of α- and β-Asp7 isoforms of amyloid-β Eur J Mass Spectrom (Chichester). 2018 Feb;24(1):141-144. doi: 10.1177/1469066717730544. Epub 2017 Sep 8.

Новое поколение интумесцентных антипиренов на основе возобновляемого природного сырья для конструкционных материалов и изделий из древесины и полиэфирных смол.

Авторы: Варфоломеев С.Д., Ломакин С.М., Сахаров П.А.

Закончена разработкаа уникальной технологии приготовления и применения интумесцентных антипиренов на основе окисленного растительного сырья (серия “АРБОКСИД”) для конструкционных строительных материалов и изделий из древесины и целлюлозы с целью придания им огнестойкости и расширения областей их применения в строительстве и производстве изделий общегражданского назначения, за счет сохранения прочностных и горючих характеристик на протяжение многолетней эксплуатации на открытом воздухе. В ходе проведенных исследований установлен интумесцентный характер поведения разработанного антипирена в условиях пиролиза и горения. Синтезированный из растительного возобновляемого сырья антипирен предлагается использовать для обработки конструкционных и строительных материалов из древесины, с целью придания им 1-ой группы огнезащитной эффективности, а также высокой огнестойкости R > 60 (ГОСТ 30247.0) при расходе антипирена около 200 ÷ 300 г/м2. В отличие от коммерческих аналогов антипиренов, разработанный в нашем институте антипирен “АРБОКСИД” производится исключительно из возобновляемого природного сырья и не образует токсичных продуктов в процессе длительной эксплуатации и при горении. В настоящее время на производственной базе ПАО Татнефть уже создана установка промышленного синтеза антипирена “АРБОКСИД” производительностью 2 т в месяц, что в перспективе позволит использовать отходы производства деревообрабатывающих предприятий и производить подобные антипирены непосредственно на территориях древесно-стружечных комбинатов.

Фотография исходного образца древесины и фотография образца древесины, обработанного антипиреном “АРБОКСИД”, после проведенных огненных испытаний на горючесть, иллюстрирующая интумесцентный механизм огнезащиты (1 группа огнезащитной эффективности).

По результатам проведенной работы поданы заявки на изобретения и приняты решения о выдаче патентов:

  1. Варфоломеев С.Д., Ломакин С.М., Сахаров П.А., Хватов А.В, Луканина Ю.К., Коверзанова Е.В., Шилкина Н.Г., Миних А.А., Савосин С.И., Дементьев С.А., RU Полиэфирное связующее пониженной горючести, Заявка №2017138120 принято решение о выдаче патента 01.2018, патентообладатели: ИБХФ РАН, НТЦ Татнефть, ПАО Татнефть
  2. Сахаров П.А., Ломакин С.М., Хватов А.В., Коверзанова Е.В., Луканина Ю.К., Шилкина Н.Г., Усачев С.В., Варфоломеев С.Д., Миних А.А., RU, Антипирен, способ его получения и способ огнезащитной обработки древесины, Заявка № 2018102367 принято решение о выдаче патента 01.2018, патентообладатели: ИБХФ РАН, НТЦ Татнефть, ПАО Татнефть

Доклинические исследования препарата на основе гидрофилизованного производного фуродигидрохинолина для фототерапии псориаза

Авторы: Кузьмин В.А., Шевелев А.Б., Некипелова Т.Д.

Общедоступным и эффективным способом терапии псориаза наряду с применением иммунодепрессантов остается PUVA-терапия. Стоимость курса лечения для пациента с учётом всех необходимых диагностических процедур составляет не более 20 тыс. руб. за курс, что в 280 000 раз дешевле терапии гуманизированными антителами. Важным аспектом применения PUVA-терапии является риск возникновения опухолей кожи при использовании коммерческих фотосенсибилизаторов на основе 8-MOP, 5-MOP и TMP. Доклинические исследоания на животных показывают, что для пациентов с первым типом кожи риск возникновения первичного рака в результате прохождения курса PUVA-терапии повышается в 32,2 раза. Фурогидрохинолины, как и псоралены и фурохинолоны, имеют высокий выход триплетного состояния при фотовозбуждении, но в отличие от последних, не образуют сшивок и диаддуктов с молекулами ДНК и выгодно отличаются по основным фотохимическим параметрам от фурокумаринов. Кроме того, фурогидрохинолины являются хорошими перехватчиками радикалов и как антиоксиданты будут способствовать уменьшению эритемы при УФ-облучении. Эффект применения фурогидрохинолинов - уменьшение или отсутствие симптомов псориаза при тестировании на модели имиквимод-индуцированного псориаза у морских свинок по следующим показателям: сокращение времени исчезновения внешних симптомов имиквимод-индуцированного псориаза у морских свинок до 7 суток с момента начала терапии против 13 суток в контрольной группе без фототерапии; сокращение содержания лимфоцитов с фенотипом Th-17 в дерме морских свинок через 3 суток после начала фототерапии в 2 раза ниже, чем в контроле; уменьшение содержания транскриптов IL-17 и IL-23 в дерме очагов имиквимод-индуцированного псориаза у морских свинок в 2 раза через 3 суток после начала фототерапии; ФДГХ-W и весь класс дигидрофурохинолинов являются новыми для фармацевтики.

 

  1. DHFQ_W - N-(6,8,8-триметил-8,9-дигидрофуро[3,2-h]хинолин-5-ил)ацетамид
  2. ФДГХ-N (7,7,9-триметил-4-нитро-6,7-дигидрофуро[3,2-f]хинолин

Заявка на патент на изобретение РФ № 2018123743 от 29.06.2018. «Применение N-(6,8,8-триметил-8,9-дигидрофуро[3,2-h]хинолин-5-ил)ацетамид (ФДГХ-W) в качестве средства для фототерапии псориаза» / Шевелев А.Б., Кузьмин В.А., Некипелова Т.Д, Ходот Е.Н., Бирюкова Ю.К., Зылькова М.В., Трубникова Е.В., Криушкина О.Н., Мутных Е.С., Волнухин В.А. Заявитель и патентообладатель: ИБХФ РАН.