Заведующий лабораторией:академик Островский Михаил Аркадьевич
Телефон отдела:939-73-57
Почта:ostrovsky3535@mail.ru
Комната:—
Лаборатория была создана в Институте химической физики в 1972 году по инициативе академика Н.М. Эмануэля и при полной поддержке директора Института академика Н.Н. Семенова. Название лаборатории было предложено Н.М. Эмануэлем. Оно отражало и продолжает отражать её основное научное направление. В состав Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН лаборатория входит со дня его основания. Решающий вклад в создание лаборатории внесла профессор В.Г. Самсонова. В становление и развитие лаборатории огромный вклад внесла к.б.н. И. Б. Федорович. На протяжении всего времени существования лаборатории её основная тематика, а именно «физико-химические основы зрительной рецепции», не менялась. В лаборатории продолжают активно развиваться исследования фотохимических и последующих биохимических и физиологических процессов, ответственных за осуществление нормального зрительного акта, а также процессов, лежащих в основе возникновения ряда глазных заболеваний (например, дегенеративных заболеваний сетчатки, в частности, широко распространённой и социально значимой возрастной макулярной дегенерации и катаракты).
Эти работы ведутся в тесном сотрудничестве с лабораторией био- и нанофотоники Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (зав. лабораторией, д.х.н., проф. В.А. Надточенко и Отделом биоинженерии Института биоорганической химии РАН (зав. Отделом, академик М.П. Кирпичников). Важнейшими достижением последних лет в этом направлении стала демонстрация фотообратимой реакции родопсина и бактериородопсина в фемто- и пикосекундой шкалах времён, а также исследование динамики первичных фотохимических реакций нового микробиального родопсина – т.н. «сибирского родопсина», которая, как оказалось, очень близка хорошо известному бактериродопсину и сравнима с его рекомбиннатной формой, которая также находится в мономерном состоянии. Результаты фундаментальных исследований в этом направлении позволяют рассматривать ретиналь-содержащие белки как прототипы сверхбыстрых молекулярных фотопереключателей.
В рамках этого направления группой д.б.н., в.н.с. А.Е. Донцова в самое последнее время показано, что возрастное уменьшение количества меланина в клетках ретинального пигментного эпителия глаза человека с большой долей вероятности связано с его окислительной деструкцией под действием активных форм кислорода, образующихся в ходе фотоиндуцированного восстановления кислорода флуорофорами липофусцина. Важность этого результата состоит в том, что становится понятным механизм значительного падения и затем полного исчезновения меланин-содержащих меланосом в клетках ретинального пигментного эпителия. Поскольку меланосомы в этих клетках выполняют две важные защитные функции: экранирующую и антиоксидантную, то их исчезновение в клетках стареющего ретинального пигментного эпителия объясняет его повышенную с возрастом чувствительность к световому повреждению и может рассматриваться как важный патогенетический фактор.
В рамках этого же направления группой д.б.н., в.н.с., проф. П.П. Зака в последние годы показано, что повседневное синее освещение, в сравнении с нормальным освещением, приводит к 1,5-кратному снижению выработки мелатонина и заметным образом меняет в стареющий сетчатке структуру её сосудистой трофики. Результаты этих фундаментальных исследований могут быть востребованы в возрастной патофизиологии и, что особенно важно, в оценках светогигиеничности современного светодиодного освещения.
Вслед за созданием и широким внедрением в офтальмологическую практику нового поколения фотопротекторных искусственных хрусталиков «Спектр», удостоенных в 2005 года премии Правительства РФ в области науки и техники, в рамках этого фундаментального и прикладного направления группой д.б.н. Т.Б. Фельдман совместно с лабораторией процессов фотосенсибилизации Института (зав. лаб., д.х.н., проф. В.А. Кузьмин) и с Отделом фундаментальной офтальмологии МНТК «Микрохирургия глаза» им. С.Н. Федорова (зав. Отделом, д.м.н. С.А. Борзенок) усовершенствован неинвазивный метод аутофлуресценции глазного дна, позволяющий диагностировать дегенеративные заболевания сетчатки на самых ранних стадиях их возникновения. В частности, методом подсчета коррелированных по времени фотонов были в последнее время определены значения времени жизни флуоресценции флуорофоров липофусциновых гранул, полученных из клеток ретинального пигментного эпителия кадаверных глаз человек и было показано, что при патологии вклад в суммарную флуоресценцию продуктов фотоокисления и фотодеградации бисретиноидов по сравнению с нормой повышается. Этот результат важен для усовершенствования неинвазивной диагностики дегенеративных заболеваний сетчатки, основанного на детектирование времени жизни флуоресценции флуорофоров при определенных длинах волн (метод FLIM, Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy).
Это направление исследований многие годы проводится совместно с группой д.б.н. К.О. Муранова. Суть работ в этом направление – это исследование механизмов, предотвращающих агрегацию белков хрусталика в норме и поддерживающих прозрачность хрусталика, и исследование их агрегации при действии повреждающих факторов и вызывающих развитие катаракты, в частности при действие ультрафиолетового облучения. На основе результатов этих фундаментальных исследований проводится поиск соединений, способных предотвращать агрегацию белков хрусталика, т.е. антикатарактальных препаратов. Альфа-кристаллин, входящий в семейство малых белков теплового шока, является одним из основных белков хрусталика глаза. Он участвует в поддержании прозрачности хрусталика, предотвращая агрегацию поврежденных белков. На этой основе нами ранее был предложен препарат, механизм действия которого основан как на шаперонной, так и на антиокислительной активности. Этот препарат успешно прошёл доклинические испытания. В последнее время нами была исследована способность альфа-кристаллина как шаперона не только предотвращать агрегацию других белков хрусталика – бета-и гамма кристаллинов, но и восстанавливать нативную структуру этих денатурированных белков. В качестве такого денатурированного белка был использован УФ поврежденный бета-кристаллин. Основной результат этой работы сводится к тому, что альфа-кристаллин, действительно, эффективно тормозит агрегацию УФ-повреждённого бета-кристаллина в условиях близких к физиологическим, однако восстановления нативной структуры УФ-денатурированного, повреждённого бета-кристаллина при взаимодействии с альфа-кристаллином не происходит. Фундаментальная важность этого результата состоит в том, что, как выяснилось, альфа-кристаллин хрусталика глаза не обладает свойствами истинного шаперона, способного возвращать денатурированный белок в исходное, нативное состояние.
Иными словами, катаракта, вызванная агрегацией денатурированных белков хрусталика, является необратимой, т.е. шаперон-подобный белок альфа-кристаллин не способен вернуть хрусталику прозрачность. Поэтому стратегией поиска эффективных антикатарактальных препаратов может быть только поиск таких препаратов, которые замедляют или предотвращают денатурацию и агрегацию белков хрусталика.
Сравнительно-физиологические исследования представляют большой интерес как для понимания эволюции молекулярных механизмов зрения, так и для понимания основ световой гигиены для человека. Это направление исследований многие годы проводится совместно с Хельсинским Университетом. Сначала оно велось в рамках сотрудничества между Академиями Наук России и Финляндии, в настоящее время в рамках совместного гранта РФФИ и Академии Финляндии. Со стороны Финляндии активное участие в этих исследованиях принимают профессор Кристиан Доннер и доцент Магнус Линдстрём, с нашей стороны – в первые годы И.Б. Федорович и А.Е. Донцов, а в настоящее время – П.П. Зак, Т.Б. Фельдман, М. А. Яковлева и Н.Б. Сережникова.
Следует отметить, что тесное сотрудничество с учёными Хельсинского Университета по этой тематике продолжается вот уже 31-ый год. Оно было инициировано бывшим Президентом Академии Финляндии, профессором Кай-Отто Доннером, известнейшим учёным в области физиологии зрения и академиком М.А. Островским. Сын Кай-Отто Доннера Кристиан Доннер и ученик Кай-Отто Доннера Магнус Линдстрём с самого начала принимали и продолжают принимать активное участие в этих исследованиях. За эти годы к работе были привлечены многие молодые учёные с финской и российской сторон. По-существу, это сотрудничество между Российской Академией Наук и Академией Финляндии - одно из самых длительных и успешных.
В рамках международного сотрудничества с Финляндией исследуются молекулярные механизмы адаптации глаза беспозвоночных животных к световой среде обитания на примере двух популяций одного и того же видакреветок рода мизид Mysisrelicta(genus Mysis; Mysida, Crustacea) – морской и озёрной. Эти популяции разделились в конце ледникового периода, около 10 000 лет назад. Спектральная чувствительность глаза у них, в соответствии со световой средой обитания, существенно различается: у озёрных, обитающих глубоко в озере, она заметно смещена в красную область спектра по сравнению с морской. Такому смещению спектральной чувствительности соответствует максимумы спектров поглощения зрительного пигмента, а именно, у морской популяции максимум спектра поглощения родопсина находится в области 530 нм, а у озёрной сдвинут в область 560 нм. Проведённое недавно сравнительное исследование механизмов регенерации родопсина в ходе темновой адаптации креветок обеих популяций показывает, что у них вполне вероятна регенерация по ферментативному пути, подобно тому, как это происходит у позвоночных животных. Как было показано, в каждой из популяций Mysisrelicta спектрально различающиеся зрительные пигменты находятся в разных зрительных клетках (рабдомах) и в разной пропорции. В настоящее время предпринимается попытка выявить морфологические различия между этими клетками, а именно между упаковкой фоторецепторных мембран (микровиллярной упаковкой) зелёно- и красночувствительных зрительных клеток у креветок разных популяций.
Исследуя внутримолекулярные механизмы спектральной настройки зрительного пигмента, нами, вопреки ожиданиям, было обнаружено, что хромофор у спектрально различающихся родопсинов один и тот же, а именно 11-цис ретиналь1 (А1). Нашим финским коллегам обнаружить разницу в гене опсина озёрной и морской популяций Mysisrelictaтакже не удалось. По всей видимости, спектральная настройка зрительного пигмента каждой из популяций Mysisrelictaопределяется некими эпигенетическими факторами, которые для морской и озёрной популяций различны. Важным отличием глаз морской и озёрной популяций Mysisrelictaявляется их разная устойчивость к повреждающему действию света: озёрная гораздо чувствительнее к фотоповреждению, нежели морская. Исследование механизмов, лежащих в основе их разной устойчивости, показало, что в глазах этих популяций различно содержание экранирующих пигментов – оммохромов и каротиноидов, выполняющих в клетке как экранирующую, так и антиоксидантную функции.
В ходе эволюции и естественного отбора зрение беспозвоночных и позвоночных хорошо адаптировалось к меняющимся условиям световой среды обитания. Вместе с тем, нарушение естественной световой среде приводит к самым неблагоприятным последствиям для зрения и здоровья людей. В этом смысле физиологически неграмотное освещение следует рассматривать как грубое нарушение естественной световой среды обитания для человека и механизмов зрительной адаптации.
Работа в этом направлении ведется в группе гл.н.с., д.б.н. П.П. Зака. Общеизвестна озабоченность офтальмологов и гигиенистов безопасностью светодиодного освещения, в особенности при светодиодах «холодного белого света» с избыточным синим излучением в полосе фотоповреждения сетчатки и пигментного эпителия. В группу риска входят младенцы и дети дошкольно/ школьного возраста, хрусталик которых значительно прозрачнее для синего света, чем у взрослых людей. В этой связи, параллельно с европейскими учеными, нами была опубликована научная статья «Потенциальная опасность освещения светодиодами для глаз детей и подростков» (Зак, Островский, 2012, Светотехника, № 3. С. 4 – 6; Light & Engineering, Engineering V20, P.5-8 ), послужившая основой для рекомендаций Роспотребнадзора 2012 г. по ограничению применения светодиодов холодного белого света в школьных и дошкольных учреждениях. В настоящее время, на животных моделях, ведутся исследования по зависимости детской близорукости и ее профилактике от спектрального состава повседневного освещения. Работа ведется в содружестве с лаб. акустической микроскопии ИБХФ, с ИМБП РАН, МОНИКИ МЗ МО, Биофаком МГУ.
Сотрудники лаборатории ведут большую научно-организационную и педагогическую работу со студентами и аспирантами. Лаборатория фотохимических основ рецепции является базой кафедры молекулярной физиологии Биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова. Сотрудники лаборатории успешно защищают кандидатские и докторские диссертации: кандидатские диссертации защитили научный сотрудник М.А. Яковлева («Флуорофоры липофусциновых гранул из клеток ретинального пигментного эпителия глаза человека», 2011 год) и аспирантка Н.Б. Сережникова («Возрастные структурно-функциональные изменения ретинального пигментного эпителия при облучении коротковолновым видимым светом», 2018 год). В 2013 году диссертацию «Функции ретиналя – хромофора зрительного пигмента родопсина – в норме и при патологии» на соискание степени доктора биологических наук защитила старший научный сотрудник Т.Б. Фельдман.
За последние 10 лет сотрудниками лаборатории было опубликовано в ведущих российских и высокорейтинговых иностранных научных журналах свыше 100 научных статей, касающихся молекулярных механизмов зрительного восприятия беспозвоночных и позвоночных, включая человека. За период 2011-2018 г.г. в лаборатории получено 5 патента РФ на изобретение и 1 патент на полезную модель.
Сотрудники лаборатории принимают участие в конкурсах научных работ имени Елены Борисовны Бурлаковой, проводимых в ИБХФ РАН с 2015 года. Работа н.с. О.А. Смитиенко и с.н.с., к.б.н. Т.Б. Фельдман «Фотохромные реакции бактериородопсина и зрительного пигмента родопсина в фемто- и пикосекундном диапазоне времени» заняла почетное третье место в конкурсе 2017 года. М.А. Яковлева награждена Почетной грамотой конкурса в номинации «Перспективные молодые ученые».
Ежегодно фундаментальные и прикладные научные исследования лаборатории поддерживаются грантами Российского Фонда Фундаментальных исследований, Программами фундаментальных исследований Президиума РАН «Наноструктуры: физика, химия, биология, основы технологий», «Механизмы интеграции молекулярных систем при реализации физиологических функций», «Теоретическое и экспериментальное изучение природы химической связи и механизмов важнейших химических реакций и процессов», «Фундаментальные исследования для биомедицинских технологий», «Актуальные направления развития химии, химической технологии и наук о материалах». Также научные разработки проводились при государственной поддержке научных исследований ведущих научных школ Российской Федерации (Научная школа академика М.А. Островского «Молекулярная физиология зрения», 2009-2014 г.г.).
