Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка научных основ применения рентгеновских лазеров на свободных электронах для биологических исследований

Номер контракта: 14.616.21.0003

Руководитель: Новикова Наталья Николаевна

Должность руководителя: нач. лаборатории

Докладчик: Теслюк Антон Борисович, нач. группы

Организация: федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
рентгеновские лазеры на свободных электронах, структурная биология, оптический пинцет, оптический захват, фотоактивные белки, теломераза, нанодиски, архитектурные белки, клеточные органеллы, молекулярное моделирование

Цель проекта:
Целью проекта является разработка тестовой научно-технологической платформы для изучения на European XFEL (Гамбург) пространственной структуры, кинетики и атомной динамики биологических объектов различного уровня организации – от единичных молекул белков до надмолекулярных структур и клеточных органелл - и процессов с их участием; создание основ для формирования российско-германской научной сети для проведения исследований в области структурной биологии на XFEL с биообъектами.

Основные планируемые результаты проекта:
Разработка методов пробоподготовки биологических объектов для исследования с использованием рентгеновских лазеров.
Разработка методов манипулирования и удержания микро- и наночастиц с помощью рентгеновских лазеров.
Разработка методов молекулярного моделирования биологических объектов в условиях проведения экспериментов на XFEL.
Разработка методов получения кристаллов мембранных белков нанометрового размера.
Разработка самообучаемой информационной системы для анализа дифракционных изображений, для широкого применения. Интеграция алгоритмов в единый код с поддержкой автоматического анализа, фильтрации, кластеризации дифракционных изображений. Оформление разработанных алгоритмов в виде самостоятельного программного продукта. Тестирование алгоритмов на модельных картах.
Обобщение и оценка перспектив использования различных родопсинов, встроенных в нанодиски и липодиски для демонстрации эффектов удержания и манипуляции оптическими методами при структурных исследованиях.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Результаты проекта создают научно-технологическую платформу проведения исследований методами рентгеноструктурного анализа, как в классическом виде, так и с применением рентгеновского как в классическом виде, так и с применением рентгеновского лазера на свободных электронах для изучения белковых структур практически не поддающихся кристаллизации, а также для изучения структуры и динамики биомакромолекул в переходных, функционально активных состояниях. Развиваемые методы проведения исследований на XFEL позволят проводить структурные исследования без кристаллизации объекта, а также предоставят возможность получать информацию о структурной динамике в ходе функционального акта с рекордным временным разрешением порядка десятков фемтосекунд, что принципиально меняет ситуацию и переводит структурную биологию на качественно новый уровень.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты проекта находят свое применение в исследовательской и производственной работе научных биомедицинских центров и фармакологических компаний, работающих в области структурной биологии. Их исследования в областях биологии, биомедицины, фармакологии опираются на знания о механизмах биологических процессов в норме и патологии в тесной связке с кристаллической структурой белков в некоторых локально равновесных конформациях, полученной методами рентгеноструктурного анализа с атомной точностью.
Экономические и социальные эффекты вызванные внедрением результатов проекта ожидаются от использования новых лекарственных средств и инновационных методов лечения разрабатываемых в научных центрах и лабораториях при крупных фармакологических компаниях и биомедицинских центрах. Кроме того, внедрение результатов проекта в научных и производственных компаниях в области биоинженерии сельскохозяйственных растений и животных, а также при разработке новых нанобиоустройств, использующих принципы организации живой материи приведут к положительному эффекту в области снижение риска смертности и повышение качества жизни.


Текущие результаты проекта:
Результаты 1 этапа проекта:
1. Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.
2. Проведено обоснование выбора направления и методик исследований.
3. Проведено обоснование выбора объектов, методов проведения экспериментов, платформ, аппаратных средств, средств разработки.
4. Разработаны методы преобразования дифракционных изображений отдельных макромолекул в характеристический вектор.
5. Разработаны принципы манипулирования и удержания микро- и наночастиц с применением лазеров.
6. Проведен биоинформатический анализ архитектурных белков D.melanogaster, участвующих в формировании инсуляторных комплексов, поиск фрагментов, соответствующих структурным доменам и теоретическая оценка их экспрессируемости и стабильности.

Результаты 2 этапа проекта:
1. Проведена оптимизация получения липид-белковых нанодисков (ЛБН) для бесклеточной продукции мембранных белков.
2. Разработаны протоколы моделирования отобранных макромолекулярных и надмолекулярных объектов.
3. Разработана экспериментальная схема манипулятора микро- и нано частиц с применением лазеров.
4. Исследованы подходы к получению рекомбинантных светочувствительных белков и, в частности, бактериородопсина Halobacterium salinarum в составе липид-детергентных систем. Обоснование выбора в качестве объекта бактериородопсина Halobacterium salinarum.
5. Разработаны алгоритмы кластеризации характеристических векторов для модельных данных по дифракции отдельных макромолекул.
6. Проведен выбор фрагментов последовательности каталитической субъединицы (TERT) теломеразы O. polymorpha для клонирования.
7. Проведенена экспрессия и очистка мембранного белка бактериородопсина из Halobacterium salinarum в липид-детергентной системе.
8. Осуществлены выбор и клонирование не менее 10 архитектурных белков D. Melanogaster и /или их структурных доменов, участвующих в формировании инсуляторных комплексов.
9. Наработаны препаративные количества отобранных на первом этапе рекомбинантных ДНК-связывающих HU-белков паразитических микроорганизмов для целей кристаллизации.