Рабочий семинар
cектора информатики и биофизики сложных систем

Семинары проходят по четвергам в 11:00 в аудитории 124 (компьютерный класс). Чтобы принять участие в работе семинара, оставьте заявку с темой предполагаемого доклада на web-форуме семинара или отправьте письмо по электронной почте на адрес mathbio@biophys.msu.ru.

28.09.2017 Холина Екатерина Георгиевна (кафедра биофизики биологического факультета МГУ). Изучение взаимодействия поликатионного металлофталоцианина с липополисахаридами клеточной стенки Pseudomonas aeruginosa.

Антимикробная фотодинамическая терапия (АФДТ) с использованием фотосенсибилизаторов (ФС) является одним из перспективных подходов для инактивации патогенных видов бактерий. По сравнению с грам-положительными бактериями грам-отрицательные бактерии являются менее чувствительными к фотодинамической инактивации (ФДИ). Поликатионные металлофталоцианины цинка (ZnPc) обладают высоким сродством и фотодинамической активностью в отношении целого ряда грам-отрицательных бактерий.

P. aeruginosa – один из широко распространенных видов грам-отрицательных бактерий, который является ведущим возбудителем в отделениях реанимации и интенсивной терапии. P. aeruginosa обладает целым набором механизмов выработки антибиотикорезистентности. Модификации компонентов клеточной стенки, липополисахаридов (ЛПС), затрагивающие отрицательно заряженные группы и внешние антигенные цепи, могут существенно влиять на связывание ФС с бактериальными клетками, а, следовательно, и на чувствительность бактерий к ФДИ.

С учетом большого разнообразия строения и соотношения форм ЛПС на поверхности P. aeruginosa требуется детальное понимание особенностей взаимодействия фотосенсибилизатора с разными участками клеточных стенок определенного строения. В этом большую помощь может оказать построение молекулярных моделей. Были построены крупно-зернистые модели поликатионного металлофталоцианина цинка и эукариотической и прокариотических мембран различного состава. На основе проведенных молекулярно-динамических расчетов были построены профили свободной энергии, позволяющие оценить взаимодействие фотосенсибилизатора с созданными мембранами. Было показано отсутствие взаимодействия поликатионного ZnPc с модельными эукариаотической и прокариотической мембранами и обнаружен механизм двухэтапного проникновения ZnPc внутрь ЛПС-содержащей бактериальной мембраны.

15.02.2017 Елена Погорелова (Московский физико-технический институт). Численное моделирование формирования тромбов в лабораторных установках и искусственных системах.

Система гемостаза включает в себя тромбоцитарное звено, в ходе которого тромбоциты слипаются между собой и с поврежденным участком сосуда, и плазменное, которое обеспечивается каскадом ферментативных реакций белков плазмы крови. Для эффективного образования сгустков необходимы оба звена.

Доклад состоит из 2 частей:

– Влияние ферментативных реакций на скорость автоволны свертывания крови

– Модификация математической модели роста тромбоцитарного тромба в потоке

Основные результаты:

1. Модифицирован способ оценки скорости автоволны по пространственному распределению компонент численного решения системы уравнений типа «реакция—диффузия». Полученное с его помощью значение скорости автоволны совпадает со значением, полученным в ходе численного решения задачи для системы уравнений в частных производных.

2. Показано, что скорость распространения автоволны свертывания крови сильнее всего зависит от реакций активации тромбина, ингибирования тромбина антитромбином AT-III и образования комплекса тромбина с α2-макроглобулином. Получена неявная зависимость скорости автоволны свертывания от коэффициентов диффузии этих веществ.

3. Приближенно вычислены компоненты матрицы сдвиговой диффузии тромбоцитов в сдвиговом потоке вязкой несжимаемой жидкости с учетом переноса тромбоцитов не только в направлении, перпендикулярном локальной скорости потока, но и в тангенциальном.

4. Модифицирован и программно реализован численный метод решения уравнений типа «диффузия—конвекция», описывающих перенос тромбоцитов в потоке жидкости по осесимметричному сосуду, с учетом заполненной матрицы сдвиговой диффузии тромбоцитов. Метод применен для расчета уравнений модели формирования тромбоцитарного тромба.

5. На основе численных расчетов показано, что форма тромбоцитарного тромба, образующегося в потоке вязкой жидкости, зависит от значения числа Рейнольдса и размера поврежденного участка стенки сосуда.

02.03.2017 Дмитрий Михайлович Устинин (МГУ имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра биофизики). Моделирование методом броуновской динамики в сценах сложной геометрии.

Рассматриваются проблемы, возникающие при моделировании методом броуновской динамики процессов в фотосинтетической мембране с учетом реалистичной геометрии тилакоида, и подходы к их решению. Предлагается метод генерации сцен сложной геометрии, распределения белковых комплексов, моделирования движения мобильных переносчиков с учетом столкновений. Рассмотрен метод генерации сеток и решения уравнения диффузии для моделирования переноса протонов в околомембранном пространстве.

09.03.2017 Дмитрий Владимирович Рисник (МГУ имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра биофизики). Расчет границ классов качества природных экосистем по данным многолетних наблюдений.

В природных экосистемах на биоту одновременно действует множество факторов среды. Из-за неполноты базы данных по значениям факторов большинство методов по анализу связей дают низкие или незначимые результаты. Однако, совместный анализ биологических и физико-химических данных об экосистемах остается необходимым как для выяснения наличия и силы влияния среды на биоту, так и для решения прикладных вопросов (в частности, нормирования состояния экосистем). Группой А.П. Левича с соавторами для решения этих проблем был разработан метод расчета границ Локальных экологических норм (метод ЛЭН), предполагающий переход от количественных переменных к качественным классам этих переменных.

Метод ЛЭН позволяет: 1) выявлять факторы, существенно влияющие на индикатор; 2) рассчитывать взаимосогласованные границы классов индикатора и границы классов фактора; 3) упорядочивать исследуемые факторы по частоте их сопряженности с ухудшением состояния индикатора; 4) рассчитывать достаточность программы наблюдения за исследуемым объектом и давать рекомендации по ее сокращению или расширению; 5) помогать в выборе индикаторной характеристики состояния исследуемого объекта.

Метод ЛЭН апробирован на данных по влиянию: 1) качества вод на состояние фитопланктонных сообществ Нижней Волги (показатели видовой и размерной структуры) и Рыбинского водохранилища (показатели видовой и размерной структуры, показатели флуоресценции); 2) состава питьевых артезианских вод на здоровье населения Тамбовской области; 3) загрязнения тяжелыми металлами на состояние микробного сообщества почв провинции Павия (Италия).

30.03.2017 Наталья Сергеевна Дегтерева (МГУ имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра биофизики). Сравнение кривых индукции флуоресценции для разных видов водорослей, обработанных диуроном.

Разрабатывается математический аппарат для анализа фаз кривых индукции флуоресценции хлорофилла.

Методом мультиэкспоненциальной аппроксимации (МЭА) были проанализированы кривые индукции флуоресценции для некоторых видов водорослей, обработанных диуроном (DCMU). Рассматривались зеленые водоросли Chlorella, Ankistrodesmus и желто-зеленых водоросли Pleurochloris, выращенные при двух разных интенсивностях света, 8 Вт/м² и 16 Вт/м². Для водорослей Chlorella на индукционных кривых была выявлена дополнительная фаза.

Рассмотрена детальная математическая модель переходов в фотосистеме II применительно к индукционным кривым, полученным на культуре после добавления диурона. Обнаружено, что дополнительные фазы на индукционной кривой сопровождаются накоплением состояний фотосистемы II с двумя электронами: на феофитине и первичном акцепторе Qa.

06.04.2017 Федоров Владимир Андреевич (МГУ имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра биофизики). Роль электростатических взаимодействий в формировании комплекса белков пластоцианина и цитохрома f высших растений и цианобактерий.

Белок-белковые взаимодействия составляют основу функционирования живой клетки. Экспериментальными и вычислительными методами было показано, что взаимодействие белков пластоцианина и цитохрома f в цианобактерии Phormidium laminosum не зависит от ионной силы раствора, что является отличительной особенностью данного организма. Так же экспериментально были получены структуры предварительного и функционально активного комплекса для цианобактерии Nostoc. В работе на основе вычислительного эксперимента производится реконструкция процесса сближения молекул белков пластоцианина и цитохрома f трех различных видов организмов и проводится анализ электростатически выгодных взаимных ориентаций, которые белки могут претерпевать в процессе образования комплекса.

Предложен оригинальный подход к реконструкции последовательности событий, происходящих при диффузионном сближении белков, с использованием методов броуновской динамики и иерархического кластерного анализа. Методом броуновской динамики было получено множество электростатически выгодных взаимных расположений белков, соответствующих состоянию диффузионного захвата, и при помощи иерархического кластерного анализа были установлены наиболее типичные структуры таких комплексов. Проведен сравнительный анализ электростатически выгодных взаимных расположений белков пластоцианина и цитохрома f из высших растений и цианобактерий. Выявлены различия степени и специфики влияния дальнодействующих электростатических взаимодействий на взаимную ориентацию белков из разных организмов. Установлены возможные пути дальнейших трансформаций при образовании белками функционально активного комплекса.

20.04.2017 Татьяна Галочкина (МГУ имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра биофизики; Institut Camille Jordan, Université Lyon 1, Villeurbanne, France). Математическое моделирование активации контактного пути свертывания крови на агрегатах липополисахаридов.

Тромбоз является одним из наиболее серьезных осложнений грамотрицательного сепсиса. Основным компонентом наружной мембраны клеточной стенки грамотрицательных бактерий являются липополисахариды (ЛПС). При попадании в кровь при сепсисе, ЛПС вызывают сильный иммунный ответ, сопровождающийся патологическим свертыванием крови. Детали задействованных механизмов все еще до конца не изучены. Предполагается, что ЛПС вызывают образование кровяных сгустков как из-за повреждения и воспаления стенок кровеносных сосудов, так и за счет запуска системы внутреннего пути свертывания крови. В докладе будут рассмотрены математические модели второго процесса на разных пространственных масштабах. Будет рассмотрена реакционно-диффузионная модель каскада свертывания крови, ведущего к образованию тромбина и последующему формированию кровяного сгустка. Для данной модели будут выведены условия существования решений типа бегущей волны, а так же проанализирована сходимость решения системы к бегущей волне в зависимости от начальных условий. Также будет рассмотрен начальный этап активации системы свертывания за счет активации контактного пути на агрегатах ЛПС. Соответствующая кинетическая модель, валидированная на экспериментальные данные, позволяет оценить влияние количества доступных сайтов связывания на поверхности ЛПС-агрегатов на интенсивность активации контактной системы, и как следствие, на вероятность тромбообразования.

27.04.2017 Ирина Георгиевна Стриж (МГУ имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра физиологии растений). Влияние света на рост корня Arabidopsis thaliana.

Свет является одним из ключевых факторов, регулирующих рост корня растений: он может проникать непосредственно сквозь почвенный субстрат, при этом происходит качественное и количественное изменение спектрального состава. Предполагается, что такое изменение обусловлено разным распределением фоторецепторов в зонах роста корня. Для растений особенно важно восприятие света на начальных стадиях развития, а для прорастания классического модельного объекта биологии Arabidopsis он необходим. Мы обнаружили светозависимую индукцию активных форм кислорода, участвующих в росте корня, в этиолированных проростках Arabidopsis. Эксперименты с классическими и доминантными мутантами по фоторецепторам как синего, так и красного света не позволяют дать однозначный ответ об их участии в этом явлении.

18.05.2017 Анастасия Никитична Свешникова (МГУ имени М.В. Ломоносова, физический факультет, кафедра биофизики). Определение механизмов образования прокоагулянтных тромбоцитов и их роли в гемостазе.

Тромбоциты - безъядерные клетки размером 1-2 мкм, циркулирующие в кровотоке, основной функцией которых является образование агрегата, позволяющего закупорить повреждение в сосуде. Активация тромбоцита происходит при контакте с растворимыми (тромбин, АДФ) и нерастворимыми (коллаген) агонистами, при этом основной реакцией тромбоцитов является активация интегринов, дающая способность к агрегации. Кроме этого стандартного ответа, наблюдается явление «сверхактивации», когда часть популяции тромбоцитов не образует агрегаты, однако на поверхности этих тромбоцитов на несколько порядков ускоряются реакции, приводящие к полимеризации фибрина и «желированию» плазмы крови. Благодаря этой способности катализировать реакции свертывания крови, сверхактивированные тромбоциты получили название «прокоагулянтные». Обе популяции тромбоцитов необходимы для нормального тромбообразования, однако механизмы, влияющие на разделение изначально гомогенной популяции тромбоцитов на две части, изучены плохо, как и механизмы мембранно-зависимых реакций свертывания плазмы крови на их поверхности.

Настоящая работа посвящена в первую очередь определению внутриклеточных сигнальных механизмов, управляющих разделением тромбоцитов на две популяции в зависимости от активации. Эта цель достигается построением серии механизменных математических моделей внутриклеточной сигнализации, описывающих ключевые сигнальные пути в тромбоците, с поэтапной валидацией их на экспериментальных данных. Все построенные модели являются системами обыкновенных дифференциальных уравнений или дифференциальных уравнений в частных производных, интегрируемыми стандартными стохастическими или детерминистическими численными методами. Оценка параметров моделей по экспериментальным данным проводилась методом эволюционного программирования.

В результате работы было продемонстрировано, что формирование прокоагулянтной субпопуляции может быть объяснено редким вариантом запрограммированной клеточной смерти, митохондриального некроза. Было показано, что стимуляция тромбоцитов ведет к развитию осцилляций концентрации йонов кальция в цитозоле клетки, частота которых определяется уровнем стимуляции. При достаточно высокой частоте начинается накопление кальция в матриксе митохондрий, что может привести к их коллапсу и гибели клетки. При этом наблюдаемое в эксперименте явление синергии между парой рецепторов в эффективности образования прокоагулянтой популяции было объяснено взаимодействием сигналов от этих рецепторов на уровне фосфолипазы C и связанным с этим увеличением частоты осцилляций концентрации кальция в цитозоле. Этот механизм был подробно разобран для двух пар рецепторов: PAR1/PAR4 и PAR1/P2Y12. В каждой паре второй рецептор не в состоянии сам по себе вызвать образование прокоагулянтных тромбоцитов, однако многократно увеличивает размер этой субпопуляции, вызываемой первым рецептором. В обоих случаях второй рецептор приводит к незначительному увеличению частоты и заметному увеличению продолжительности осцилляций, что увеличивает вероятность коллапса митохондрий.

Таким образом, кроме определения механизма образования прокоагулянтных тромбоцитов, в работе продемонстрирована существенная роль комбинации активаторов в этом процессе. Настоящее исследование также позволило выявить новые реакции и механизмы мембранно-зависимых процессов на поверхности прокоагулянтных тромбоцитов. Интересно, что почти все они имеют существенное значение в присутствии потока, что предполагает новый, «гидродинамический» взгляд на биохимию свертывания.

01.06.2017 А. В. Семьянов (НИИ Нейронаук, ННГУ им. Н. И. Лобачевского). Нейрон-глиальные взаимодействия в мозге.

Головной мозг зачастую рассматривается как большой нейронный коннектом, в котором информация кодируется в паттернах потенциалов действия и сохраняется в виде синаптической пластичности или появлении новых синаптических связей. Однако, недавние исследования показали, что астроциты обладают сложными паттернами кальциевых событий, которые изменяются под действием нейронной активности. Эти кальциевые ответы регулируют различные астроцитарные функции, включая высвобождение глиопередатчиков и морфологические изменения астроцитарных отростков. Таким образом, можно предположить, что информация в астроцитах кодируется в виде частоты кальциевых событий, по принципу формирования паттернов нейронных потенциалов действия. Было выдвинуто предположение, что высвобождаемый синапсами глутамат запускает кальциевые события в тонких перисинаптических отростках астроцита (ПОА) посредством активации метаботропных рецепторов глутамата (mGluR). Однако, наши исследования показали, что кальциевые депо, необходимые для запуска кальциевых ответов посредством mGluR отсутствуют в ПОА. Таким образом, роль значительная роль mGluR в запуске кальциевых событий в ПОА маловероятна. С другой стороны, мы показали, что активация «внесинаптических» mGluR в астроцитах приводит к увеличению размеров, спонтанно возникающих в этих клетках, кальциевых событий, без существенного увеличения их частоты. Данные результаты указывают на то, что астроцитарный ответ на нейронную активность кодируется в изменениях пространственных характеристик кальциевых событий, что является принципиально отличным от кодирования информации в нейронах в виде временных последовательностей потенциалов действия.

01.06.2017 Владимир Николаевич Морозов (Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет, кафедра ускорителей и ядерной медицины; лаборатория планирования и обеспечения радиационной безопасности медицинского облучения ФМБЦ им. А.И. Бурназяна). Наночастицы – модификатор дозы для лучевой терапии.

Использование химических модификаторов дозы является одним из наиболее перспективных направлений среди различных способов увеличения эффективности лучевой терапии. Из многообразия веществ, обладающих радиосенсибилизирующим действием, наночастицы представляют собой перспективный класс препаратов благодаря широким возможностям модификации формы и размеров, функционализации поверхности. Среди различных металлических наночастиц золотые наночастицы обладают наименьшей токсичностью и имеют высокую биосовместимость.

В докладе будут рассмотрены наиболее значимые достижения с начала исследования наночастиц золота в качестве радиосенсибилизаторов (2004 г.) по настоящее время: основные физические принципы усиления дозы при использовании ионизирующих излучений различной природы; компьютерное моделирование процессов взаимодействия ионизирующего излучения с наночастицами золота, LEM-модель и микродозиметрия; зависимость эффекта радиосенсибилизации от параметров облучения, используемого биологического материала, физико-химических свойств наночастиц; основные проблемы и вызовы, а также перспективы клинического использования.

08.06.2017 Ольга Немченко (Первый МГМУ им. И.М. Сеченова). Нестационарный поток Эрланга гидрофильных пор, возникающих при температурном фазовом переходе.

По экспериментальным данным, полученным в плоcкиx биcлойныx липидныx мембpанаx из дипальмитоилфоcфатидилxолина пpи темпеpатуpе фазового пеpеxода в 1 М pаcтвоpе LiCl пpи добавлении водоpаcтвоpимыx молекул полиэтиленгликоля pазличной молекуляpной маccы, иccледована cтатиcтика вpемен откpытого и закpытого cоcтояний липидныx поp.

Гиcтогpамма длительноcти импульcов и гиcтогpамма межимпульcныx интеpвалов имеют неэкcпоненциальный xаpактеp, имеется xаpактеpный ненулевой макcимум. Появление гидрофильных пор рассматривается как нестационарный поток Эpланга.

Для моделиpования пpоцеccа возникновения гидpофильных поp в липидном биcлое пpи фазовом пеpеxоде иcпользовано уpавнение Cмолуxовcкого, опиcывающее диффузию поp в пpоcтpанcтве pадиуcов. Введен иcточник гидpофобныx поp, что отpажает появление добавочныx дефектов в биcлое, вызванное уменьшением площади молекулы липида в плоcкоcти биcлоя пpи пеpеxоде из жидкокpиcталличеcкого cоcтояния в гель.

15.06.2017 Павел Андреевич Ермаченко (ООО «Биосфера и Экотехнологии», Ростов-на-Дону; neo-ecology@mail.ru). Анализ флуоресценции фитопланктона по модели ФС II при исследовании механизмов восстановления биопродуктивности водохранилища на балке «Темерник» в результате «летования».

Современные неинвазивные методы исследования фотосинтезирующих образцов применены с целью мониторинга годового цикла восстановления устойчивой биопродуктивности (летования) водоема верхнего течения реки Темерник г. Ростова-на-Дону.

Для предварительного анализа кривые индукции флуоресценции (ИФ) лабораторного штамма Chlorella измерили на флуорометрах – стационарном (при PFD 7500 μmol photons m^-2 s^-1) и портативном (4500 μmol photons m^-2 s^-1).

На центрифугированных пробах фитопланктона прудов с помощью портативного флуорометра измерили ИФ на интервале до 1 секунды после 5-ти минут темновой адаптации. Для анализа результатов измерений кривых ИФ применили разработанную на кафедре биофизики МГУ модель фотосистемы II (ФС II) [1,2].

Данная работа предлагает развитие методов мониторинга природных фотосинтезирующих систем для восстановлении их устойчивого функционирования с высокой биопродуктивностью.

1. Lebedeva G, Belyaeva N, Demin O, Riznichenko Yu, Rubin A (2002) Biophysics 47:968-980

2. Belyaeva N, Bulychev A, Riznichenko G, Rubin A (2011) Biophysics, 56:464-477

07.09.2017 Татьяна Юрьевна Плюснина (МГУ имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра биофизики). Математическая модель процессов переноса фотосистемы II как инструмент для обработки кривых индукции флуоресценции.

Разработана математическая модель ФС II под действием DCMU, включающая детальное описание переходов на донорной стороне ФС II и восстановление первичного хинона Qa. Учет иерархии времен на разных стадиях переноса электрона позволил редуцировать модель. Упрощенная модель, состоящая из трех дифференциальных уравнений, позволяет получить аналитическое решение, представляющее сумму трех экспоненциальных функций, характерные времена которых выражаются через константы элементарных стадий исходной детальной модели.

Полученное аналитическое решение было использовано для оценки состояния кислород выделяющего комплекса по кривым индукции флуоресценции. Был проведен анализ экспериментальных кривых индукции флуоресценции, полученных на разных стадиях роста накопительной культуры микроводорослей при истощении азота в среде. Показано, что наступление голодания по азоту сопровождается изменением константы перехода S1-S2 кислородвыделяющего комплекса.

14.09.2017 Туровский Ярослав Александрович (Воронежский государственный университет). Опыт оценки структуры частотных компонентов биомедицинских сигналов на основе вейвлет-преобразования (на примере ЭЭГ и ВСР).

В докладе будет представлен метод оценки структуры частотных компонентов биомедицинских сигналов различной природы на основе анализа матриц коэффициентов непрерывного вейвлет-преобразования.

Рассмотрены подходы по поиску самоподобия сигналов, оценка нестационарных фрагментов, «структуры» частотных компонентов «фоновых» сигналов и переходных процессов ЭЭГ и ВСР. Обсужден вопрос о физиологической интерпретации результатов расчетов.

Продемонстрированы клинические применение ряда алгоритмов, а также применение в задачах анализа вызванных потенциалов ЭЭГ и функциональных проб ВСР.

Обсуждены технические особенности реализации алгоритмов и создания программно-аппаратных решений для обработки сигналов в реальном масштабе времени.