ОСНОВНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ

Лаборатория в ее нынешнем формате сформирована в 2013 году на основе лаборатории эволюционной биохимии и группы «Биологическое окисление в экстремальных условиях».

В ходе работы лаборатории были получены следующие результаты:

• Исследована взаимосвязь накопления активных форм кислорода (АФК), функционирования антиоксидантных систем и протекания процесса программируемой клеточной смерти у дрожжей различных экологических групп. На мезофильном штамме дрожжей Endomyces magnusii показано, что значительная активность системы антиоксидантной защиты в дрожжах Е. magnusii может являться фактором, препятствующим нарушению функционирования митохондрий и последующим необратимым изменениям клеточной физиологии. На основе детекции уровня свободных радикалов, генерируемых в клеточной суспензии дрожжей Yarrowia lipolytica, продемонстрированы основные аспекты адаптивной стратегии этого штамма в условиях повышенных рН среды. Показано участие митохондриального компартмента в адаптации клеток дрожжей Y. lipolytica к экстремальным условиям существования, которое затрагивает активную индукцию альтернативной оксидазы митохондрий, наряду с антиоксидантными ферментными системами (главным образом, каталазами), и снижает вредоносное воздействие активных форм кислорода в условиях экстремальных рН.
• Сформированы базовые представления о фотохимии ранее малоисследованного класса биомолекул – птеринов, в том числе, птериновых коферментов. Впервые установлена способность возбужденных молекул птеринов (в том числе, восстановленных форм) вступать в редокс реакции, выяснен механизм ряда реакций, показана генерация птеринами синглетного кислорода, проведена оценка фотоустойчивости и раскрыт механизм фотодеградации ряда коферментов. (Крицкий М.С., Людникова Т.А., Телегина Т.А., Вечтомова Ю.Л., Буглак А.А.). На основании полученных результатов сформулированы гипотезы о роли фотохимических процессов с участием производных птеридина (птеринов и флавинов) в ранней эволюции, в том числе, значения этих процессов как конкурентов хлорофилльного фотосинтеза (М.С.Крицкий). Развиты представления о значении матричных (связанных с поверхностью) фотохимических процессов синтеза органических молекул в абиогенезе (В.А.Отрощенко, Телегина Т.А.). На основе исследования фотохимии птеринов и фолатов предложена и запатентована (2004 г.) новая малозатратная и экологически-дружественная технология синтеза широкопрофильного (прежде всего, используемого в противораковой терапии) лекарственного препарата — кальция фолината (Крицкий М.С,. Телегина Т.А, Вечтомова Ю.Л.).
• В лаборатории разрабатывается новое направление в биокатализе – фотокатализ окислительно-восстановительных процессов при сопряженном безмедиаторном действии неорганических полупроводников и ферментов. Созданы фотобиокатализаторы нового типа на основе наноструктурированных пленок неорганических полупроводников, ферментов и фотосинтетических пигмент-белковых комплексов. Получены фотокатализаторы и разработаны новые способы фотокаталитического получения молекулярного водорода и фотогенерации восстановленных форм никотинамидных и флавиновых коферментов. Разработаны методы иммобилизации ферментов и фотосинтетических пигмент-белковых комплексов в мезопористых полупроводниковых носителях. На разработки в этом направлении получено четыре отечественных патента. За изобретение по патенту РФ № 2322498 Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН награжден Дипломом Роспатента в номинации «100 лучших изобретений России».
• С использованием модельного объекта гриба-аскомицета Neurospora crassa в лаборатории проводятся исследования по изучению роли азотного метаболизма в механизме фоторецепции грибов, возможности регуляции светозависимой дифференцировки грибов при помощи соединений различной природы и оценке фунгицидной активности мультифункциональных биоактивных наноструктурных пленок различного состава.

С 2004 года лаборатория по настоящее время наши исследования поддерживалась Программой фундаментальных исследований Президиума РАН по проблеме эволюции биосферы. В лаборатории получены гранты Министерства образования и науки РФ и РФФИ.

Лаборатория тесно сотрудничает с целым рядом отечественных и зарубежных институтов: МГУ им.М.В. Ломоносова, Институтом физико-химической биологии им.А.Н.Белозерского, ФГУП ГНЦ РФ «ГосНИИгенетика», ГУ НИИ эпидемиологии и микробиологии им.Н.Ф.Гамалеи, РХТУ им. Д.И.Менделеева, Институтом микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Институтом физиологии растений им. К.А.Тимирязева РАН, Институтом биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина (г. Пущино), Институтом теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино), Институтом физики Санкт-Петербургского государственного университета, Московским государственным университетом тонких химических технологий имени М.В.Ломоносова, Институтом микробиологии и вирусологии АН Украины им. Д. К. Заболотного, Киев (Украина), Институтом биофизики и клеточной инженерии НАН республики Беларусь (Минск), Department of Applied Chemistry and Microbiology, Viikki Biocenter, Helsinki University, Department of Molecular Neurology, Institute of Biothechnology, prof. N.-E. Saris (Финляндия), Institut fur Medizinische Chemie und Biochemie der Leopold-Franzens Universitat Innsbruck (Австрия).

Сотрудники лаборатории ежегодно участвуют в различных отечественных и международных мероприятиях в качестве экспертов, докладчиков и слушателей. Сотрудники регулярно выступают с устными докладами, в том числе, с приглашенными лекциями, на авторитетных международных и отечественных конференциях и симпозиумах. В 2014 г. лаборатория являлась организатором Международной конференции «Проблема происхождения жизни», посвященной 120-летию со дня рождения выдающегося русского ученого Александра Ивановича Опарина и 90-летию выхода в свет его классической книги «Происхождение жизни».

В лаборатории постоянно ведется работа с молодежью и проводится работа по подготовке молодых специалистов. На базе лаборатории проводится лабораторный практикум по физиологии и биохимии грибов для студентов 4 курса кафедры микологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Сотрудники лаборатории преподают в Московском Институте Тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова курс лекций по биохимии для магистров 5 и 6 курса Кафедры Химии и технологии биологически активных соединений им. Н.А. Преображенского. За время существования Лаборатории по тематике исследований были защищены 3 бакалаврские и 1 магистерская работы.

Основные научные достижения лаборатории:
1. Создана уникальная коллекция мутантов по регуляции активности ферментов окисления спиртов (Mth-мутантов) и метаболических мутантов метилотрофных дрожжей Pichia methanolica. Разработаны методы генетического и биохимического анализа полученных линий. Изучены регуляторные механизмы биосинтеза и транслокации в пероксисомы основного фермента утилизации метанола алкогольоксидазы. Исследована взаимосвязь между тиоловым статусом клетки и биосинтезом и активностью пероксисомальных ферментов. Показано существование общих регуляторных элементов при функционировании генов AOX1 и CTA1, кодирующих пероксисомальные алкогольоксидазу и каталазу.

2. На основе детекции уровня свободных радикалов, генерируемых в клеточной суспензии дрожжей Y. lipolytica, продемонстрированы основные аспекты адаптивной стратегии этого штамма в условиях повышенных рН среды. Показано участие митохондриального компартмента в адаптации клеток дрожжей Y. lipolytica к экстремальным условиям существования, которое затрагивает активную индукцию альтернативной оксидазы митохондрий, наряду с антиоксидантными ферментными системами (главным образом, каталазами), и снижает вредоносное воздействие активных форм кислорода в условиях экстремальных рН.

3. В нашей лаборатории были выделены и отселекционированы штаммы дрожжей-термофилов: термотолерантных (Candida krusei и Candida blankii, растущих при 39°C и 43°C соответственно) и истинных термофильных (Arxula adeninovorans, имеющих оптимальную температуру культивирования 48-50°C) (патенты № 997459 Родионова Г.С., Исакова Е.П., Брусницына Т.Ю. и др. Штамм дрожжей Candida crusei – продуцент белковой биомассы. Зарег. 14.10.1982; № 1540266 Исакова Е.П., Шерова Т.Л., Салтыкова Л.З. и др. Питательная среда для выращивания дрожжей рода Candida. 1.10.1989). Исследованы и охарактеризованы особенности энергетического обмена термофильных дрожжей Candida blankii и Candida krusei в условиях мезотермии и максимально высоких температур. На термофильных штаммах были показаны высокая степень лабильности мембранных липидов и консервативность энергетического обмена дрожжей, обеспечивающие эффективный рост штаммов в ходе культивирования при высоких температурах (43-45°C).

4. На мезофильном штамме дрожжей Endomyces magnusii показано, что значительная активность системы антиоксидантной защиты в дрожжах Е. magnusii может являться фактором, препятствующим нарушению функционирования митохондрий и последующим необратимым изменениям клеточной физиологии.

5. Выявлены особенности роста и метаболизма 5 штаммов грибов из зоны отчуждения чернобыльской АЭС и 4х штаммов из зон с фоновым уровнем радиоактивного загрязнения.  У грибов из радиационно-загрязненных зон выявлена повышенная устойчивость к окислительному стрессу на фоне низкого содержания глюкозы. Проведена полная аннотация геномов 3х штаммов Purpureocillium lilacinum из чернобыльской зоны и 2х штаммов из зон с фоновым уровнем радиации. Выявлено незначительное изменение генома грибов зоны ЧАЭС по сравнению с грибами из фоновых экотопов.

6. Проведено тестирование полученных в МИТХТ природных аналогов гидроксилированных производных ПНЖК и изучено их действие на рост и размножение Neurospora crassa. Показано, что действие оксигенированных производных характерной для грибов линолевой кислоты на процессы их размножения проявляется сильнее, чем оксилипинов- производных линоленовой и арахидоновой кислот. Фоторецепторный комплекс Neurospora crassa принимает участие в ходе передачи сигнала оксилипинов в ходе полового воспроизведения. Эти исследования перспективны для разработок получения ПНЖК из грибов и выработки стратегии борьбы с паразитными грибами.

7. Проведена сравнительная характеристика антиоксидантных защитных систем (АЗС) дикого типа N.crassa и мутантов по фоторецепторному комплексу. Впервые показана роль альтернативной оксидазы и каталазы как основных АОЗ у мутантных штаммов, что сильно отличает их от дикого типа, у которого АОЗ представлена СОД и каротиноидными пигментами. Это исследование приближает к пониманию трансдукции сигнала АФК у грибов в стрессорных условиях.

8. Показано влияние света на выход нитрата и нитрита (катаболитов NO) из клеток мутантов N.crassa. Выявлена ферментативная активность и обнаружен белок, сходный по ряду свойств с индуцибельными NO-синтазами животных. Результаты важны для оценки роли неорганических регуляторов, в том числе, NO, в клетках N.crassa.

7. Выявлен и исследован цикл редокс-фотореакций биоптерина и его восстановленных производных. Обнаружено различие химического механизма фотовосстановления фолиевой кислоты и неконъюгированных птеринов. Установлен ряд структурно-функциональных особенностей молекул, которые важны как селективные признаки при отборе коферментов на роль фотосенсоров в белках.

9. Показана возможность олигомеризации нуклеозидмонофосфатов и аминокислот, сорбированных на минеральной матрице, предварительно облученной ультрафиолетом.

10. Разработаны методы совместной иммобилизации пигмент-белкового комплекса фотосистемы 1 (ФС1) и ферментов на мезопористом полупроводниковом носителе, полученном из наночастиц диоксида титана. Получены фотобиокатализаторы образования водорода и синтеза восстановленных никотинамидных коферментов под действием ближнего УФ и видимого света на основе ФС1 цианобактерии Synechocystis sp., гидрогеназы Thiocapsa roseopersicina или ферредоксин-NADP-редуктазы шпината, совместно иммобилизованных на нанопористых пленках TiO2.

В лаборатории постоянно ведется работа с молодежью и проводится работа по подготовке молодых специалистов. На базе лаборатории проводится лабораторный практикум по физиологии и биохимии грибов для студентов 4 курса кафедры микологии и альгологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. На той же кафедре читается спецкурс по дифференцировке у грибов, готовятся курсовики и дипломники. Сотрудники лаборатории преподают в Московском Институте Тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова курс лекций по биохимии для магистров 5 и 6 курса Кафедры Химии и технологии биологически активных соединений им. Н.А. Преображенского. За время существования лаборатории по тематике исследований были защищены 3 бакалаврские и 1 магистерская работы.

СОСТАВ ЛАБОРАТОРИИ

УНИКАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

1. Cooper AJ, Shurubor YI, Dorai T, Pinto JT, Isakova EP, Deryabina YI, Denton TT, Krasnikov BF. ω-Amidase: an underappreciated, but important enzyme in L-glutamine and L-asparagine metabolism; relevance to sulfur and nitrogen metabolism, tumor biology and hyperammonemic diseases. Amino Acids, 2016, 48(1):1-20.
2. Shurubor YI, Cooper AJ, Isakova EP, Deryabina YI, Beal MF, Krasnikov BF. HPLC determination of α-ketoglutaramate [5-amino-2,5-dioxopentanoate] in biological samples. Anal Biochem. 2016, 494:52-4.
3. Shurubor YI, Cooper AJ, Isakova EP, Deryabina YI, Beal MF, Krasnikov BF. Simultaneous determination of tricarboxylic acid cycle metabolites by high-performance liquid chromatography with ultraviolet detection. Anal Biochem. 2016, 503:8-10.
4. Epova EY,u, Balovneva MV., Isakova EP., Kudykina YK., Zylkova MV., Deryabina YI., Shevelev AB. Expression System for Yarrowia lipolytica Based on a Promoter of the Mitochondrial Potential-dependent Porin VDAC Gene Biotechnology and Bioprocess Engineering, 2016, 21: 408-413
5. Shurubor YI, D’Aurelio M, Clark-Matott J, Isakova EP, Deryabina YI, Beal MF, Cooper AJL, Krasnikov BF. Determination of Coenzyme A and Acetyl-Coenzyme A in Biological Samples Using HPLC with UV Detection Molecules. 2017, 23;22(9). pii: E1388.
6. Buglak AA, Telegina TA. A theoretical study of 5,6,7,8-tetrahydro-6-hydroxymethylpterin: insight into intrinsic photoreceptor properties of 6-substituted tetrahydropterins.      Photochem Photobiol Sci. 2019;18(2):516-523.
7. Buglak A.A., Telegina T.A., Vorotelyak E.A., Kononov A.I. Theoretical study of photoreactions between oxidized pterins and molecular oxygen. J Photochem Photobiol A. 2019;372:254-259.
8. K.A. Chekanov, E.R. Schastnaya, K. V.Neverov, S. Leu, S. Boussiba, A. Zarka, A.E.Solovchenko. Non-photochemical quenching in the cells of the carotenogenic chlorophyte Haematococcus lacustris under favorable condition and under stress. BBA: General Subjects, 2019, https://doi.org/10.1016/j.bbagen.2019.05.002
9. Isakova, EP; Matushkina, IN; Popova, TN; Dergacheva, DI; Gessler, NN; Klein, OI; Semenikhina, AV; Deryabina, YI; LaPorta, N; Saris, NEL.   Metabolic Remodeling during Long-Lasting Cultivation of the Endomyces magnusii Yeast on Oxidative and Fermentative Substrate Microorganisms, 2020;8(1):91, DOI: 10.3390/microorganisms8010091.
10. Shevelev, AB; LaPorta, N ; Isakova, EP; Martens, S; Biryukova, YK; Belous, AS; Sivokhin, DA; Trubnikova, EV; Zylkova, MV; Belyakova, AV; Smirnova, MS; Deryabina, YI.       In Vivo Antimicrobial and Wound-Healing Activity of Resveratrol, Dihydroquercetin, and Dihydromyricetin against Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, and Candida albicans. Pathogens, 2020;9(4):296, DOI: 10.3390/pathogens9040296.
11. С. Ю. Филиппович, М. В. Онуфриев, Д. И. Перегуд, Г. П. Бачурина, М. С. Крицкий. No-Синтазная активность в фотоморфогенезе Neurospora сrassa. Прикладная биохимия и микробиология, 2020, том 56, № 4, с. 358–365.
12. И.Г. Шемякин, В.В. Фирстова, Н.К. Фурсова, И.В., Абаев, С.Ю. Филиппович, С.Г. Игнатов, И.А. Дятлов Новые возможности в борьбе с патогенными микроорганизмами. Биохимия, 2020, том 85, вып. 11, с. 1615 – 1632.
13. AA. Zamyatnin and TA. Belozerskaya.        Multiple Diversity of Mitochondrial Cytochrome b Amino Acid Sequences of the Same Length in Animals.  Frontiers in molecular biosciences. 2020; 7:102. doi: 10.3389/fmolb.2020.00102.
14. S.G. Ignatov, P.V. Slukin, O.V. Kalmantaeva, A.G. Voloshin, S.F. Biketov, V.M. Tedikov, O.N. Perovskaya, G.N. Fedjukina, A.S. Kartseva, M.V. Silkina, V.V. Firtstova, I.A. Dyatlov, G.P. Bachurina, S.Yu. Filippovich, D.V. Shtansky.        Chapter 2: Bactericidal, fungicidal and immunomodulating activities of nano-surfaces.   In: Nano-Micro and Nano-Macro Biosensors — Potentials Applications and Possible Limitations Editors: Rai, M., Reshetilov, A., Plekhanova, Y., Ingle, A.P. (Eds.) – Springer, DOI:10.1007/978-3-030-55490-3; eBook ISBN  978-3-030-55490-3; (2020) pp.19-36.
15. S.G. Ignatov, A.G. Voloshin, G.P. Bachurina, S. Yu. Filippovich, I.A. Dyatlov. Chapter 4: Is it possible to detect less than one bacterial cell? -71. In: Nano-Micro and Nano-Macro Biosensors — Potentials Applications and Possible Limitations Editors: Rai, M., Reshetilov, A., Plekhanova, Y., Ingle, A.P. (Eds.) – Springer, DOI:10.1007/978-3-030-55490-3; eBook ISBN  978-3-030-55490-3; (2020) pp. 57.
16. S.G. Ignatov, S. Yu. Filippovich, I. A. Dyatlov Chapter 7: Specific immobilization of rotaviruses for atomic force microscopy using Langmuir antibody films based on amphiphilic polyelectrolytes.          In: Nano-Micro and Nano-Macro Biosensors — Potentials Applications and Possible Limitations” Editors: Rai, M., Reshetilov, A., Plekhanova, Y., Ingle, A.P. (Eds.) – Springer, DOI:10.1007/978-3-030-55490-3; eBook ISBN  978-3-030-55490-3; (2020) pp. 117-132.
17. Вечтомова Ю. Л., Телегина Т. А., Крицкий М. С. Эволюция белков семейства днк‑фотолиаз/криптохромов. Успехи биологической химии, т. 60, 2020, с. 277–316.
18. Isakova E.P., Gessler N.N., Dergacheva D.I., Tereshina V.M., Deryabina Y.I. and Kieliszek M. Lipid Remodeling in the Mitochondria upon Ageing during the Long-Lasting Cultivation of Endomyces magnusii. Applied sciences (Switzerland). 2021; 11(9): 4069. DOI: 10.3390/app11094069.
19. Isakova E.P., Klein O.I., Deryabina Y.I. The Regulation of Non-Specific Membrane Permeability Transition in Yeast Mitochondria under Oxidative Stress. MICROBIOLOGY RESEARCH. 2021; 12(2): 419-439. DOI: 10.3390/microbiolres12020029.
20. Филиппович С.Ю., Бачурина Г.П. Оксид азота в метаболизме грибов. Прикладная биохимия и микробиология. 2021; 57(6): 536-548. DOI: 10.1134/S000368382106003X.
21. Телегина Т.А., Вечтомова Ю.Л., Крицкий М.С., Мадиров Э.И., Низамутдинов А.С., Обухов Ю.Н., Буглак А.А. Фотоокисление тетрагидробиоптерина – ключевой процесс фототерапии витилиго. Прикладная биохимия и микробиология. 2021; 57(5): 441-449. DOI: 10.1134/S000368382105015X.
22. Buglak A.A., Telegina T.A., Vechtomova Y.L., Kritsky M.S. Autoxidation and photooxidation of tetrahydrobiopterin: a theoretical study. Free radical research. 2021; 55(5): 499-509. DOI: 10.1080/10715762.2020.1860213.
23. Vechtomova YL, Telegina TA, Buglak AA, Kritsky MS. UV Radiation in DNA Damage and Repair Involving DNA-Photolyases and Cryptochromes. Biomedicines. 2021; 9(11): 1564. DOI: 10.3390/biomedicines9111564.
24. Zamyatnin A.A., Belozerskaya T.A., Zamyatnin A.A. Taxonomy of Mitochondrial Cytochrome B Proteins of the Same Amino Acid Sequence Length. The scientific world journal. 2021; Vol.2021: 1041818. DOI: 10.1155/2021/1041818.
25. Осинцева О.А., Гесслер Н.Н., Исакова Е.П., Дерябина Ю.И. Природные стильбеновыеполифенолы как цитопротекторы клеток Yarrowia lipolytica при тепловом шоке. Биотехнология. 2021; 37(6): 14-24. DOI: 10.21519/0234-2758-2021-37-6-14-24.
26. Sekova V.Y., Kovalyov L.I., Kovalyova M.A. Gessler N.N., Danilova M.A., Isakova E.P. and Deryabina Y.I. Proteomics Readjustment of the Yarrowia lipolytica Yeast in Response to Increased Temperature and Alkaline Stress.  Microorganisms. 2021; 9(12): 2619. DOI: 10.3390/microorganisms9122619.

1. Тестирование действия различных соединений в качестве регуляторов полового и бесполого циклов развития N. crassa
2. Дизайн и синтез (на основе производных птерина и фолиевой кислоты) соединений, обладающих специфической фармакологической и витаминной активностью
3. Качественный и количественный анализ птеринов и фолатов в химических образцах и биологических объектах