Шановні колеги, вітаю Вас! Науковий семінар «Актуальні проблеми сучасної біохімії» нашого Інституту продовжує свою діяльність. 11-го лютого (вівторок) 2020 р. о 10-30 в Актовій залі Інституту будемо слухати доповідь канд. біол. наук доцента Національного авіаційного університету (Київ) КЛЮЧКО Олени Михайлівни «НАУКОВІ ОСНОВИ СТВОРЕННЯ БІОІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ ЕКОЛОГІЧНОГО МОНІТОРИНГУ: БІОТЕХНОЛОГІЧНИЙ ПІДХІД». Мова йде за апробацію матеріалів майбутньої докторської дисертації. До цього листа, як завжди, додаємо тези авторської доповіді. Запрошуємо Вас та Ваших колег до участі у роботі нашого семінару.
З повагою – С.О.Костерін.
НАУКОВІ ОСНОВИ СТВОРЕННЯ БІОІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ ЕКОЛОГІЧНОГО МОНІТОРИНГУ: БІОТЕХНОЛОГІЧНИЙ ПІДХІД
Ключко Олена Михайлівна, канд. біол. наук, інженер-програміст (спец.комп.наук), доцент кафедри електроніки, робототехніки, та моніторингу, Національного авіаційного університету, Київ
Актуальність виконаних робіт полягає в необхідності удосконалення та розробки нових сучасних методів біотехнології, у першу чергу таких, за якими біологічні проблеми вирішують за допомогою обчислювальних та програмних методів, оскільки це є принципово важливим для успішного керування процесами у біотехнології та суміжних галузях. На сучасному етапі необхідним для цього є експериментальне та теоретичне обгрунтування застосування інформаційно-комп’ютерних технологій (ІКТ) у біології та медицині, з наступним створенням новітньої біоінформаційної системи з базами даних «ЕкоІС» для застосування її, наприклад, для реєстрації та аналізу даних досліджень впливу різних речовин на організми, їх клітини (в т. ч. впливу похідних фенолу та індолу з поліаміновими ланцюгами різного ступеня складності, встановлення принципів, закономірностей їх дії); а також для дослідження інших складних біологічних систем. Актуальним є також наступна розробка нових методів якісного та кількісного аналізу шкідливих хімічних речовин на основі комплексної комп’ютеризованої системи «ЕкоІС» для екомоніторингу у 3-х інтервалах часу після дії на організм таких речовин; у цій системі виконується збір та обробка даних, упорядкованих у базах даних (БД). Виконання таких робіт є надзвичайно важливим напрямком сьогодення та відноситься до «золотого напрямку» сучасної біотехнології.
Мета виконаних робіт – розробити теоретичні основи біотехнології для моніторингу похідних фенолів та індолів у довкіллі, їх якісного та кількісного аналізів та відповідних супутніх методик, а також експериментально обгрунтувати розробку нових біоінформаційних систем з базами даних з результатами досліджень трансмембранних електричних хемоактивованих струмів на мембранах нейронів, інших властивостей клітин та організмів.
В ході виконання роботи необхідно було зробити дослідження різноманітних явищ при дії специфічних токсинів (похідних фенолу та індолу з поліаміновими замісниками різного рівня складності) на нейрони, дослідити явища на ансамблях нейронів, інших біооб’єктах; виконати експериментальне та теоретичне обгрунтування створення нових біоінформаційних, біотехнічних систем. Для цього необхідно було розв’язати нові задачі, які неможливо було вирішити раніше, на попередньому етапі науково-технічних досліджень.
Вперше було отримано ряд науково-технічних результатів, деякі з них перелічено нижче.
- Розроблено біотехнологічні методи отримання суспензій життєздатних ізольованих нейронів головного мозку ссавців (дисоціацією комплексами протеаз з A.oryzae, S.grizeus та/або їх сумішами з ін. ферментами, градуальною зміною концентрацій компонентів розчинів на різних стадіях процесів, режимів здійснення процесів, тощо), а також наступного довготривалого переживання їх в умовах первинної клітинної культури. Розроблено відповідні програмні моделі станів отриманих продуктів, у т.ч. різного характеру поширення сигналів у 2D моделі культури нейронів, ін.
- Виконано експериментальне дослідження в умовах фіксації потенціалу трансмембранних хемоактивованих струмів через поверхневі мембрани нейронів, впливу на струми блокаторів-токсинів – ароматичних вуглеводнів (фенол-та індол- похідних з поліаміновими замісниками різного рівня складності) та запропоновано фізичні молекулярні моделі дії деяких токсинів на канало-рецепторний комплекс (КРК) мембран нейронів мозку біологічних організмів різних рівнів ієрархії.
3. Виконано аналіз отриманих даних, математичне та/або програмне моделювання окремих явищ. Вирішена зворотна задача, що дозволяє приблизно визначати токсин за встановленими закономірностями характеру блокування трансмембранних електричних хемоактивованих струмів, відповідно запропоновані нові методи якісного та кількісного аналізів похідних фенолів та індолів, що дозволить подальшу розробку засобів з нейтралізації таких токсинів у довкіллі.
- Розкрито молекулярний механізм впливу досліджених токсичних речовин на електричні струми через КРК нейронів мозку та створено програмні та математичні моделі цих процесів та елементів біотехнічних пристроїв, у т.ч. розроблено новітню модель нано-комірки штучної молекулярної пам’яті, тощо.
- Запропоновано метод оптичної реєстрації деяких функціональних станів клітинних та молекулярних структур нейронів мозку із застосуванням прижиттєвих флюоресцентних маркерів (примулін, біс бензимід);
- Розроблена комплексна біоінформаційна, біотехнічна система «ЕкоІС» для збору та обробки даних на основі баз даних (внаслідок реалізації пп. 2-5). Система може бути застосована для широкомасшабного моніторингу шкідливих та токсичних похідних фенолів та індолів у 3-х інтервалах часу після дії речовини на організм, вирішення ряду інших задач. Система включає бази даних про відповідні хімічні речовини, про біоіндикатори - нічниці (Noctuidae, Lepidoptera) з урахуванням специфіки біооб’єкту та деякі інші. У складі «ЕкоІС» розроблено аналітичну експертну підсистему, автоматизовані електронні робочі місця (ЕРМ) із застосуванням створених баз даних, мережевих технологій при використанні їх у природоохоронних системах посприяють підвищенню якості вітчизняних наукових досліджень, а також удосконаленню природоохоронних методів, у т.ч. у екології, сільському господарстві для захисту організмів від шкідливих та токсичних речовин та ін.
- Запропоновані розроблені новітні біотехнологічні підходи та методи для екомоніторингу, у т.ч. в Україні у регіонах важкодоступних (Карпати) та промислових забруднених (Дніпропетровська область, Донбас).
Результати у різних своїх частинах та в різний час розроблялися та були втілені у Інституті фізіології ім. Богомольця НАН України, Національному Авіаційному університеті, Уманському педагогічному університеті, застосовані для моніторингу в Карпатах, зап. «Стрільцівський степ» (Донбас, Україна), на науковій базі АН України МЦАМЕД на Кавказі, Кабардино-Балкарська АО (РФ, 2002-2009).
На всі основні розроблені біотехнологічні способи та пристрої отримані та опубліковані 16 патентів на корисні моделі. Загальне число публікацій за результатами виконаних робіт становить 216, з них 3 монографії, 80 статей у фахових виданнях (вітчизняних та зарубіжних), 105 статей та тез у матеріалах конференцій (індекс Гірша=12).