21-го лютого 2025 р. в Інституті біохімії ім. О.В.Палладіна НАН України відбулося чергове засідання загальноакадемічного міждисциплінарного семінару у галузі природничих наук «Актуальні питання фізико-хімічної та математичної біології».
Із доповіддю «Протийони ДНК: від біологічних функцій до технологічних застосувань» виступив директор Інституту теоретичної фізики ім. академіка Боголюбова НАН України доктор фізико-математичних наук ПЕРЕПЕЛИЦЯ Сергій Миколайович.
У своєму вступному слові головуючий – академік НАН України професор С.О.Костерін відзначив, що Сергій Миколайович є фахівцем в галузі теоретичної та обчислювальної біофізики. Він запропонував концепцію динамічної іон-фосфатної ґратки ДНК, описав впорядкування металевих та молекулярних протийонів навколо двоспіральних полінуклеотидів. Зокрема, дослідив вплив протиіонів іон-гідратної оболонки макромолекули ДНК на структуру й динаміку подвійної спіралі. Показав, що за певних умов протиіони разом з фосфатними групами остова макромолекули можуть формувати впорядковану динамічну структуру, подібну до ґратки іонного кристала. Встановив, що важкі іони, такі як Cs+ та Rb+, суттєво впливають на внутрішню динаміку ДНК, що може бути пов’язано з їхнім негативним біологічним впливом. З використанням методу молекулярної динаміки дослідив конформаційний простір молекул природних поліамінів, що взаємодіють з подвійною спіраллю ДНК. Зокрема, розглянув систему «ДНК + молекули спермідину3+». Одержані результати є важливими для розуміння ролі природних поліамінів у механізмах функціонування ДНК. Перепилиця С.М. є Лавреатом премії НАН України імені О.С. Давидова за цикл робіт «Вивчення механізмів утворення комплексів біологічно активних молекул з молекулами ДНК та білків».
Далі слово для міждисциплінарної наукової доповіді було надано С.М.Перепелиці.
Він відзначив, що в природних умовах структура макромолекули ДНК має форму подвійної спіралі, що складається з пар нуклеотидів, послідовність яких кодує генетичну інформацію. Остов подвійної спіралі містить негативно заряджені фосфатні групи, що надає макромолекулі поліелектролітних властивостей. Навколо ДНК конденсуються присутні в розчині позитивно заряджені іони (протийони), в якості яких можуть бути іони металів (K+, Mg2+ та інші), а також молекулярні іони, наприклад, поліаміни. Протийони разом з молекулами води формують навколо ДНК іон-гідратну оболонку, що стабілізує структуру подвійної спіралі і значною мірою визначає її фізичні властивості. Таким чином, іон-гідратну оболонку ДНК можна розглядати як інтегральну частину макромолекули, що є визначальною для механізмів її біологічного функціонування. Доповідач підкреслив, що вирішальна роль іон-гідратного середовища для формування структури подвійної спіралі була виявлена ще в перших роботах з рентеноструктурного аналізу вологих плівок ДНК.
Зокрема, ще в роботах Розалінд Франклін було виявлено конформаційний перехід подвійної спіралі ДНК з В-форми в А-форму, який виникає при зменшенні вологості досліджуваних зразків. Подальші дослідження показали, що для стабілізації подвійної спіралі необхідно приблизно 40 молекул води на пару нуклеотидів залежно від типу протийонів. Протийони можуть розташовуватися в різних областях ДНК, зокрема біля фосфатних груп остова макромолекули та всередині жолобів подвійної спіралі. Вагомий внесок у дослідженні гідратації нуклеїнових кислот та їх комплексів з іонами металів зробили вчені Харківської біофізичної школи.
Попри значний прогрес у вивченні фізичних властивостей ДНК, залишається невирішеною проблема описання розподілу протийонів іонної атмосфери навколо подвійної спіралі, а також роль впливу протийонів на структурну організацію молекул води в гідратній оболонці. Втім, складність пов’язана з тим, що різні іони металів у водному розчині мають різний характер гідратації. Зокрема, існують позитивно гідратовані іони, наприклад Na+, які структурують воду навколо себе, і негативно гідратовані іони, наприклад Cs+, які роблять цю структуру більш рихлою. В результаті іони з різним характером гідратації по-різному впливають на структуру гідратної оболонки подвійної спіралі й мають різний розподіл навколо ДНК загалом.
У доповіді були окреслені деякі фізичні підходи для описання іонної атмосфери ДНК і зокрема висвітлена концепція динамічної іон-фосфатної ґратки, яка була розвинена в Інституті теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України. Також були представлені результати числового моделювання в рамках методу молекулярної динаміки для ДНК з протийонами лужних металів.
Окрему увагу доповідач приділив результатам досліджень взаємодії молекул поліамінів з ДНК. Як відомо, природні поліаміни (путресцин2+, спермідин3+ та спермін4+) присутні в клітині в мікромолярних концентраціях і виконують різні функції, які значною мірою пов’язані з ДНК. Зокрема, спермідин3+ та спермін4+ виконують важливу роль у компактизації ДНК в ядрі клітини, а у водному розчині in-vitro при певній концентрації вони індукують конденсацію макромолекули. У доповіді були представлені останні результати моделювання взаємодії молекул поліамінів з ДНК, зокрема, обговорювалися сиквенс-специфічність взаємодії поліамінів з ДНК, індуковане поліамінами формування міжспіральних ДНК-ДНК контактів, а також роль конформаційної гнучкості молекул поліамінів при їх розташуванні в різних областях подвійної спіралі.
Сергій Миколайович відзначив, що завдяки своїм унікальним властивостям ДНК дедалі частіше використовується як матеріал у нанотехнологіях. В цьому контексті важливим є також те, що ДНК є одним із найпоширеніших біополімерів у природі, загальна маса якого за наближеними оцінками порівнянна з масою викопного палива. Це робить ДНК привабливим матеріалом з практичної точки зору. У доповіді було наведено приклад застосування ДНК в якості електроліту в літій-іонних батареях та продемонстровано результати молекулярно-динамічного моделювання комплексу Li-ДНК, які є важливими для розуміння електролітичних властивостей системи.
Із запитаннями до доповідача та обговоренням доповіді виступили: академік Сергій Комісаренко, академік Анатолій Білоус, член-кор. НАН України Микола Куліш, академік Сергій Костерін, проф. Денис Колибо, академік Антон Наумовець, професор Влада Пашинська, д.б.н. Юрій Данилович, проф. Іван Шафраньош, член-кор. НАН України Ігор Фрицький, проф. Ольга Матишевська, н.співр. Ольга Меженська та інші.
У своєму прикінцевому виступі головуючий академік С.О.Костерін подякував доктору фізико-математичних наук Перепелиці С.М. за цікаву міждисциплінарну доповідь (на стику «Біофізика + Молекулярна біологія + Біофізична хімія + Комп’ютерні технології»). Головуючий побажав Сергію Миколайовичу та його колегам подальших творчих наукових успіхів у вивченні актуальних проблем молекулярної біофізики.
ПОСИЛАННЯ НА ЗАПИС СЕМІНАРУ: https://youtu.be/wn6dqfuMko0
Ф О Т О Р Е П О Р Т А Ж З С Е М І Н А Р У
(фото – к.б.н. М.В.Григор'євої)
Головуючий академік НАН України Сергій Костерін відкриває засідання
На трибуні - доктор фізико-математичних наук Сергій Перепелиця
В залі семінарського засідання
Запитання доповідачеві задає академік НАН України Сергій Комісаренко
Запитання доповідачеві задає академік НАН України Анатолій Білоус
Запитання доповідачеві задає член-кор. НАН України Микола Куліш
Запитання від член-кор. НАН України Ігоря Фрицького
Спільне фото участників семінару
На фото – директор Інституту біохімії ім. О.В.Палладіна НАН України академік Сергій Комісаренко, доповідач - директор Інституту теоретичної фізики ім.М.М.Боголюбова НАН України доктор фізико-математичних наук Сергій Перепелиця та керівник загальноакадемічного міждисциплінарного семінару академік Сергій Костерін.
*********
Шановні коллеги! З того часу, як був започаткований наш загальноакадемічний семінар (квітень м-ць 2023 р.), на його засіданнях з міждисциплінарними науковими доповідями вже виступили 19 доповідачів:
- заступник директора з наукової роботи Інституту проблем математичних машин і систем НАН України член-кореспондент НАН України Ігор Бровченко, доповідь «Математичне моделювання поширення вірусних інфекцій, досвід аналізу і прогнозування епідемії COVID-19 в Україні»;
- директор Навчально-наукового інституту високих технологій Київського національного університету імені Тараса Шевченка доктор хімічних наук професор Ігор Комаров, доповідь «Фотофармакологія та фотодинамічна терапія – вчора, сьогодні, завтра»;
- професор кафедри загальної та медичної генетики Навчально-наукового центру «Інститут біології і медицини» Київського національного університету імені Тараса Шевченка професор Андрій Сиволоб, доповідь «Від нуклеосоми до петельних фрагментів: як топологичні обмеження у хроматині зумовлюють його унікальні властивості»;
- завідувач відділу медичної хімії Інституту органічної хімії НАН України, професор кафедри супрамолекулярної хімії Інституту високих технологій Київського національного університету імені Тараса Шевченка, науковий консультант компанії ТОВ «НПВ «Єнамін»» член-кореспондент НАН України Дмитро Волочнюк, доповідь «Органічний синтез як інструмент для біомедичних досліджень»;
- завідувач лабораторії медико-біологічних досліджень відділу хімії макроциклічних сполук Інституту органічної хімії НАН України кандидат хімічних наук Роман Родік, доповідь «Біомедичний потенціал каліксаренів: літературні дані та результати власних досліджень»;
- професор кафедри загальної фізики та моделювання фізичних процесів фізико-математичного факультету Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» доктор фізико-математичних наук Оксана Горобець, доповідь «Біогенні магнітні наночастинки в організмі, їх роль в метаболізмі та перспективи управління цим процесом»;
- завідувач кафедри біофізики та медичної інформатики Навчально-наукового центру «Інститут біології та медицини» Київського національного університету імені Тараса Шевченка доктор біологічних наук професор Олександр Жолос, доповідь «Рецептор холоду і ментолу TRPM8: від біофізичних і фармакологічних властивостей до біологічних функцій і ризіків гіпотермії»;
- директор Інституту проблем штучного інтелекту МОН України і НАН України член-кореспондент НАН України професор Анатолій Шевченко, доповідь «Пріоритети і виклики реалізації стратегії розвитку штучного інтелекту в Україні»;
- головний науковий співробітник лабораторії біофізики макромолекул відділу теорії нелінійних процесів в конденсованих середовищах Інституту теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України доктор фізико-математичних наук професор Сергій Волков, доповідь «Можлива роль молекул пероксиду водню в йонній терапії ракових клітин»;
- завідувач відділу білкової інженерії та біоінформатики Інституту молекулярної біології та генетики НАН України член-кореспондент НАН України професор Олександр Корнелюк, доповідь «Штучний інтелект і моделювання просторової структури білків»;
- завідувач кафедри фізичної хімії хімічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка член-кореспондент НАН України професор Ігор Фрицький, доповідь «Біоміметичне моделювання металоензимів: від дослідження механізмів до створення інноваційних каталізаторів»;
- директор та завідувач відділу ензимології білкового синтезу Інституту молекулярної біології і генетики НАН України академік НАН України професор Михайло Тукало, доповідь «Ключова роль аміноацил-тРНК синтетаз в біології і медицині»;
- заступник директора та головний науковий співробітник лабораторії біомолекулярної електроніки Інституту молекулярної біології і генетики НАН України академік НАН України професор Сергій Дзядевич, доповідь «Ензимні електрохімічні біосенсори та їхнє практичне застосування»;
- професор кафедри органічної хімії хімічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка професор Василь Пивоваренко, доповідь «Абіогенез. Деталі хімічного етапу еволюції біосфери»;
- завідувач відділу нервово-м'язової фізіології Інституту фізіології ім. О.О.Богомольця НАН України академік НАН України професор Ярослав Шуба, доповідь «Іонні канали як важливі детермінанти канцерогенезу і перспективні мішені для терапії раку»;
- завідувач відділу механізмів біоорганічних реакцій Інституту біоорганічної хімії та нафтохімії ім. В.П.Кухаря НАН України член-кореспондент НАН України професор Андрій Вовк, доповідь «Структурні і механістичні аспекти конструювання біоактивних сполук»;
- завідувачка відділу клітинної біології та біотехнології ДУ «Інститут харчової біотехнології та геноміки НАН України» член-кореспондент НАН України професор Алла Ємець, доповідь «Цитоскелет як внутрішньоклітинний регулятор і мішень для біологічно активних сполук»;
- завідувач відділу сигнальних систем клітини Інституту молекулярної біології і генетики НАН України академік НАН України професор Валерій Філоненко, доповідь «СоАлювання як нова складова системи антиоксидантного захисту клітини і новий механізм регулювання активності протеїнів»;
- директор Інституту теоретичної фізики ім. академіка Боголюбова НАН України доктор фіз.-мат. наук Сергій Перепелиця, доповідь «Протийони ДНК: від біологічних функцій до технологічних застосувань».
Відеозаписи всіх доповідей можна продивитися на сайтах НАН України та Інституту біохімії ім. О.В.Палладіна НАН України.
Наступне засідання загальноакадемічного міждисциплінарного наукового семінару «Актуальні питання фізико-хімічної та математичної біології» заплановано на березень м-ць 2025р.
ДО ЧЕРГОВОЇ ЗУСТРІЧІ !
З повагою,
науковий керівник семінару
академік НАН України,
професор С.О.Костерін
21 лютого 2025 р.