21 лютого 2025 року в Інституті біохімії ім. О.В. Палладіна НАН України відбудеться чергове засідання міждисциплінарного загальноакадемічного семінару у галузі природничих наук «Актуальні питання фізико-хімічної та математичної біології». Керівник семінару – академік НАН України Сергій Костерін.
З доповіддю «Протийони ДНК: від біологічних функцій до технологічних застосувань» виступить директор Інституту теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України доктор фізико-математичних наук Сергій Перепелиця.
Початок заходу – о 10:30.
Адреса: Київ, вул. Леонтовича, 9, актова зала Інституту біохімії ім. О.В. Палладіна НАН України.
Посилання для дистанційного долучення до семінару
Про тему доповіді
У 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 + , Mg 2+ 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.
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. 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 будуть окреслені деякі фізичні підходи для описання іонної атмосфери ДНК і зокрема концепція динамічної іон-фосфатної ґратки, розвинена в Інституті теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України. Також будуть представлені результати числового моделювання в рамках методу молекулярної динаміки для ДНК з протийонами лужних металів.
Окрему увагу буде приділено результатам досліджень взаємодії молекул поліамінів з ДНК. Як відомо, природні поліаміни (путесцин 2+ , спермідин 3+ та спермін 4+ ) присутні в клітині в мікромолярних концентраціях і виконують різні функції, які значною мірою пов’язані з ДНК. Зокрема, спермідин 3+ та спермін 4+ виконують важливу роль у компактизації ДНК в ядрі клітини, а у водному розчині in-vitro при певній концентрації вони індукують конденсацію макромолекули. У доповіді буде представлено останні результати моделювання взаємодії молекул поліамінів з ДНК, зокрема, буде обговорюватися 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.
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 буде наведено приклад застосування ДНК в якості електроліту в літій-іонних батареях та наведено результати молекулярно-динамічного моделювання Li-ДНК, які є важливими для розуміння електролітичних властивостей системи.
* * *
Мета загальноакадемічного семінару полягає у періодичному заслуховуванні та обговоренні наукових доповідей, присвячених застосуванню сучасних експериментальних та теоретичних методів хімії, фізики та математики для вирішення нагальних проблем біології, зокрема – у галузі біохімії, біофізики, молекулярної та клітинної біології, молекулярної фізіології, біоенергетики, гномики , медичної біології, фармакології, нанобіотехнології, системної та синтетичної біології тощо.
Організація зазначеного семінару була обумовлена прогресуючим розвитком таких «перехресних» наук та наукових напрямів, як біофізична хімія, фізична біохімія, хімічна біофізика, біохімічна фізика, фізико-хімічна біологія, фізика живого, математична біофізика, теоретична біологія, біоінформатика, штучний інтелект в біології та медицині тощо.
З того часу, як був започаткований загальноакадемічний семінар (квітень 2023 року), на його засіданнях із міждисциплінарними науковими доповідями вже виступили 18 доповідачів.
Наступне засідання семінару заплановано на березень 2025 року.
Пропозиції щодо виступів із доповідями (обсяг тез доповіді – 1–2 сторінки) надсилайте, будь ласка, на електронні скриньки керівника семінару – заступника директора з наукової роботи Інституту біохімії ім. О.В. Палладіна НАН України, завідувача відділу біохімії м’язів цього Інституту академіка Сергія Олексійовича Костеріна: kinet@biochem.kiev.ua ; kosterin.serg@gmail.com.
За анонсами засідань семінару стежте також на сайті Інституту біохімії ім. О.В. Палладіна НАН України.
За інформацією Інституту біохімії ім. О.В. Палладіна НАН України