Наукова майстерня «Фізика і біологія: міждисциплінарні підходи», Анотації доповідей
Наукова майстерня «Фізика і біологія: міждисциплінарні підходи», Анотації доповідей
Анотації доповідей:
ІФКС НАН України
Моделювання процесів згортання та агрегації білків
Мої наукові дослідження спрямовані на біологічні об’єкти – білки та нуклеїнові ксилоти. Я використовую методи фізики конденсованого стану – аналітичну теорію та комп’ютерне моделювання, для того щоб краще зрозуміти поведінку біологічних молекул у їх природньому водному середовищі. Задачі над якими я працював останні 20 років включають згортання білків[1], взаємодія білків з молекулярними шаперонами[2] та агрегація білків[3]. Предметом моїх досліджень є як поведінка конкретних білків, таких як міозин[4] чи лізоцим[5], так і розробка теоричних моделей та методів для загального моделювання процесів за участі білків[6]. У виступі я наведу приклади задач які можливо розв’язати вже сьогодні та окреслю виклики які на разі стоять на шляху теоретичних підходів в дослідженнях білків.
- Shea, J.-E., M. Friedel, and A. Baumketner, Simulations of protein folding. Rev. Comp. Chem., 2006. 22: p. 169-219.
- Jewett, A., A. Baumketner, and J.E. Shea, Accelerated folding in the weak hydrophobic environment of a chaperonin cavity: Creation of an alternate fast folding pathway. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2004. 101(36): p. 13192-13197.
- Ni, B. and A. Baumketner, Reduced atomic pair-interaction design (RAPID) model for simulations of proteins. Journal of Chemical Physics, 2012. 138(6): p. 064102.
- Baumketner, A., Interactions between relay helix and Src homology 1 (SH1) domain helix drive the converter domain rotation during the recovery stroke of myosin II. Proteins-Structure Function and Bioinformatics, 2012. 80(6): p. 1569-1581.
- Baumketner, A., et al., Softness and non-spherical shape define the phase behavior and the structural properties of lysozyme in aqueous solutions. Journal of Chemical Physics, 2016. 144(1): p. 015103.
- Lin, Y., et al., An image-based reaction field method for electrostatic interactions in molecular dynamics simulations. Journal of Chemical Physics, 2009. 131: p. 154103.
Тарас Пацаган
ІФКС НАН України
Стійкі до біологічного забруднення пористі мембрани із регульованим розмірами пор
Пористі тонкі мембрани знаходять широке застосування в різноманітних процесах, в яких беруть участь біологічні речовини, зокрема в процесах фільтрації, біосепарації, сенсорах, в доставці ліків та ін. Проте, забруднення мембран, яке виникає при цьому, та їхнє подальше руйнування, є суттєвою перешкодою для ефективного використання мембран, скорочує тривалість їх експлуатації та збільшує витрати на неї. В даній роботі запропоновано простий спосіб виготовлення пористих мембран стійких до біологічного забрудення. Представлений підхід полягає у побудові системи, що складається із сітки поперечно зшитого полі(2-вінілпіридину) (P2VP), до якої причеплені молекули поліетиленоксиду (PEO) як на поверхні, так і в його об'ємі, формуючи при цьому міцний матеріал із пористістю та розмірами пор, контрольованими в широкому діапазоні. За рахунок щільного покриття, сформованого молекулами PEO на поверхні матеріалу, він володіє високою стійкістю до біозабруднення, а завдяки присутності PEO в об'ємі вінще й набуває самовідновлювальних властивостей. В процесі виготовлення такого роду пористої мембрани, спостерігається процес її набрякання по мірі проникання в неї PEO, що, в свою чергу, спричинює до збільшення товщини мембрани та до звужування пор. Нами еспериментально досліджено, як згадані характеристики залежать від кількості PEO в мембрані. Також побудовано теоретичну модель, яка на якісному рівні дозволяє прослідкувати цей процес за допомогою мезоскопічного комп’ютерного моделювання, що виконувався методом дисипативної динаміки.
Ярослав Ільницький
ІФКС НАН України
Декоровані наночастинки: агрегація, самоорганізовані фази і макромолекулярні мережі: застосування та особливості моделювання
Металеві наночастинки використовують у барвниках скла, у рідкокристалічних та магнітних еластомерах, для потреб каталізу і органоелектроніки та в біомедичних застосуваннях (зокрема, як контрастні агенти та з метою адресної доставки ліків). Декорування наночастинок лігандами різної хімічної природи дає можливість контролювати їх агрегацію та міцелізацію у розчині та самоорганізацію у об'ємно-впорядковані морфології. Рідкокристалічні ліганди дозволяють формувати метаматеріали, що характеризуються механічними властивостями полімерних мереж та оптичною активністю рідкокристалічних матеріалів. Використання у лігандах азобензенових груп дозволяє керувати агрегацією/деагрегацією декорованих наночастинок за допомогою опромінення.
В доповіді ми торкнемось особливостей моделювання таких систем, в т.ч. елементів мультимасштабного підходу, та розглянемо низку оригінальних результатів, отриманих для мезоскопічних моделей декорованих наночастинок. Це, зокрема, самоорганізація, в т.ч. фотокерована, таких наночастинок у впорядковані морфології та формування макромолекулярних мереж із плямисто-декорованих частинок. Будуть обговюватись питання оптимального балансу між необхідною хімічною деталізацією моделей та більш загальними фізичними властивостями з метою опису особливостей кожної задачі.
[1] J.M. Ilnytskyi, J.S. Lintuvuori, M.R. Wilson, Simulation of bulk phases formed by polyphilic liquid crystal dendrimers, Condensed Matter Physics, 13, № 3, 33001:1-16 (2010).
[2] J.M.Ilnytskyi, A.Slyusarchuk, M.Saphiannikova, Photocontrollable Self-Assembly of Azobenzene-Decorated Nanoparticles in Bulk: Computer Simulation Study, Macromolecules 49, 9272-9282 (2016)
[3] J. M. Ilnytskyi, Photo-Controllable Networks in Macromolecular Solutions and Blends, in Order, Disorder and Criticality, Advanced Problems of Phase Transition Theory, vol.5, Ed. Yu.Holovatch, World Scientific, 2018.
[4] J.M.Ilnytskyi, Self-assembly of nanoparticles decorated by liquid crystalline groups: computer simulations, in Self-Assembly of Nanoparticles, Ed. S.Mehraeen, InTechOpen, in press.
ІФКС НАН України та УКУ, факультет прикладних наук
Проста модель для дослідження властивостей еволюції онтогенезу
В процесі досліджень еволюції живого виявлено багато важливих закономірностей. Однак, величезна складність живих систем, неповнота палеонтологічної літописі та нетривіальність проведення безпосередніх експериментів змушує шукати альтернативні способи дослідження законів, яким підкоряється еволюція. Одним них є добре відомий фізикам-теоретикам інструмент – комп’ютерне моделювання.
Його можна використовувати для безпосереднього моделювання мікроеволюції – створюючи модель живих організмів, здатну до росту та відтворення у певному віртуальному середовищі. Це можна назвати мікроскопічним підходом. Поміж відомих реалізацій – Tierra, Amoeba [2] та Avida.
Інший підхід – моделювати живі організми тими чи іншими скінченими автоматами, налаштовуючи в процесі еволюції їх параметри. Свого роду – мезоскопічний розгляд. Прикладом є добре відома гра «життя». Часто він сприймається як більш обмежений. Однак, Александром Марковим [5] було запропоновано модель, здатну простим налаштуванням таких клітин – скінчених автоматів, досліджувати еволюцію не окремих особин, а шляхів онтогенезу, виникнення складного життєвого циклу тощо.
У доповіді розглядатимуться відомі результати використання цих підходів та подальші шляхи розвитку.
[1] Ray, T. S., "Evolution and optimization of digital organisms", 1991, Billingsley K.R. et al. (eds), Scientific Excellence in Supercomputing: The IBM 1990 Contest Prize Papers, Athens, GA, 30602: The Baldwin Press, The University of Georgia, pp. 489–531.
[2] Bedau, M.A., Snyder, E., Brown, C.T. and Packard, N.H., "A Comparison of Evolutionary Activity in Artificial Evolving Systems and in the Biosphere", 1997, Fourth European Conference on Artificial Life, Husbands and Harvey (eds), MIT press, p. 125.
[3] Pargellis, A.N., “The spontaneous generation of digital "Life", 1996, Physica D 91, pp. 86-96
[4] Lenski, R. E., Ofria, C., Pennock, R. T., Adami, C., "The evolutionary origin of complex features", 2003, Nature. 423 (6936), pp. 139–144
[5] Марков М. А., Марков А. В., “Самоорганизация в онтогенезе многоклеточных: опыт имитационного моделирования”, Журнал Общей Биологии, Том 72, № 5, 2011, стр. 323–338.
ЛНУ, кафедра генетики та біоітехнології
Кодон як пристрій регуляції експресії генів: моделі дослідження
В кодувальній послідовності гена нуклеотиди (A, G, T, C) формують 64 можливі тринуклеотидні комбінації, або кодони. Кожен кодон визначає включення певної амінокислоти під час синтезу білка на рибосомі (змістовний кодон) або його припинення (стоп-кодон). Змістовних кодонів 61, а протеїногенних амінокислот – 20, тому в генетичному коді кілька різних кодонів може кодувати одну амінокислоту. Такі кодони назвали синонімічними, вказуючи на те, що вони мають однакове значення для клітини. Відповідно, мутації в генах, що змінюють один кодон на його синонім, вважають типовим прикладом нейтральних або мовчазних мутацій, оскільки вони не змінюють послідовності білка, що синтезуватиметься з такого мутантного гена. Поняття нейтральних мутацій є в основі низки сучасних концепцій та уявлень генетики, біохімії, молекулярної еволюції, філогенетики тощо. Однак, чи дійсно мовчазні мутації не мають “голосу” в клітині? Першим свідченням нерівнозначності синонімічних кодонів стало виявлення їхнього нерівномірного вживання у геномах всіх живих організмів. Цей феномен, відомий як переважне використання кодонів (ПВК; synonymous codon usage bias), потягнув за собою низку експериментальних спроб зрозуміти його функціональне значення. На сьогодні можна стверджувати, що ПВК є ще одним шаром інформації, захованим у послідовності кодонів, що суттєво впливає на такі параметри як швидкість трансляції, стабільність мРНК, характер згортання білка і його стабільність. Описано низку випадків, де синонімічні мутації призводять до патологічних змін. Втім вичерпного розуміння цього явища наразі немає, як і методів виявлення біологічно цікавих синонімічних мутацій (тобто таких, які справляють ефект на клітину/організм) на основі біоінформатичних підходів. Це, передусім, викликано вищою складністю цього регуляторного механізму, порівняно з транскрипційною регуляцією – невиразністю ПВК у більшості організмів, зокрема й модельних (Escherichia coli, Saccharomyces, Drosophila тощо) багатофакторністю самого механізму і його кондиційністю (залежністю від фізіологічних умов, у яких перебуває досліджувана система). У цій доповіді я зосереджусь на наших поточних дослідженнях, які характеризують бактерії роду Streptomyces (стрептоміцетів) як інформативна і почасти унікальна модель дослідження явища ПВК. Streptomyces – один із найбільших бактерійних родів, які вдалося культивувати і які є головним джерелом біоактивних речовин для потреб медицини, рослинництва й тваринництва. Стрептоміцети характеризуються GC-багатим геномом, що веде до значного збіднення їхніх генів на АТ-вмісні кодони. Сьогодні секвеновано геноми більше 300 видів цього роду, що відкриває широке поле для дослідження і моделювання ПВК методами обчислювальної біології. Значну частину генома стрептоміцетів складають гени біосинтезу антибіотиків, що є зручною і простою для генетичних маніпуляцій системою. Дослідження ПВК має практичне значення для підвищення експресії білка і продукції антибіотиків. У підсумку буде проведено паралелі між кодон-залежними регуляторними механізмами евкаріотів та стрептоміцетів, та як вивчення останніх може сприяти кращому розумінню патологічних станів людини.
УКУ, лабораторія машинного навчання
Визначення рівня закупорення коронарних артерій на зображеннях комп'ютерної томографії за допомогою глибоких нейронних мереж
Щоб зменшити час очікування пацієнта на діагностику коронарних артерій, можна використати методи машинного навчання для автоматичного аналізу сканів комп'ютерної томографії. До таких методів включають глибокі нейронні мережі, які застосовують для визначення ступеня стенозу у артеріях, відповідно діагностують рівень розвитку хвороби коронарних артерій. Розробка таких моделей передбачає поєднання медичних знань про дані отримані комп'ютерною томографією та технічні - імплементації нейронних мереж. Наш підхід автоматично визначає з зображень коронарних артерій рівень стенозу за трьома класами: 'відсутній стеноз', 'неістотний стеноз' - до 50% звуження, 'істотний ступінь стенозу' - більше 50%. Цей метод дозволяє з 80% точністю діагностувати захворювання коронарної артерії.
To decrease patient’s waiting time for diagnosis of the Coronary Artery Disease, automatic methods are applied to identify its severity in Coronary Computed Tomography Angiography scans or extracted Multiplanar Reconstruction (MPR) images, giving doctors a second-opinion on the priority of each case. The main disadvantage of previous studies is the lack of large set of data that could guarantee reliability. Another limitation is the usage of handcrafted features for manual preprocessing, such as centerline extraction. Our contribution lies in application of different automated approach and testing it on the proposed collected dataset of
MPR images, which is bigger than any other used in this field before. We also omit centerline extraction step, and train and test ShuffleNet V2 using whole curved MPR images of 708 and 105 patients, respectively. The model predicts one of the three classes: ‘no stenosis’ for normal cases, ‘non-significant’ — 1-50% of stenosis detected, ‘significant’— more than 50% of stenosis. For stenosis score classification, the method showed improved performance comparing to previous works, achieving 80% accuracy on the patient level
Інститут фізики конденсованих систем НАН України
Складні системи - фізика поза фізикою (про деякі міждисциплінарні застосування статистичної фізики)
Визнаючи першiсть експерименту, його поєднання з теоретичним обґрунтуванням та симуляцiями, використовуючи математику як iнструмент та мову аналiзу й застосовуючи моделювання, фiзика була й залишається архетипом природничої науки. Упродовж останнiх десятилiть ми маємо змогу спостерiгати явище, коли фiзика (або, принаймнi, фiзики) розширює коло своїх зацiкавлень, удаючись до аналiзу проблем, якi спочатку були традицiйними об'єктами дослiджень iнших наук. Одним із результатів застосувань методів і концептуального апарату статистичної фізики до аналізу систем нефізичної природи стала наука про складні системи.
Наука про складні системи стосується багатьох традиційних дисциплін і утворює нову, міждисциплінарну галузь знань. Складна система складається з багатьох взаємодіючих частин (агентів) і проявляє колективну поведінку, що нетривіально випливає з поведінки її окремих компонент. Поряд із загальним окресленням властивостей складних систем у доповіді будуть розглянуті конкретні приклади із ділянки природничих, соціальних та гуманітарних наук.
Yu. Holovatch, R. Kenna, S. Thurner. Complex systems: physics beyond physics. Eur. Journ. Phys. 38 (2017) 023002 (19 pp).
ЛНМУ, кафедра фармацевтичної, органічної і біоорганічної хімії
Акцептори Міхаеля як об'єкти для пошуку нових лікарських засобів. Pro et Contra
Біологічно активні 5-ен-4-тіазолідинони є високоактивними синтетичними сполуками з різними видами фармакологічної дії і мають перспективу як потенційні протиракові, противірусні, протимікробні та протизапальні лікарські засоби. З ін¬шої сторони особливості їх структури можуть надавати зазначеним сполукам властивостей «акцепторів Міхае¬ля» як «безладних інгібіторів», що може бути причиною від¬сутності селективності при взаємодії з біомішенями та аргументом на предмет їх безперспективності для сучасного процесу пошуку ліків. У доповіді буде розглянуто можливі шляхи вирішення цієї невідповідності, серед яких «хімічний» та «біоло¬гічний». «Біологічний» шлях базується на спрямованому синтезі «акцепторів Міхаеля» згідно сучасного полі-фармакологічного підходу, при якому відсутність селективності за на¬явності фармакологічного ефекту трактується як перевага. Зокрема, «акцеп¬тори Міхаеля» в даний час розглядаються як «новий старий інструмент» («new¬ old tool») для створення протипухлинних агентів. В основу «хімічного» шляху покладена гіпотеза про конденсовані гетероциклічні системи (тіопірано[2,3-d]-тіазоли, тіазоло[4,5-b]піридини, тощо) як циклічні ізостерні міметики фармако-ло¬гічно активних 5-ен-4-тіазолідинонів без властивостей «акцепторів Міхаеля».
НУ "Львівська політехніка", кафедра органічної хімії
Молекулярне конструювання функціональних поліамфіфілів та супрамолекулярних структур для біотехнології та медицини
В презентації обговорюються перспективи синтезу та властивості функціональних поліамфіфілів (ПА) та утворюваних ними в результаті самоорганізації супрамолекулярних структур (СМС), міцел, міжмолекулярних, зокрема, інтерполіелектролітних комплексів, наночастинок (НЧ), з заданими функціональністю, розміром та морфологією. Поєднання радикальних та нерадикальних реакцій для синтезу олігомерних прекурсорів з кінцевими та бічними реакційними групами та їх використання для ЛЕГО- подібного молекулярного конструювання поліамфіфілів блочної, розгалуженої або блочно-розгалуженої базується на полімеризації функціональних мономерів та макромерів в присутності функціональних передавачів ланцюга та їх подальших реакцій за участю бічних або кінцевих реакційних центрів. ПА утворюють супрамолекулярні структури різного ступеню самоорганізації, розміру та морфології в рідинах та на поверхнях. Такі функціональні само організовані структури є специфічними контейнерами для солюбілізації барвників, ліків, пептидів, носіями олігонуклеотидів, нуклеїнових кислот та нанорозмірними реакторами для нуклеації полімерних та неорганічних НЧ.
НУ "Львівська політехніка", кафедра програмного забезпечення
Застосування імпульсного світлодіодного освітлення в рослинництві
Сьогодні, крім класичних схем вирощування продукції рослинного походження, все більшої популярності набувають системи, призначені для вирощування продукції в великих містах та об’єктах промислової інфраструктури. Для створення сучасних агрогосподарств підходить все - від дахів будинків до закинутих шахт і морських контейнерів. Серед лідерів цієї індустрії варто назвати такі фірми як Square Roots, засновану Кімбалом Маском та Liberty Produce. Пріоритетом в їх діяльності є здорове харчування та економічність. Так, контейнерні ферми Square Roots дозволяють вирощувати 20 кг зелені на тиждень при споживанні 30л води на день. Питання освітлення вертикальних ферм на сьогодні до кінця не вирішено. Вдосконалення світлодіодних освітлювачів для таких об’єктів йде шляхом оптимізації спектральних характеристик, однак, застосування імпульсних систем керування (з врахуванням природи явища фотосинтезу) дозволить в рази зменшити енергоспоживання. Коректне вирішення цієї задачі можливе лише в співпраці спеціалістів з електроніки, IT та агрономії.
Ця доповідь буде не стільки висвітленням отриманих результатів, скільки пропозицією подальшої співпраці між спеціалістами перелічених вище галузей знань.
ЛНУ, кафедра біофізики та біоінформатики
Енергетичні, про- та антиоксидантні процеси як мішені дії потенційних хіміотерапевтичних препаратів
Онкологічні захворювання займають друге місце у світі серед причин смертності населення після серцево-судинних захворювань. В Україні найпоширенішими є пухлини шкіри, легенів, центральної нервової системи, молочної залози і неоплазія лімфатичної та кровотворної систем. Триває інтенсивний пошук нових ефективних протипухлинних препаратів. Перспективною групою речовин із широким спектром дії є похідні тіазолів. Одним із механізмів їх цитотоксичної дії є запрограмована смерть клітин (апоптоз), яка реалізується, зокрема, мітохондріальним шляхом. Т.ч. аеробні і анаеробні біоенергетичні процеси у ракових клітинах безумовно мають бути у центрі уваги сучасної експериментальної онкології. Відомо, що неоплазматична трансформація тканин також супроводжується зміною окисно-відновної рівноваги внаслідок зростання рівня активних форм Оксигену. Це призводить до активації процесів перокcидного окиснення ліпідів. Щоб встановити рівень безпечності новосинтезованих протипухлинних речовин, доцільно досліджувати й функціональний стан клітин печінки – головного детоксикуючого органу. Отже, вивчення енергетичних, про- та антиоксидантних процесів у ракових і нормальних клітинах за дії нових протипухлинних сполук є актуальним для розуміння механізму дії та підвищення їхньої ефективності.
ЛНУ, кафедра генетики та біотехнології
Властивості та застосування наночастинок арґентуму з різними композитними речовинами
Наночастинки арґентуму є найбільш вивченими серед інших продуктів нанотехнології через свої унікальні фізико-хімічні властивості та широке застосування в різних сферах науки та повсякденному житті людей. Біологічні, оптичні, електрохімічні, каталітичні та інші властивості наночастинок арґентуму дозволяють використовувати їх в якості аналітичних інструментів, антибактеріальних та протипухлинних препаратів, каталізаторів, складових електроніки, роблячи срібло особливо цінним матеріалом, критичним для багатьох сфер медицини, хімії та електроніки. Більше того, маніпуляції із розміром та хімічним складом наночастинок дозволяють задавати їм нових властивостей та розширювати потенціал їхнього застосування. За результатами проведених досліджень нами було отримано наночастинки арґентуму сферичної форми одного розміру, що відрізнялись різними композитними речовинами: полівінілпіролідон, гіалуронан, полівініловий спирт, крохмаль, полі-етиленгліколь, полісорбат-80, бичачий сироватковий альбумін, хітозан та без стабілізуючих речовин. Фізико-хімічні властивості наночастинок характеризували за допомогою УФ-видимою спектроскопією, трансмісійною електронною мікроскопією, рентгеноструктурним аналізом на всіх етапах дослідження. Біологічну дію отриманих наночастинок вивчали із застосуванням різних біологічних систем in vitro та in vivo використовуючи клінічні мікроорганізми, а також клітини, гамети та організми тварин (кролів, мишей, щурів та корів). В результаті проведених досліджень наночастинки срібла із полівінілпіролідоном та крохмалем знайшли своє застосування в якості антибактеріальних препаратів у ветеринарії. Наночастинки із гіалуронаном були використані для розробки чутливого методу визначення концентрації протеїнів. Отже, різні композитні речовини дозволяють принципово змінити фізико-хімічні властивості наночастинок арґентуму, зокрема, їх дію на живі об’єкти та можливості їхнього застосування для досягнення практичних цілей.
ЛНУ, кафедра теоретичної фізики, e-mail: andrijkuzmak![[REPLACE_THIS_WITH_AT_SIGN]](/sites/all/modules/spamspan/image.gif){kind=small}
gmail.com
Теоретичний опис кінетики ферментативної реакції
Одними з найважливіших і найцікавіших процесів у природі є біохімічні реакції, що відбуваються в процесі роботи ферментів (ензимів). Ферменти сприяють перетворенню одних речовин на інші, і тим самим забезпечують обмін речовин (метаболізм) у живих організмах. Результатом таких перетворень є отримання клітинами енергії, що забезпечує їхнє функціонування. Робота ферментів полягає в пришвидшенні (каталізі) перетворення одних речовин, які називають субстратами, на інші -- продукти. Повне перетворення субстратів, які надходять в організм, потребує присутності ензимів різних сортів, які продукують ``каскадну'' реакцію, так що субстратом для наступного ензиму в ``каскаді'' є продукт від реакції попереднього ензиму. Робота окремих ензимів у таких процесах є чітко відрегульована організмом. Це означає, що кожен тип ферменту присутній в організмі з певною концентрацією і виробляє продукт із потрібною швидкістю. В результаті реакції, спричиненої окремим ензимом, в середовищі виникає певна концентрація продукту, яка залежить від відстані до даного ензиму і концентрації наступного сорту ензиму в ``каскаді''. У роботі [1] ми отримали прості рівняння, які добре описують концентрацію продукту в залежності від відстаней до ферментів двох різних сортів. Цей факт дав змогу оцінити швидкість ``каскадної'' реакції залежно від відстані між цими ферментами.
[1] A. R. Kuzmak, Sh. Carmali, E. von Lieres, A. J. Russell, S. Kondrat, Sci. Rep. 9, 455 (2019).
ІФКС НАН України
Про роль електростатики у комп'ютерному моделюванні селективності та транспорту через іонні канали в біологічних мембранах
Використоваючи точний розв’язок рівняння Пуасона для одного заряду біля протилежно зарядженої плоскої поверхні скінченних розмірів, у доповіді буде представлено аналітичні розрахунки електростатичної енергії для систем, що складаються з позитивних зарядів, розташованих на осі негативно зарядженої циліндричної пори фіксованої довжини. Результати цих розрахунків використовуються для дослідження ролі електростатичних сил у проблемах комп’ютерного моделювання транспорту іонів, іонного заповнення та валентної селективності в біологічних іонних каналах.
Розглядаючи ефект кінцевої довжини зарядженої пори як альтернативу дискретним зарядам в іонних каналах, ми показуємо, що іонне заповнення пори та розміщення іонів у порі регулюються двома параметрами: (i) величиною густини поверхневого заряду пори та (ii) геометрією пори, тобто співвідношенням діаметру пори до її довжини. Виявлено, що пори із загальним поверхневим зарядом -2e (що можуть трактуватися як прототип калієвого каналу) віддають перевагу заповненню пори трьома іонами K+ + над її заповненням двома іонами K+ у випадку вузької пори, але все стає навпаки при зростанні діаметру пори. Пори з поверхневим зарядом -4e (що могли б бути прототипом кальцієвого каналу) віддають перевагу заповненню двома бічними іонами Са2+ та одним центральним іоном Na+ над двома симетрично розташованими іонами Са2+ для вузьких пор, але ця перевага змінюється при зростанні діаметра пори. Зокрема, ці результати дозволяють припустити, що спостережуваний експериментально блок іонами Са2+ транспорту іонів Na+ в кальцієвому каналі обумовлений меншою електростатичною енергією конфігурації Na+ - Са2+ - Na+, ніж для конфігурації Na+ - Na+ - Na+.
ЛНМУ, кафедра гістології, цитології та ембріології
Нейтрофільні гранулоцити крові та наночастинки: Любов, Ненависть та Імунна відповідь
Наночастинки є всюди - ми вдихаємо їх із димом від сибірських та бразильських лісів, під час куріння чи запраки лазерних принтерів, наша шкіра контактує з нами на виробництві, а наша травна система генерує їх після відвідин ресторанів швидкого харчування. Так, подагру спричиняють нанокристали моноурату натрію, запалення жовчного міхура - нанокристали холестеролу, а вдихання диму спричиняє цілий ряд легеневих хворіб та загострення існуючих хронічних захворювань. Виявляється, що перед більшістю наночастинок ми майже беззахисні. Наші клітини не можуть їх перетравити чи окиснити (як, наприклад сажу), ми не маємо рецепторів для їх специфічного розпізнавання, чи системи їх виведення з організму. І тут на допомогу нам приходять нейтрофільні гранулоцити, чи просто нейтрофіли. Ці клітини не лише володіють механізмом, який дозволяє знешкоджувати шкідливі нанооб'єкти, а й можуть бути використані для посилення імунної відповіді.
Леся Остап'юк, Василь Савчин, Тарас Малий, Анатолій Волошиновський
ЛНУ, кафедра експериментальної фізики
Люмінесценція - діагностика, візуалізація, терапія
Автори своєю доповіддю хочуть привернути увагу дослідників та практиків до інтенсивного застосування люмінесцентних методів до різних аспектів біомедичних досліджень. Люмінесценція білків сироватки крові може бути використана для діагностики мікроскопічних механізмів етіології та патогенезу сепсису та гнійно-запальних захворювань. Розроблено низку багатоколірних люмінесцентних наночастинок з розмірами 2 – 20 нм для візуалізації біологічних процесів та маркування клітин. Пропонується використати особливості випромінювання наночастинок для радіотерапії та фотодинамічної терапії.
Інститут біології клітини НАН України
Метаболічна протипухлинна терапія на основі голодування за амінокислотами: PRO et CONTRA
Рак як феномен, що полягає у неконтрольованій злоякісній проліферації субпопуляції клітин у багатоклітинному організмі, з’явився у процесі еволюції ще 2 млрд років тому із появою відповідних організмів. Онкологічні захворювання зараз є другою після захворювань кровоносної системи причиною, що забирає людські життя. Разом із глобальним старінням населення кількість онкохворих у світі зростатиме, як і зусилля учених і медиків розробити нові більш ефективні і одночасно нетоксичні методи протипухлинної терапії. Однак не існує та не буде існувати «чудо-молекули», чи іншої панацеї від раку.
Нобелівський лауреат Отто Варбург на початку ХХ ст. відкрив тенденцію багатьох пухлинних клітин виробляти енергію за допомогою гіперактивного гліколізу замість окислювального фосфорилювання у мітохондріях. Це лише один із прикладів численних метаболічних змін, що виникають у злоякісних клітинах та можуть бути використані як мішені для їх терапії.
У відділі сигнальних механізмів клітини Інституту біології клітини НАН України ми працюємо над роробкою нових підходів до метаболічної ензимотерапії раку на основі голодування за амінокислотою аргініном. Зокрема вивчаємо, у чому полягагють відмінності у молекулярних механізмах відповіді чутливих та резистентних до такого голодування пухлинних клітин. Зокерма, спільно із німецькими та польськиими колегами нами вперше встановлено, що 3-D культурі сфероїдів злоякісні клітини є значно резистентнішими до дефіциту індивідуальних незамінних амінокислот, ніж в моношаровій культурі. Також встановлено, що при голодуванні за аргініном пухлинні клітини зазнають специфісчних змін цитоскелету, що знижують їх метастатичний потенціал. На основі цих даних нами запропоновано нові підходи до комбінованої метаболічної терапії пухлин, які проходять тестування на різних моделях.
Інститут біології клітини НАН України, stoikacellbiol.lviv.ua
Чи виправдана мода на наноматеріали: реалії, проблеми, перспективи
В останнє десятиліття спостерігається справжній ажіотаж навколо створення різноманітних наноматеріалів та їхнього використання для потреб природничих наук, виробництва і повсякденного життя людини. Мета зробленого аналізу: 1) від-диференціювати істинні наноматеріали від простих нанорозмірних матеріалів; 2) пояснити, коли саме не можна обійтися без істинних наноматеріалів; 3) розповісти, з якими проблемами стикаються дослідники під час застосування наноматеріалів; 4) намітити перспективи створення і застосування наноматеріалів, у першу чергу, для потреб біології і медицини.
Крім відповіді на питання в рамках поставлених вище цілей, у доповіді також будуть обговорені результати власних досліджень автора у співпраці з іншими науковцями України і закордону.
Багатофункціональні наноматеріали для біології і медицини: молекулярний дизайн, синтез і застосування. Під ред. член-кор. НАН України Р.С. Стойки. – Наукова Думка. Київ. – 2017, 364 с.