Лаборатория проблем распределения стабильных изотопов в живых системах (г. Краснодар)

Сотрудники

Джимак Степан Сергеевич

Доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией

Лясота Оксана Михайловна

научный сотрудник

Кравцов Александр Анатольевич

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник

Малышко Вадим Владимирович

кандидат медицинских наук, научный сотрудник

Петриев Илья Сергеевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Свидлов Александр Анатольевич

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Дорохова Анна Анатольевна

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Козин Станислав Владимирович

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник

Редько Андрей Александрович

инженер

ЗАДАЧИ
✓ Исследование физиологических эффектов изотопов водорода и кислорода (2H, 18O) в живых системах при модификации их со-отношений в окружающей среде.
✓  Изучение особенностей распределения изотопов углерода 13C и 15N в живых системах, в том числе при модификации изотопного состава окружающей среды /пищевого рациона.
✓ Исследование влияния различных концентраций изотопов биогенных элементов в среде на возникновение открытых состояний в молекуле ДНК.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

■    На основе классического квантово-механического подхода дано объяснение физического механизма фракционирования изотопов в живых системах. Показано, что указанный эффект связан с преобладанием среди нуклонов определенного количества нейтронов. Причинами обнаруженного нейтронного эффекта может являться взаимодействие магнитных моментов атомных ядер и валентных электронов, приводящее к изменению расстояния между ними, в том числе влияние измененного расстояния между атомами на энергию ковалентной связи между резонансными парами атомов.   
■  Рассмотрено объяснение физического механизма фракционирования изотопов, связанного с  преобладанием среди нуклонов определенного количества нейтронов и объясняющего неравновесное накопление определенных форм стабильных изотопов био-генных элементов в гетерогенных системах.
■    Исследовано влияние пониженного содержания дейтерия (2H) в инкубационной среде на выживаемость культивируемых нейронов в естественных условиях и при глюкозной депривации. Кроме того, изучено влияние снижения содержания дейтерия в мозге крыс на окислительные процессы в нервной ткани, ее антиоксидантную защиту и обучение крыс в тесте «Т-образный лабиринт» в условиях гипоксии.
■    За время работы лаборатории ее сотрудниками опубликовано 9 статей в журналах, входящих в Q1 по международным базам данных.
■    Выиграны 2 гранта Президента РФ для поддержки молодых ученых, кандидатов наук. Победители конкурса – ст. науч. сотр., к.ф.-м.н. А.А. Елкина, науч. сотр., к.мед.н. В.В. Малышко.
■    Получены 2 патента РФ на изо-бретения (золотая медаль на Меж-дународном салоне инноваций «Архимед»). Создана теория нейтронного эффекта Басова – Джи-мака, описывающая механизмы реализации изотопных эффектов (работа опубликована в журнале “Moleculesʺ).
■    Разработана модель молекулярной динамики ДНК с учетом энергии разрыва водородных связей и возможностью возникновения деформированных водородных связей между парами комплементарных маятников. Данная модель позволяет учитывать неоднородность последовательности пар нуклеотидов, энергию водородных связей между парами азотистых оснований, взаимодействие с окружающей средой, возникновение открытых состояний, позволяет заменять атом водорода на дейтерий в во-дородных связях между парами оснований.

Основные выполняемые проекты:

1. Государственное задание:

1. Гранты Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук:

№ МК-2366.2022.1.4 «Исследование роли внешних факторов в процессах возникновения и развития открытых состояний и образования пузырьков денатурации молекулы ДНК» (руководитель Дорохова А.А.)
  

Основные публикации и РИД:

1. Козин С.В., Кравцов А.А., Елкина А.А., Злищева Э.И., Барышева Е.В., Шурыгина Л.В., Моисеев А.В., Барышев М.Г. Изменение резистентности головного мозга крыс к гипоксии при замещении дейтерия на протий в жидких средах // Биофизика. 2019. Том 64. Вып. 2. C. 362–370.
2. Волченко Н.Н., Самков А.А., Худокормов А.А., Моисеев А.В., Елкина А.А., Малышко В.В., Барышев М.Г., Першин С.М. Влияние модификации изотопного состава среды на рост и метаболическую активность представителей Rhodococcus и Saccharomyces // Известия РАН. Серия биологическая. – 2020. – № 4. – С. 347–351.
3. Козин С.В., Кравцов А.А., Туроверов К.К., Фонин А.В., Чихиржина Е.В., Малышко В.В., Моисеев А.В., Чуркина А.В. Изменение функциональной активности пероксидазы хрена и бычьего сывороточного альбумина в средах с различным изотопным 2H/1H составом // Биофизика. – 2020. – Т. 65, № 2. – С. 229–236.
4. Basov A., Drobotenko M., Svidlov A., Gerasimenko E., Malyshko V., Elkina A., Baryshev M., Dzhimak S. Inequality in the Frequency of the Open States Occurrence Depends on Single 2H/1H Replacement in DNA // Molecules. – 2020. – Vol. 25, No. 16. – P. 3753.
5. Елкина А.А., Тумаев Е.Н., Басов А.А., Моисеев А.В., Малышко В.В., Барышева Е.В., Чуркина А.В., Джимак С.С. Механизмы взаимодействия стабильных изотопов с биологическими объектами с точки зрения наличия нескомпенсированного нейтрона в химических связях / Биофизика. – T. 65, №. 5. – С. 1034–1040.
6. Kozin S., Skrebitsky V., Kondratenko R., Kravtsov A., Butina E., Moiseev A., Malyshko V., Baryshev M., Elkina A., Dzhimak S. Electrophysiological activity and survival rate of rats nervous tissue cells depends on D/H isotopic composition of medium // Molecules. –  2021. – Vol. 26. – P. 2036.
7. Svidlov A., Drobotenko M., Basov A., Gerasimenko E., Malyshko V., Elkina A., Baryshev M., Dzhimak S. DNA dynamics under periodic force effects // International Journal of Molecular Sciences. – 2021. – Vol. 22. – № 15. – P. 7873.
8. Dzhimak, S.S., Kopytov, G.F., Tumaev, E.N. Isaev V.A., Moiseev A.V., Malyshko V.V., Elkina A.A. Influence on the Energy of the Covalent Bond of the Isotopic Composition of its Nuclei // Russian Physics Journal. – 2021. – Vol. 63. – P. 1922–1931.
9. Svidlov A., Drobotenko M., Basov A., Gerasimenko E., Elkina A., Baryshev M., Nechipurenko Y., Dzhimak S. Influence of Environmental Parameters on the Stability of the DNA Molecule // Entropy. –  2021. – Vol. 23. – P. 1446.
10. Dzhimak S., Svidlov A., Elkina A., Baryshev M., Drobotenko M., Gerasimenko E. Genesis of open states zones in a DNA molecule depends on the localization and value of the torque // International Journal of Molecular Sciences. – 2022. – Vol. 23. – P. 4428.
11. Shumeiko D.V., Loza S.A., Korzhov A.N., Romashov V.K., Elkina A.A., Malyshko V.V., Moiseev A.V. Stimulation of the growth of juvenile north african catfish clarias gariepinus by modification of the water oxidation–reduction potential // Biology Bulletin. – 2022. – Vol. 49. № 3. – P. 192-202.
12.  Kravtsov A., Kozin S., Basov A., Butina E., Baryshev M., Malyshko V., Moiseev A., Elkina A., Dzhimak S. Reduction of Deuterium Level Supports Resistance of Neurons to Glucose Deprivation and Hypoxia: Study in Cultures of Neurons and on Animals // Molecules. – 2022.  – Vol. 27. № 1.  – P. 243.
13.  Козин С.В., Кравцов А.А., Злищева Э.И., Шурыгина Л.В., Ломакина Л.В., Джимак С.С., Барышев М.Г., Басов А.А. Способ профилактики и коррекции метаболических и функциональных нарушений центральной нервной системы в условиях стресса. Патент на изобретение № 2717107 18.03.2020.
14.  Джимак С.С., Басов А.А., Ломакина Л.В., Елкина А.А., Барышев М.Г. Способ повышения продуктивности микроорганизмов в средах с детерминированным изотопным составом. Патент на изобретение № 2756473 30.09.2021.

Основные результаты:

1. Объяснены некоторые физические механизмы (основанные на термодинамических, кинетических эффектах), обеспечивающих стабильное фракционирование изотопов, что приводит к накоплению определенных изотопных форм в интрацеллюлярном и межклеточном пространстве, включая молекулярные эффекты изотопного обмена 2H/1H, 18O/16O и других пар атомов, проявление их эффектов in vivo на органоидном и организменном уровнях. Разработана новая гипотеза фракционирования тяжелых нерадиоактивных изотопов в живых системах посредством реализации нейтронного эффекта. Причинами обнаруженного нейтронного эффекта могут являться: взаимодействие магнитных моментов атомных ядер и валентных электронов, приводящее к изменению расстояния между ними, в том числе влияние измененного расстояния между атомами на энергию ковалентной связи между парами атомов.
2. Методами математического моделирования исследована роль единичных замен протия на дейтерий в образовании пузырей открытых состояний молекулы ДНК. Показано, что вероятность образования пузырей определенной длины (от 12 до 27 нуклеотидов) зависит от локализации атома дейтерия в молекуле ДНК и может существенно отличаться от вероятности возникновения открытых состояний в целом. При этом необходимо отметить, что, хотя в большинстве случаев различия в возникновении открытых состояний в бездейтериевой ДНК в сравнении с той же молекулой, включающей единичную 2Н/1Н замену, составляет при воздействии Eкр (в диапазоне от 270 до 290 ·10-25 Н·м) достаточно невысокую величину: максимальное возрастание количества открытых состояний было около 2,8% (при замене изотопов водорода в 20-й паре азотистых оснований), наибольшее  уменьшение количества открытых состояний наблюдалось менее чем на 2,9% (при замене изотопов водорода в 353-й паре азотистых оснований); изменение частоты возникновения пузырей ДНК различной длины в свою очередь составило уже существенно более значимую величину: снижение на 36,3% и возрастание на 250,4% при замене изотопов водорода в 353-й и 376-й парах азотистых оснований соответственно (при Eкр равном 290 ·10-25 Н·м).
3. На основе механической математической модели ДНК были проведены расчеты влияния торсионного момента на процесс возникновения и динамики открытых состояний для гена интерферона альфа 17. Установлено, что торсионное воздействие приводит к возникновению вращательных движений азотистых оснований. Расчеты с постоянным торсионным моментом показывают, что зоны открытых состояний чаще образуются на границах молекулы ДНК и на участках с преобладанием пар A - T. Доказано, что для возникновения открытых состояний в части гена, в которой содержится малое количество пар A - T требуется большая величина торсионного момента. При воздействии торсионного момента на определенный участок гена вероятность образования открытых состояний зависит от содержания пар A - T на этом участке, от размера этого участка и от времени воздействия. Для данной математической модели зоны открытых состояний могут закрываться при прекращении торсионного воздействия. Результаты моделирования показали, что значения торсионного момента, необходимого для возникновения зон открытых состояний в некоторых случаях близки к экспериментально измеренным (13-15 пН·нм).
4. Исследовано влияние длительного (42 дня) введения в рацион крыс обеднённой по дейтерию воды на функциональное состояние ЦНС в условиях нормы и нормобарической гипоксии с гиперкапнией. Установлено, что применение обедненной дейтерием воды как в условиях нормы, так и после стрессового воздействия способствует значительному снижению эмоциональной тревожности животных. Доказано, что длительное применение воды, обедненной дейтерием до гипоксического воздействия (воздействие амнезирующего фактора), способствует сохранению обучаемости и памяти на уровне контроля, т.е. оказывает выраженный протективный антиамнестический эффект.
5. Исследовано влияние пониженного содержания дейтерия (2H) в инкубационной среде на выживаемость культивируемых нейронов в естественных условиях и при глюкозной депривации. Кроме того, изучено влияние снижения содержания дейтерия в мозге крыс на окислительные процессы в нервной ткани и её антиоксидантную защиту.