Вернуться назад

Лаборатория биоинженерии

  • Дата публикации: 01.12.2019
Лаборатория биоинженерии получила название в 2009 г. после переименования из лаборатории агробактериальной трансформации и биотехнологии.

Состав лаборатории:
Руководитель лаборатории: д.б.н. Чумаков М.И.
Сотрудники лаборатории: с.н.с. к.б.н. И.В. Волохина, с.н.с. к.б.н. В.А. Великов (до 2015 г.), н.с. к.б.н. Е.М. Моисеева, м.н.с. к.б.н. С.И. Мазилов, c.н.с. к.б.н. Ю.С. Гусев, н.с. Гуторова О.В., ст. лаб. И.Б. Иванова, аспирант 4-го года обучения Фадеев В.В.


Основные направления исследований лаборатории:
• Получение новых данных о механизмах переноса ДНК от агробактерий в эукариотические клетки на молекулярном, межклеточном и межорганизменном уровнях. Разработка методов генотерапии на основе транспортной системы агробактерий. Характеристика белковых структур, в ДНК-белковых транспортных комплексах. Анализ пространственных структур, структурно-динамических свойств конформаций белков, белковых комплексов и комплексов белков с ДНК методами биоинформатики.
• Разработка эффективных методов селекции растений на базе генетической инженерии, геномных и постгеномных технологий. Выявление и редактирование генов, связанных с эмбриогенезом кукурузы, в частности генов, контролирующих слияние гамет и спонтанное развитие зародыша, с целью создания технологий улучшения хозяйственно-ценных признаков.

Тема исследований лаб. биоинженерии в 2017-2021 гг.:
1. Изучение генов, контролирующих взаимодействие мембран гамет кукурузы с целью создания новых технологий биоинженерии для современной селекции, № гос. регистрации-AAAA-A17-117102740101-5.

Наиболее значимые результаты по теме
В геноме кукурузы найдены и локализованы нуклеотидные последовательности генов взаимодействия (ZM_gex2, ZM_ес1) и слияния (ZM_hap2) мембран гамет. Изучена их экспрессия в генеративных и вегетативных тканях двух линий (ЗМС-П и ГПЛ-1) кукурузы. Установлена спермий-специфичная экспрессия гена ZM_gex2.
Секвенирована и аннотирована в GenBank полная последовательность гена ZM_gex2 (2817 н.о.) линии кукурузы ЗМС-П. Впервые выявлено 28 несовпадений с реферной линией кукурузы (B73, GenBank), из которых 12 однонуклеотидных замен и две вставки. Секвенирована и аннотирована в базе данных GenBank консервативная область гена ZM_hap2 кукурузы линии ГПЛ-1.
В геноме кукурузы впервые найдены и локализованы нуклеотидные последовательности генов взаимодействия (ZM_gex2, ZM_ес1) и слияния (ZM_hap2) мембран гамет в генеративных и вегетативных тканях двух линий (ЗМС-П и ГПЛ-1) кукурузы. Установлена спермий-специфичная экспрессия гена ZM_gex2.
В A.tumefaciens получен вектор, несущий в составе Т-ДНК последовательность фрагмента гена ZM_gex2 кукурузы в антисмысловой ориентации.
По первичной нуклеотидной последовательности получена трехмерная модель мембранного белка HAP2 кукурузы и его вторичная структура (Рис. 1).


Рис. 1. Трехмерная модель мембранного белка HAP2 кукурузы.


Публикации по теме:
1. Волохина И.В., Моисеева Е.М., Гусев Ю.С., Гуторова О.В., Чумаков М.И. Анализ генов слияния гамет у гаплоиндуцирующей линии кукурузы ЗМС-П // Онтогенез. 2017. № 2. С. 134-139. DOI: 10.7868/S0475145017020094
2. Чумаков М.И. Матроклинная гаплоидия и взаимодействие гамет у кукурузы (обзор) // Генетика. 2018 Т. 54 №10 с. 1120 – 1124. DOI: 10.1134/S1022795418100058 (WebSc)

Тема исследований лаб. биоинженерии в 2013-2017 гг.:
2. Изучение транспорта агробактериальных ДНК-белковых комплексов в растительные и животные клетки» № гос. регистрации 01201359048

Наиболее значимые результаты по теме в 2012-2017 гг.:
Получены экспериментальные доказательства переноса Т-ДНК агробактерий в генеративные клетки кукурузы через пестичные нити.
Впервые осуществлен перенос антисмысловой последовательности пролиндегидрогеназы арабидобсиса в геном кукурузы методом in planta. Получены ПЦР-позитивные растения кукурузы, с увеличенным содержанием свободного пролина в тканях листа, что коррелировало со способностью к росту на фоне засоления.

Публикации по данному разделу:
1. Моисеева Е.М., Агафонов Д.А., Великов В.А., Волохина И. В., Чумаков М.И. Повышение содержания пролина в растениях кукурузы, экспрессирующих антисмысловой супрессор гена пролиндегидрогеназы // Физиология растений. 2012. Т. 59. № 3. С.457-460.
2. Moiseeva Y.M., Velikov V.A., Volokhina I.V., Gusev Yu.S., Yakovleva O.S., Chumakov M.I. Agrobacterium-mediated transfоrmation of maize with antisense suppression of the proline dehydrogenase gene by an in planta method // British. Biotech. J. 2014. V. 4. P. 116-125.
3. Волохина И.В., Великов В.А., Моисеева Е.М., Чумаков М.И. Анализ распространения и выживания агробактерий после инокуляции пестичных нитей кукурузы // Микробиология. 2016. Т. 85. С. 66-72.

Получены данные по морфологии оцДНК-белковых комплексов (Рис. 2). Показано, что упаковка (длина) оцДНК-VirE2-белкового комплекса может уменьшаться при увеличении соотношения ДНК:белок в комплексе. Установлено, что совместная инкубация клеток с VirE2 и одноцепочечной ДНК (оцДНК) длиной 200 н.о. приводит к увеличению накопления оцДНК в клетках почек эмбрионов свиньи (СПЭВ) кавеолин-, клатрин-независимым путем, тогда как олигонуклеотиды (23 н.о.) накапливаются в клетках СПЭВ с участием клатрин-зависимого эндоцитоза.


Рис. 2. Трансмиссионная электронная микроскопия ДНК-белкового комплекса, состоящего из оцДНК (ПЦР фрагмент гена gfp, 700 н.о.) и белка VirE2 (в соотношении 1 : 30). Контрастирование 1% уранилацетатом.


Публикации по данному разделу:
1. Волохина И.В., Гусев Ю.С., Мазилов С. И., Чумаков М.И. Надмолекулярные комплексы белка вирулентности VirE2 Agrobacterium tumefaciens // Биохимия. 2011. Т.76. № 11. С. 1576-1582.
2. Волохина И.В., Гусев Ю.С., М.И. Чумаков. Исследование накопления олигонуклеотидов животными клетками, опосредованное белком VirE2 // Нанотехнологии и охрана здоровья. 2013. Т. 5. № 1. С. 32-39.
3. Volokhina I., Gusev Y., Mazilov S., Moiseeva Y., Chumakov M. Computer evaluation of VirE2 protein complexes for ssDNA transfer ability // Comput. Biol. Chem. 2017. V. 68. P. 64-70.

Экспериментально подтверждено, что белок VirЕ2 может формировать одиночные поры в мембране. Впервые компьютерными методами показано, что в модельной структуре, из двух и четырех субъединиц VirE2, расположенной в бислойной мембране, возможно образование пор с диаметром канала 2.2 и 4 нм, соответственно (Рис. 3).


Рис. 3 Компьютерное моделирование структуры комплекса из четырех субъединиц белка VirE2 в липидной мембране.


С помощью метода нормальных мод оценены колебательные движения модели комплексов белков VirE2-VirE1, комплекса из двух и четырех белков VirE2. В комплексе из двух белков VirE2 обнаружены колебательные движения, возможно, представляющие собой воротный механизм, аналогичный механизму в ионных каналах. Среди колебаний комплекса из четырех белков VirE2 не обнаружены изменения конформации канала поры. С помощью метода молекулярной динамики установлено, что модель комплекса белков VirE2-VirE1 достигает равновесного, стабильного состояния при времени моделирования до 500 пс.

Впервые проведен поиск неупорядоченных областей (intrinsically disordered regions) в структуре агробактериального белка VirE2. С помощью метода полноатомной молекулярной динамики изучается конформационная подвижность и стабильность полной модели белка VirE2 с учетом отсутствующих N- и С-концов белка (Gusev et al., 2019).


Рис. 4 Конформационная подвижность и стабильность полной модели белка VirE2 с учетом отсутствующих N- и С-концов белка.


Публикации:
1. Volokhina I.V., Gusev Yu.S., Mazilov S.I. Chumakov M.I. VirE2-dependent pores for ss-DNA transfer across artificial and cell membranes // J. Bioinform. Comput. Biol. 2012. V. 10. P. e1241009.
2. Чумаков М.И., Мазилов С.И., Гусев Ю.С., Волохина И.В. Исследование способности агробактериального белка VirE2 к образованию пор в мембранах // Биомембраны. 2010. Т. 27. № 5. P. 449-454.
3. Gusev Yu. S, Mazilov S.I., Volokhina I.V., Chumakov M.I. In silico evaluation of the integration of Agrobacterium VirE2 protein into a lipid membrane // FEBS Letters. 2013. V. 280. Suppl. 1. P. 542.
4. Volokhina I., Gusev Y., Mazilov S., Moiseeva Y., Chumakov M. Computer evaluation of VirE2 protein complexes for ssDNA transfer ability // Comput. Biol. Chem. 2017. V. 68. P. 64-70.
5. Gusev Y., Mazilov S., Volokhina I., Chumakov M. Agrobacterial, single-stranded DNA-binding protein VirE2 and its complexes. J. Comp. Biol. 2019. V. 26. P.1-8. DOI: 10.1089/cmb.2019.0243.

Сведения о поддержке исследований лаборатории биоинженерии грантами:
Работы лаборатории биоинженерии в 2013-2019 гг. поддержаны грантами
1. РФФИ: 14-04-31206 мол_а (2014-2015); 15-04-08413/15 (2015-2017); 18-016-00155а (2018-2020); 18-29-14048мк (2019-2021).
2. Грантом Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых МК-2187.2019.4 (2019-2020).

Сотрудничество
Лаб. биоинженерии ИБФРМ РАН заключила договора о творческом научно-техническом сотрудничестве и обмене научно-технической продукцией:
1) С кафедрой генетики Саратовского госуниверситета (Зав. каф. генетики д.б.н. Юдакова О.И.) с 2019 г.
2) С Российским научно-исследовательским и проектно-технологическим институтом сорго и кукурузы (Директор Горбунова В.С.) с 2019 г.

Сведения о научно-педагогической деятельности:
Чумаков М.И. в качестве профессора аспирантуры ИБФРМ читал курс лекций по «Биотехнологии» в 2003-2017 гг., а с 2018 г. курс лекций по «Основам генетической инженерии» для аспирантов ИБФРМ.
Чумаков М.И. в 2016 г. прочитал курс лекций по направлению «Биоинформатика» для студентов 3 курса биологического ф-та Саратовского университета, специализирующихся по специальностям «биоинженерия, биоинформатика».
Чумаков М.И. в качестве профессора базовой кафедры биофизики факультета нелинейных процессов Саратовского госуниверситета (ФНП СГУ) читал в 2001-2014 гг. курс лекций по «Экологии» для студентов 2-го курса ФНП СГУ.
Чумаковым М.И. подготовлено несколько десятков студентов-дипломников биологического и химического факультетов, а также факультета нелинейных процессов Саратовского госуниверситета. Подготовлено к защите пять кандидатов наук. Издано 3 методических пособия для студентов СГУ.

Волохиной И.В. в 2005-2007 гг. в Саратовском государственном университете на базе НОЦ «Нелинейная динамика и биофизика» проводились лекционные и практические занятия по курсу «Методы молекулярной биологии, генетики и биотехнологии» для студентов кафедры биофизики факультета нелинейных процессов.

Волохиной И.В. совместно с Чумаковым М.И. было издано учебное пособие:
Практические занятия по курсу «Методы молекулярной биологии, генетики и биотехнологии. Учебное пособие для студентов. Саратов. Изд. центр «Наука» 2007 60 с.

Волохина И.В. являлась руководителем курсовых и дипломных работ у студентов кафедры биофизики факультета нелинейных процессов Саратовского госуниверситета.
Волохина И.В. читает курс лекций «Молекулярно-генетические исследования методом ПЦР» для аспирантов ИБФРМ c 2019 г.
В 2014 г. Гусев Ю.С. защитил диссертацию «Структура и функции белка VirE2 в переносе оцДНК в эукариотические клетки» на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.01.02 – биофизика. Научный руководитель – Чумаков М.И.
Гусев Ю.С. вел в 2016 г. практические курсы по специальности: «Биоинформатика» для студентов 3 курса специализации «биоинженерия и биоинформатика» биологического факультета Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского.
Гусев Ю.С. вел практики «Молекулярно-генетические исследования методом ПЦР» в рамках курса «Основы генетической инженерии» для аспирантов ИБФРМ РАН в 2018-2019 гг.
Гусев Ю.С. подготовил новый курс лекций с 2019 г.: «Структурная компьютерная биология» для аспирантов ИБФРМ РАН.

Награды и премии сотрудников:
1. Гусев Ю.С. стал победителем конкурса (в числе 17 молодых российских ученых) на премию для участия в 38-м Конгрессе Федерации биохимических обществ Европы (FEBS) и 13-м Форуме молодых ученых (YSF 2013 FEBS, Санкт-Петербург), 6-10 июля 2013.
2. Волохина И.В. получила благодарность от Министерства промышленности и энергетики Саратовской области за добросовестный труд, достигнутые результаты в научно-исследовательской деятельности в 2014 г.
3. Гусев Ю.С. получил 3-е место за лучший устный доклад на английском языке на шестой Международной школе молодых ученых «Системная биология и биоинформатика», Новосибирск, июнь 23-28, 2014.
4. Гусев Ю.С. получил благодарность от Министерства промышленности и энергетики Саратовской области за добросовестный труд, достигнутые результаты в научно-исследовательской деятельности в 2015 г.
5. Гусев Ю.С. получил первую премию и медаль в конкурсе молодых ученых VIII Московского международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития-2015» на лучшую научно-исследовательскую работу в категории кандидаты наук, молодые ученые в возрасте до 35 лет (с ученой степенью), 17-20 марта 2015 г., Москва
6. Гусев Ю.С. стал победителем областной ежегодной премии им. П.А. Столыпина в номинации «За выдающиеся достижения в области науки» (2016 г.).
7. В 2018 г. Гусев Ю.С. стал победителем конкурса докладов молодых ученых на 18-ой научной конференции молодых ученых «Биотехнология в растениеводстве, животноводстве и ветеринарии» в номинации «Лучший стендовый доклад» (19-20 апреля 2018 г., Москва).

Участие в экспертизе:
1. Чумаков М.И. с октября 2014 г. является экспертом Российского научного фонда, а с ноября 2014 г. включен в реестр экспертов Министерства образования и науки РФ. В 2011-2012 гг. являлся экспертом проектов Фонда содействия развития малых предприятий в научно-технической сфере.
2. Чумаков М.И. выступал в качестве рецензента в журналах: Pant Cell Report, Americ. J. Experimental Agriculture, Rice Science, Cereal Res. Communication, Биотехнология, Сельскохозяйственная биология, «Известия СГУ. Серия. Биология. Химия. Экология».