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 темеВ 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).
СотрудничествоЛаб. 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».
1. Чумаков М.И., Моисеева Е.М. Технологии агробактериальной трансформации растений in planta // Биотехнология. 2012. № 1. С. 8-20.
2. 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. DOI: 10.1134/S1021443712020070
3. 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. DOI: 10.1142/S0219720012410090
4. 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.
5. Чумаков М.И. Белковый аппарат, реализующий горизонтальный перенос Т-ДНК из агробактерий в эукариотические клетки (обзор) // Биохимия. 2013. Т. 78. № 12. С. 1670-1683. DOI: 10.1134/S000629791312002X
6. 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 J. 2013. V. 280. Suppl. 1. P. 542. DOI: 10.1111/febs.12340
7. 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.
8. Кулуев Б.Р., Вершинина З.Р., Князев А.В., Чемерис Д.А., Баймиев Ан.Х., Чумаков М.И., Баймиев Ал.Х., Чемерис А.В. «Косматые» корни растений – важный инструментарий для исследователей и мощная фитохимбиофабрика для производственников // Биомика. 2015. Т. 7. № 2. С. 70-120.
9. 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. DOI: 10.7868/S0026365616010146
10. Волохина И.В., Моисеева Е.М., Гусев Ю.С., Гуторова О.В., Чумаков М.И. Анализ генов слияния гамет у гапло-индуцирующей линии кукурузы ЗМС-П // Онтогенез. 2017. № 2. С. 134-139. DOI: 10.7868/S0475145017020094
11. 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. DOI: 10.1016/j.compbiolchem.2017.01.016.
12. Волохина И.В., Моисеева Е.М., Гуторова О.В., Гусев Ю.С., Чумаков М.И. Анализ экспрессии генов, связанных с метилированием ДНК у партеногенетической кукурузы // Биомика. 2018. Т. 10. № 2. С. 187-192. DOI: 10.31301/2221-6197.bmcs.2018-26
13. Чумаков М.И. Матроклинная гаплоидия и взаимодействие гамет у кукурузы (обзор) // Генетика. 2018. Т. 54. № 10. С. 1120-1124. DOI: 10.1134/S0016675818100053
14. Чумаков М.И., Гусев Ю.С., Богатырева Н.В., Соколов А.Ю. Оценка рисков распространения генетически модифицированной кукурузы с пыльцой при выращивании с нетрансформированными сортами // Сельскохозяйственная биология. 2019. Т. 54. № 3. С. 426-445. DOI: 10.15389/agrobiology.2019.3.426rus
15. 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.
16. Volokhina I., Gusev Y., Moiseeva Y., Fadeev V., Kolesova A, Gutorova O., Chumakov M. Expression of genes coding for chromatin-modifying enzymes maize embryo sacs before and after pollination //Plant Gene. 2020. DOI:10.1016/j.plgene.2020.100221
17. Gusev Y., Mazilov S., Volokhina I., and Chumakov M. Agrobacterial ssDNA-binding protein VirE2 and its complexes // Journal of Computational Biology 2020. – Vol. 27. No5. P. 675-682. DOI: 10.1089/cmb.2019.0243
18. Гусев Ю.С., Волохина И.В., Моисеева Е.М., Гуторова О.В., Чумаков М.И. Анализ распространения генетического материала маркированных линий кукурузы с пыльцой при совместном выращивании с обычными сортами // Генетика. 2020. Т. 56. № 10. С.1196-1199.
19. Гусев Ю.С., Гуторова О.В., Моисеева Е.М., Фадеев В.В., Зайцев С.А., Волков Д.П., Жук Е.А., Волохина И.В., Чумаков М.И. Оценка рисков переопыления кукурузы при совместном выращивании нескольких линий в условиях Юго-Востока Европейской части России // Сельскохозяйственная Биология, 2021. Т. 56. №1. С. 66-77. doi: 10.15389/agrobiology.2021.1.66rus.
20. Богатырева Н.В., Соколов А.Ю., Моисеева Е.М., Гусев Ю.С., Чумаков М.И. Правовое положение растений, полученных с использованием технологии редактирования генома: перспективы для России // Экологическая генетика. 2021. Т.19. №1. С. 89-101. DOI: 10.17816/ecogen42532
21. Volokhina I., Gusev Y., Moiseeva Y., Gutorova O., Fadeev, V., Chumakov M. Gene expression in parthenogenic maize proembryos // Plants 2021. V.10. 964. https://doi.org/10.3390/plants10050964
22. Гусев Ю.С., Гуторова О.В., Чумаков М.И. Барьер из высокорослой кукурузы предотвращает перенос пыльцы кукурузы в смешанных посевах // Экологическая генетика. 2021. – Т.19. № 4. С.313- 322.
23. Чумаков М.И., Мазилов С. И. Генетический контроль гиногенеза у кукурузы (обзор) // Генетика. 2022. Т.58. №4. C. 388–397. DOI: 10.31857/S001667582204004X
24. Моисеева Е. М., Гусев Ю. С., Гуторова О. В., Чумаков М. И. Сравнительный анализ экспрессии генов HAP2/GCS1, GEX2 у линий кукурузы саратовской селекции // Генетика, 2023. Т. 59. № 3. с. 327–335.
25.Моисеева Е.М., Фадеев В.В., Красова Ю.В., Чумаков М.И. Анализ мутаций у генов гиногенеза и партеногенеза кукурузы // Генетика 2023. Т. 59. № 9. (в печати)