name: САМООРГАНИЗАЦИЯ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ КРИСТАЛЛОВ И ПЛЕНОК
keyword_list: белковая кристаллография рентгеновские методы синхротронное излучение рассеяние нейтронов ленгмюровские пленки механизмы организации белковых молекул в растворе моделирование молекулярной динамики малоугловое рассеяние структура белковых систем в растворах
abstract: Знание механизмов взаимодействия белков с компонентами растворов крайне важно для понимания функционирования белков в нативной среде и определения фундаментальных принципов работы «молекулярных машин».
  Разработка и создание методов контроля и управления механизмами самоорганизации белков в упорядоченные системы позволит уже сегодня создавать эффективные технологические процессы дизайна и ускоренной разработки терапевтических препаратов и диагностических систем, технологий для сельского хозяйства и промышленной биотехнологии, а «завтра» создать технологии использования белков как функциональных элементов природоподобных технических систем. 
  Работа посвящена изучению фундаментальных закономерностей взаимодействия белковых молекул, механизмов их самоорганизации при формировании упорядоченных систем. Для изучения таких закономерностей в работе был разработан и апробирован новый подход к исследованию механизмов организации и структуры белковых систем, включая адаптацию и применение ряда синхротронных и нейтронных методов, молекулярное моделирование и создание специализированного инструментария.
  Цель работы: установить фундаментальные закономерности взаимодействия белковых молекул и их самоорганизации при формировании упорядоченных систем на основе применения нового подхода к многомасштабному исследованию механизмов организации и структуры белковых систем в растворах, основанного на применении синхротронных и нейтронных методов и молекулярного моделирования. 
  В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
  1.	Экспериментальная верификация гипотезы о том, что в процессе кристаллизации формируется промежуточная фаза из специфических 3D-фрагментов структуры кристалла белка в кристаллизационном растворе;
  2.	Разработка подходов, выбор и адаптация экспериментальных и вычислительных методов для изучения самоорганизации белковых молекул в упорядоченные системы, включая разработку методик и измерительных ячеек для обеспечения исследования структуры и динамики растворов, пленок и кристаллов с применением синхротронных и нейтронных методов, а также вычислительного эксперимента по моделированию взаимодействия белковых молекул;
  3.	Установление термодинамических параметров образования промежуточной фазы из упорядоченных олигомеров на всех стадиях образования упорядоченных белковых систем в широком диапазоне условий на примере лизоцима;
  4.	Определение роли ионов осадителя и механизмов взаимодействия белковых молекул лизоцима при самоорганизации в кристаллическую структуру;
  5.	Определение особенностей структуры и динамики промежуточной фазы в ленгмюровских монослоях и пленках;
  6.	Экспериментальное подтверждение выявленных принципов самоорганизации белковых молекул в кристалл для других белков: протеиназы К и термолизина.
  Выводы и основные результаты работы.
  1.	Разработан и апробирован подход к многомасштабному исследованию механизмов организации и структуры белковых систем, основанный на применении синхротронных и нейтронных методов и молекулярного моделирования. Разработаны и изготовлены специализированные измерительные ячейки, позволяющие проводить in situ исследования процессов формирования белковых кристаллов и пленок методами рентгеновской рефлектометрии, дифрактометрии, а также методом стоячих рентгеновских волн в области полного внешнего отражения в условиях гелиевой атмосферы, специальная микрофлюидная ячейка для проведения исследований методами малоуглового рассеяния. Создан измерительный комплекс для исследования белковых систем в нативном состоянии, включающий четыре измерительные ячейки. 
  2.	Взаимодополняющими методами малоуглового рассеяния рентгеновских лучей и нейтронов и дифракционными методами в серии экспериментов, выполненных на различных установках (дифрактометр АМУР-К, источники синхротронного излучения КИСИ-Курчатов (ДИКСИ, БиоМУР, РСА, «Белок») и ESRF (BM29 BioSAXS, ID23-1), источник нейтронов ИБР 2 (ЮМО)), установлено, что растворы лизоцима в условиях образования кристаллов тетрагональной сингонии содержат только три компоненты – мономеры (от 90 до 96 %), димеры (от 1 до 6 %) и октамеры (от 3 до 9 %).
  3.	Предложен подход к моделированию механизмов формирования кристаллов, основанный на проведении вычислительного эксперимента методом молекулярной динамики по определению стабильности белковых комплексов с определенной структурой, представляющих собой элемент белкового кристалла, при различных условиях. Рассчитана динамика олигомеров в растворе с осадителем и без. Показано, что в присутствии осадителя стабилен только один из исследуемых типов октамеров (содержащий ось 4-ого порядка), при этом другие типы октамеров, а также тетрамеры и гексамеры диссоциируют. В растворе без осадителя все олигомеры нестабильны.
  4.	Установлено, что концентрация октамеров в растворе лизоцима, содержащего осадитель, растет с увеличением концентрации белка и осадителя, а также с уменьшением температуры и при замене обычной воды на тяжелую. Показано, что при добавлении хлоридов металлов к раствору лизоцима степень увеличения концентрации октамеров в растворе коррелирует с положением иона металла в лиотропном ряду.
  5.	На основе анализа структуры кристаллов лизоцима, полученных при использовании в качестве осадителя хлоридов различных металлов, установлено взаимодействие ионов осадителя с молекулами белка. Показано, что ионы осадителя обеспечивают оптимальное распределение поверхностного заряда молекулы лизоцима, приводящее к образованию прекурсоров кристалла – октамеров; определено влияние различных ионов осадителя на равновесную концентрацию и конформационную стабильность октамеров, а также связывание прекурсоров между собой при дальнейшем росте кристаллов.
  6.	Апробирован подход к исследованию взаимодействия белковых молекул с ионами осадителя в модельной системе – ленгмюровском монослое, сформированном на поверхности водной субфазы из кристаллизационного раствора. Показано, что такие монослои и пленки лизоцима имеют толщину, равную диаметру октамера, высокую плотность и однородность. Установлено, что при формировании монослоя ионы осадителя формируют тонкий слой на границе раздела белок/субфаза, при этом структура «слой белка/слой осадителя/субфаза» остается стабильной не менее 12 часов, а также сохраняется при переносе монослоя на твердую подложку.
  7.	На основе анализа взаимодействий между молекулами протеиназы К в кристалле было предсказано, что наиболее вероятными единицами роста кристалла, которые могут устойчиво существовать в кристаллизационных растворах, являются димеры. Методом МУРР подтверждено, что растворы протеиназы К в условиях кристаллизации включают только две компоненты – мономеры и димеры.
  8.	На основе анализа взаимодействий между молекулами белка в кристалле термолизина сделано предположение, что наиболее вероятными единицами роста кристалла, которые могут устойчиво существовать в кристаллизационных растворах, являются димеры и гексамеры. Методом МУРР подтверждено, что растворы термолизина в условиях кристаллизации включают только три компоненты – мономеры, димеры и гексамеры.
chairman_dissertation_council.name: Михаил
chairman_dissertation_council.surname: Ковальчук
chairman_dissertation_council.patronymic: Валентинович
chairman_dissertation_council.position: руководитель научного направления
chairman_dissertation_council.degree: Доктор физико-математических наук
chairman_dissertation_council.rank: Член-корреспондент РАН
chairman_dissertation_council.wos_research_id: -
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 7003825275
chairman_dissertation_council.rinc_id: 22225
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Елена
organization_supervisor.surname: Иванова
organization_supervisor.patronymic: Сергеевна
organization_supervisor.position: Учёный секретарь
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 31.15.17
rubrics.name: Кристаллохимия и кристаллография
rubrics.code: 31.23.27
rubrics.name: Пептиды, белки
rubrics.code: 29.19.16
rubrics.name: Физика тонких пленок. Поверхности и границы раздела
rubrics.code: 29.19.22
rubrics.name: Физика наноструктур. Низкоразмерные структуры. Мезоскопические структуры
rubrics.code: 29.29.49
rubrics.name: Атомные кластеры. Молекулярные кластеры
oecds.code: 01.04.FI
oecds.name: CRYSTALLOGRAPHY
oecds.code: 01.03.UH
oecds.name: PHYSICS, ATOMIC, MOLECULAR & CHEMICAL
oecds.code: 01.03.UI
oecds.name: PHYSICS, MULTIDISCIPLINARY
speciality_codes.name: Кристаллография, физика кристаллов
speciality_codes.code: 01.04.18
supervisors.fio: Ковальчук М.В.
supervisors.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
supervisors.speciality_code: Физика конденсированного состояния
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Авдеев М.В.
opponents.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
opponents.speciality_code: Физика конденсированного состояния
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Макаров А.А.
opponents.scientific_degree: Доктор биологических наук
opponents.speciality_code: Молекулярная биология
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Суворов Э.В.
opponents.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
opponents.speciality_code: Физика конденсированного состояния
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.short_name: ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН
protection_organization.name: Федеральное государственное учреждение  «Федеральный научно-исследовательский центр «Кристаллография и фотоника» Росийской академии наук»
protection_organization.ogrn: 1037739548747
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения
author_organization.short_name: НИЦ "КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ"
author_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР "КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ"
author_organization.ogrn: 1027739576006
author_organization.supervisor_name: МАРАТ
author_organization.supervisor_surname: КАМБОЛОВ
author_organization.supervisor_patronymic: АРКАДЬЕВИЧ
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Правительство Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения