Развитие научных исследований на кафедре исторически связано с расшифровкой механизмов перестройки функциональных свойств транспортных систем плазматической мембраны и физиолого-биохимических процессов растительных клеток под влиянием экзогенных физико-химических стрессоров. При их действии происходит переключение обмена веществ клетки и растения в целом на новый режим. Для поддержания процессов жизнедеятельности клетки в нормальных и новых условиях среды необходимы взаимосвязанные системы регуляции, включающие генетическую, метаболическую и мембранную. Одной из компонент осуществления мембранной регуляции является изменение свойств транспортных систем плазматической мембраны.
Транспортные системы плазмалеммы обеспечивают неравновесное распределение электролитов и органических веществ по обе стороны мембраны, их поступление, поддержание оптимального внутриклеточного гомеостаза, рецепцию и трансдукцию экзогенных сигналов.
В основе указанных явлений лежит единый первичный рецепторно-конформационный принцип, который в самом общем виде состоит в следующем: взаимодействие белковой молекулы (рецептор) со специфическим эффектором приводит к изменению конфигурации рецептора и последующей передаче сигнала к внутриклеточным мишеням, обеспечивающим быстрый физиологический ответ. Одним из типов рецепторов, встроенных в плазматическую мембрану, являются белковые молекулы, образующие ионные каналы и другие транспортные системы. Экзогенный эффектор, вступая во взаимодействие с транспортными системами плазмалеммы, приводит к модификации их проводимости.
Основными транспортными системами на плазмалемме растительных клеток являются калиевые каналы, неселективные ионные каналы, Н+-АТФазная помпа. В зависимости от глубины модифицирующего мембранотропного действия экзогенных факторов изменяется характер и способность клетки и организма в целом адаптироваться к новым условиям.
Рассмотрим вкратце полученные нами за предыдущие годы закономерности действия стрессоров на транспортно-барьерные свойства плазмалеммы растительной клетки.
В результате анализа кратковременного и длительного воздействия повышенной и пониженной температур на клетку in vivo установлены механизмы термоиндуцируемой модификации свойств систем пассивного транспорта ионов плазматической мембраны растительной клетки.
Изучено воздействие широкого круга пестицидов на защищаемые культурные растения. Показано, что большинство пестицидов приводит к различного рода и глубины функциональным перестройкам ион-транспортных систем плазматических мембран.
Обусловленные катастрофой на Чернобыльской АЭС радиоэкологические исследования показали, что уровень накопления выпавшего радиоцезия в культурных растениях определяется соотношением проводимости калиевых и неселективных ионных каналов плазматических мембран.
Исследования в области биотехнологии, направленные на изучение индуцированных полисахаридами изменения ионного транспорта и физиолого-биохимических свойств иммобилизованных растительных клеток, позволили установить следующие закономерности:
- показано, что включение клеток в Са-альгинатный гель повышает их жизненспособность по сравнению с иммобилизованными в агаре и свободными клетками при хранении в различных условиях освещенности и температуры;
- альгинатные гели активируют транспорт нитратов и снижают входящие потоки калия по сравнению с суспедированными клетками;
- мембранотропные эффекты отрицательно заряженных полисахаридов обусловлены взаимодействием с липидным бислоем и выражается в увеличении неселективной ионной проводимости плазматической мембраны;
- в процессе хранения отмечается изменение соотношения хлорофилла а и хлорофилла в. В наибольшей степени стабилизирующее влияние полисахаридных гелей сказывается на содержании хлорофилла а в клетках;
- иммобилизация растительных клеток в полисахаридных гелях (особенно в агаре) оказывает стабилизирующее действие на состояние фотосинтетических пигментов. За 60 суток хранения клеток в темноте при температуре 5оС суммарное содержание хлорофиллов снизилось лишь на 5 %;
- установлено, что иммобилизованные в кальций-альгинатных гранулах клетки суспензионной культуры Syringa vulgaris характеризуются более высоким уровнем синтеза и экскреции фенольных соединений по сравнению со свободными клетками культуры.
В настоящее время научные исследования, проводимые на кафедре, охватывают широкий спектр разделов биологии, имеющих как фундаментальное, так и прикладное значение.
Клеточная биология и биофизика растений и животных:
- Исследование структуры и функции мембранных траспортеров, ионных каналов и рецепторов клеток растений и животных, систем сигнальной трансдукции, вторичных посредников, цитоскелета, клеточной стенки, запрограммированной клеточной гибели, автофагии и других систем растительной клетки.
- Развитие электрофизиологических методик, таких как пэтч-кламп, а также люминометрии, спектрофлуориметрии, флуоресцентной микроскопии, метода меченных атомов, количественного ПЦР-анализа.
- Развитие метода гетерологической экспрессии генов ионных каналов растений в клетках человека (HEK 293) с их дальнейшим анализом при помощи техники пэтч-кламп.
- Развитие метода СОМЕТ для детекции повреждения ДНК у растений и животных.
- Изучение роли активных форм кислорода (АФК) в жизнедеятельности растительной клетки.
- Исследование механизмов окислительного стресса при помощи спектроскопии электронного парамагнитного резонанса.
- Анализ функций экзогенной L-аскорбиновой кислоты и антиоксидантной системы клетки.
- Установление механизмов перестройки фотосинтетического аппарата высших растений при тепловом стрессе, атаке патогенов и других воздействиях с использованием техники РАМ-флуориметрии (triple PAM).
- Установление механизмов ответа растительной клетки на стрессовые воздействия различной природы, в частности, тяжелых металлов, засоления, экстремальных температур и засухи.
Системная биология и биоинформатика растений:
- Создание платформ высокопроизводительного фенотипирования высших растений и водорослей.
- Разработка нейронных сетей для распознавания видов и сортов растений, а также их физиологического состояния и поражения патогенами.
- Разработка нейронных сетей для анализа морфологии клеток культур микроводорослей и поврежденных ядер растительных клеток (электрофорез одиночных ядер).
- Математическое моделирование биологических систем, анализ изображений растений.
Биотехнология и биоинженерия растений:
- Создание инновационных биотехнологий с использованием широкого спектра покрытосеменных растений, мхов и водорослей.
- Получение высокопроизводительных культур клеток, тканей и органов растений.
- Установление физиолого-биохимических механизмов, контролирующих процессы набора биомассы и биосинтеза биологически-активных веществ в культурах in vitro.
- Развитие биоинженерных подходов: микроклональное размножение растений, цифровое фенотипирование растений, создание компьютерных программ обработки феномной информации на основе систем машинного обучения, использование техники иммобилизации клеток, разработка инновационных продуктов для укоренения и дезинфекции древесных растений, корневой и черенковый прайминг, зеленый нанобиосинтез, использование наночастиц для стимуляции и контроля метаболических и ростовых процессов в культурах in vitro.
Разработка новых методических подходов:
- Разработка и усовершенствование электронных учебно-методических комплексов для преподавания дисциплин, связанных с клеточной и системной биологией растений, биоинженерией, биоинформатикой и физикой.
| Оборудование | Ответственное лицо |
|---|---|
| ЭПР спектрометр SpinScan X (Адани) | Мацкевич В.С. |
| Ионный хроматограф Shine D300+ | Муравицкая А.О. |
| Высокоэффективный жидкостный хроматограф | Пшибытко Н.Л. |
| Масс-спектрометр с индуктивно-связанной плазмой iQuad Hansel | Мацкевич В.С. |
| Система микроволнового разложения Preekem | Алексеева М.И. |
| Пламенный фотометр Sherwood M410 | Самохина В.В. |
| Система локальной фиксации потенциала на мембране Axon | Гриусевич П.В. |
| Вапоосмометр Elitech Group | Гриусевич П.В. |
| Электрофизиологическая система с вибрационными электродами MIFE3 | Соколик А.И. |
| Электрофизиологическая установка регистрации K+ | Соколик А.И. |
| Система патч-кламп HEKA 1 | Гриусевич П.В. |
| Aria Mx Real-Time PCR | Самохина В.В. |
| Система визуализации Azure biosystem c200 | Самохина В.В. |
| Фотометр для микропланшетов Biosan MPO-96 | Самохина В.В. |
| Люминометр Berthold Sirius 2 | Мацкевич В.С. |
| UV-Vis спектрофотометр Variant Cary 50 Bio | Филиппова С.Н. |
| UV-Vis спектрофотометр Specord 250+ | Пшибытко Н.Л. |
| Спектрофлуориметр Variant Cary Eclipse | Филиппова С.Н. |
| Спектрофлуориметр Solar | Пшибытко Н.Л. |
| Флуоресцентный микроскоп инвертированный Nixcope NIB900 | Филипцова Г.Г. |
| Система регистрации ассимиляции CO2 и транспирации LI-COR Li 6800 | Пшибытко Н.Л. |
| Система мониторинга содержания кислорода Hansatech OxyLab+ | Пшибытко Н.Л. |
| Анализатор Dual-KLAS-NIR Ch Fluorescence & P700/PC/Fd Walz | Пшибытко Н.Л. |
| 3D Imaging PAM Chlorophyll fluorescence system | Муравицкая А.О. |
| Гиперспектральная камера Muses 9hs | Кощиц Т.О. |
| Система высокопроизводительного цифрового фенотипирования растений TraitFinder с двумя мультиспектральными камерами PlantEye F600 (Phenospex, Нидерланды) | Прохорчик П.О. |