生物电化学实验室

科学兴趣领域和科学研究方向
▪ 开发用于检测单分子并确定其特性的纳米流体装置
使用纳米孔的分子传感是蛋白质组学的主要工具之一。然而,其应用仅限于水溶性分子和复合物,并且通常在与所研究对象的自然环境有很大不同的条件下实施。
在我们的实验室中,利用膜片钳技术和电生理学测量,我们正在探索如何将由合成脂质(脂质双层)形成的仿生膜纳米管用作具有受控管腔半径和受控分析物分子运输的弹性纳米孔。脂质膜的弹性特性确保纳米孔壁在外力影响下可逆变形,脂质双层的液晶态提供了与纳米孔内表面结合的蛋白质的电迁移。我们正在研究流经此类纳米孔的离子电流的噪声特性在多大程度上允许它们用于单个蛋白质分子的检测和识别,并且我们还在开发有效递送(载体)所研究蛋白质的方法纳米孔内部。与此同时,我们正在对弹性纳米孔与单个蛋白质的弹性相互作用进行理论和实践研究,蛋白质的几何形状、尺寸和刚性会如何影响纳米孔膜壁的局部变形,进而影响其离子电导率,目的是解决逆问题——根据其留下的特征变形“印记”确定上述的蛋白质参数。为了将蛋白质吸引到纳米孔的外表面,我们使用特殊设计的折叠体双头基两亲分子(FBA),它们跨膜位于脂质双层中,可以作为外部的配体,与蛋白质结合,并通过电场与内部施力点结合,使蛋白质被拉过孔。除了基础工作外,我们还解决了创建基于固态纳米孔的病毒和类病毒颗粒探测器的应用问题,以及它们在微流控芯片中的实现。

▪ 健康和疾病中脂质双层拓扑重排(生物膜的分裂和融合)过程中的纳米力学。
专门的蛋白质负责细胞膜的分裂/融合,其功能活性被降低为高度弯曲的膜结构的创建,其中,由于尚不清楚的原因,脂质双层发生不稳定及其随后的重组 - 结合将两个双层分成一个或将一个双层分成两层。在这种情况下,保持脂质双层的屏障特性极其重要。 据推测,膜在大的弯曲变形期间(包括融合和裂变期间)形成导电缺陷,这可能是细胞病理学出现或发展的原因,最终导致各种疾病。膜拓扑重排过程的正常化可能是对抗此类疾病的方法之一。相反,抵消病毒融合蛋白的正常功能是预防包膜病毒(乙型和丙型肝炎病毒、流感病毒、冠状病毒)感染细胞的一种方法。  如果没有对脂质双层最终强度的定量了解,我们就不可能了解专门从事膜重组的蛋白质的运作原理和进化发展,以及与这些蛋白质功能破坏或脂质稳态破坏相关的病理原因在我们的实验室中,我们正在开发一种基于电生理测量的测试系统,以评估脂质双层的弯曲强度,识别导致弯曲时结构稳定性丧失的物理因素以及随后拓扑重组的分子途径,并尝试确定脂质成分和离子环境在此过程中的作用。 作为具有强弯曲变形的膜的模型,我们使用膜片钳方法从脂质双层中提取的膜纳米管。除了研究膜在极端变形下的力学的实验方法外,我们还使用在连续介质弹性理论和膜热力学以及分子动力学方法框架内开发的理论模型。
▪ 两亲性脂质在生物膜形态发生中的作用
 改变细胞膜的形状在各种生物过程中发挥着重要作用,例如细胞和细胞器分裂、信号转导以及细胞内和细胞间运输。改变膜形状的一种方法是形成管,即从膜表面突出的圆柱形结构。这些管与所谓的池(扁平囊)一起在内质网中形成复杂的运输网络,其中发生蛋白质和脂质的合成、折叠和运输。 确保其各个部分之间的通信。 在内吞作用过程中也可以观察到膜管化,它在细胞外颗粒的摄取和膜成分的回收中发挥着至关重要的作用。如今,已经确定了细胞用来改变膜形状,特别是形成膜管的许多机制。其中之一是膜与特殊外周蛋白的相互作用,其功能是识别并产生脂质双层(任何细胞膜的液晶基质)的弯曲变形。这一过程与两亲性螺旋 ,蛋白质或肽片段的结合有关,其中疏水性和亲水性氨基酸位于螺旋的相对表面。使用电生理学(膜结构离子电导的测量)、原子力显微镜和荧光显微镜(共焦显微镜,TIRF),我们研究两亲性肽、各种外周蛋白和病毒融合蛋白如何改变脂质双层的机械和几何参数,以及我们正在尝试确定这些变化在健康和疾病中创建高度弯曲的膜结构中的作用。

▪ 开发用于寻找针对耐药金黄色葡萄球菌的新一代抗生素的实验平台。
需要获得大量金黄色葡萄球菌 RNA 聚合酶才能结晶该蛋白质并使用 X 射线衍射分析解析其三维结构。该系统将使获得金黄色葡萄球菌RNA聚合酶与具有抗菌活性的低分子化合物的复合物成为可能。 解决此类复合物的三维结构将有助于有针对性地开发对金黄色葡萄球菌和相关细菌病原体具有活性的高度特异性的新一代抗生素。

▪ 真核生物转录突变机制的研究。
与 RNA 聚合酶包含错误核苷相关的突变在所有细胞 RNA 中都有一定的频率发生。对于一般 RNA 库来说,此类错误的频率被认为很低,但对于某些细胞 RNA 来说,具有突变的分子比例可能很大。众所周知,转录准确性会根据转录 DNA 的序列和细胞的生理状态而变化。在衰老和至少某些类型的癌症中观察到转录突变频率增加。转录诱变频率的增加导致细胞中蛋白毒性应激的发展及其活力的降低。DNA 序列转录过程中发生突变的分子机制(其频率最高)目前尚不清楚。冷冻电子显微镜和 X 射线衍射分析的使用将使我们能够确定转录突变的结构基础。 反过来,这将使通过调节转录突变强度来研究细胞和动物中转录突变的作用成为可能。

▪ 体外感觉细胞测试系统的创建
创建感觉细胞系统方向的相关性与寻找筛选各种化合物的新模型有关,这些化合物是针对冠状病毒 SARS-COV-1 和 SARS-COV-2 的潜在药物,可引起严重的呼吸道感染。冠状病毒S蛋白RBD结构域的高变性使得病毒能够逃避旧疫苗版本引起的免疫反应,这使得寻找影响病毒的新靶点变得迫切。病毒的 3CL 蛋白酶可能成为这样的靶标,因为一方面,这种酶的工作对于病毒的生命周期至关重要,另一方面,这种蛋白质对于整个冠状病毒家族来说非常保守。我们正在开发的传感器细胞系统,基于嵌合荧光蛋白标签技术,将能够定量识别SARS-COV-2冠状病毒的3CL蛋白酶的正确操作。 这将使我们能够使用该模型来解决几个科学问题,例如,筛选小分子抑制剂或创建真核展示以寻找抑制蛋白酶作用的单域抗体。 

▪ 开发健康人的分子遗传学诊断和健康发生监测方法。
体内平衡是一个复杂的动态过程,发生在身体的所有结构和功能水平以及各种器官和组织中,以确保身体的功能并执行与环境的正常生物和生产关系所需的许多功能。身体不断受到致病因素的影响,导致组织发生不同程度和形式的病理变化。然而,这些变化被保护性健康遗传机制消除,防止局部病理转化为疾病。 只有当健康发生机制受损或不足,身体无法发挥所需的最佳程度时,病理过程才会转变为疾病。 
作为衡量健康人的健康水平的指标,可以使用其身体的生理稳定性,以干扰致病作用后的恢复率来衡量[Gijzel, S. M. W. et al., J. Am. Geriatr. Soc. 2019; Whitson, H. E. et al., J. Gerontol. Series A: Biomed. Sci. Med. Sci. 2015]。生理复原力与死亡率有联系[GM, O. R. et al. Crit. Care Med. 2016],所以复原力的变化可能成为即将发生的健康后果的早期预警信号。因此,为了合理地设计、开发和测试有效的健康干预措施,需要更好地定量理解生理状态的缓慢动态、持续性以及发病率和死亡率随年龄的指数加速之间的复杂关系。这需要开发评估健康人身体的生理稳定性的方法。
我们正在国家任务“开发健康人的分子遗传学诊断和健康发生监测方法”的框架内解决这个问题。我们已经开始了一项纵向研究——监测俄罗斯联邦居民中一组专门选择的分子遗传标记和健康生理指标的变化以及发病率。为此,我们使用一种基于先前开发的统计模型来评估生理弹性的方法。[Pyrkov T.V. et al, Nat Comm 2021] 基于一般血液检测结果的大型数据库,利用机器学习方法,可以识别身体状态的动态指标(DISO),该指标与一个人的年龄和慢性疾病的数量相关。我们使用类似的方法,将其应用于 2016 年至今在俄罗斯联邦各个地理区域获得的人类血液的一般临床分析数据库。 正在对 DISO 与 COVID-19 流行病发展的相关性及其对俄罗斯联邦人口健康的影响进行研究
实验室拥有以下实验手段:高通量电生理方法(膜片钳、导纳谱、膜内场补偿)、原子力显微镜、共焦显微镜/筛选、全内反射显微镜、表面等离子体共振、蛋白质分离与结晶。 研究对象是模型脂质膜(双层脂质膜、巨型单层囊泡)、细胞、脂质纳米管和固态纳米孔。

实验方法

• 高性能电生理学方法:

- 膜片钳

- 导纳光谱

- 膜内场的补偿

• 原子力显微镜

• 共焦显微镜/筛选

• 全内反射显微镜

• 表面等离子体共振

• 蛋白质的分离和结晶

研究对象

1. 脂质膜模型:

- 双层脂质膜

- 巨大的单层囊泡

2. 细胞

3. 脂质纳米管

4. 固态纳米孔

发表的作品

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