Общепринятая на сегодняшний день базовая (жидко-мозаичная) физическая модель структурной организации клеточной мембраны описывает ее как сложную биологическую систему, которая характеризуется следующими свойствами: многомерностью, саморегуляцией, сложной пространственной формой, нелинейностью, сопряженностью множества процессов, временной динамичностью, термодинамической неравновесностью.
Согласно этой модели, клеточные мембраны состоят из различных липидных, белковых и углеводных соединений. Мембранные компоненты динамически взаимодействуют друг с другом, регулируя клеточные сигнальные системы и межклеточную коммуникацию. Хорошо исследована на сегодняшний день различными физико-химическими методами структурная организация белковых и углеводных компонентов биологической мембраны. Однако, остается открытым вопрос об физико-химических алгоритмах структурной организации липидов мембраны, позволяющие ей сочетать структурную динамичность и функциональную целостность. Это связано с плохой изученностью липид-липидных межмолекулярных взаимодействий в биологической мембране, которые имеют малую энергию, очень короткие временные промежутки, малые масштабы и высокую локальность.
Междисциплинарная исследовательская группа МГУ, используя гибридный экспериментально-теоретический метод, разработала математические алгоритмы расчета поляризованности отдельных глицерофосфолипидов и холестерина. Это позволит при моделировании латеральной кластеризации различных липидов в мембране оценить их поляризуемость и структурную прочность. Для эффективной работы с математическими алгоритмами создается специальная программная платформа с базой ключевых параметров исследуемых органических молекул, которые являются основными структурными элементами мембран клеток различных типов.
Было дано описание математической модели расчета изменения потенциальной энергии липид-липидного межмолекулярного взаимодействия глицерофосфолипидов и холестерина при их латеральной кластеризации в димеры и тримеры. Для выполнения принципа суперпозиции разрабатывается математический алгоритм линеаризации нелинейных уравнений, которые используются при расчете изменения потенциальной энергии липид-липидного межмолекулярного взаимодействия.
«Работа имеет большое фундаментальное и прикладное значение, поскольку она открывает новые возможности для исследований в области моделирования структурной организации и функциональной активности мембраны, а также создания ее цифровой модели, — отметил научный руководитель проекта ведущий программист лаборатории инженерии знаний Института математических исследований сложных систем МГУ Юрий Усс. — Другим важным результатом нашей работы является возможность продемонстрировать эффективность междисциплинарного подхода в научных исследованиях, который позволяет шире рассмотреть изучаемую проблему и применить разнообразные исследовательские подходы».
Полученные результаты могут использоваться для разработки технологических решений по синтезу липосом и липосомальных наноструктур на основе природных липидов, синтетических липидов и синтетических амфифильных молекул, стандартизированных по физико-химическим и функциональным характеристикам.
Другое направление — создание мембранных сенсорных чипов для микрофлюидных систем с целью диагностики различных биомаркеров в организме
Работа выполнена при поддержке Программы развития МГУ, в рамках деятельности НОШ МГУ «Математика», проект № 23-Ш05−07 «Формализация кластерной модели липид-липидного взаимодействия в биологической мембране».
Согласно этой модели, клеточные мембраны состоят из различных липидных, белковых и углеводных соединений. Мембранные компоненты динамически взаимодействуют друг с другом, регулируя клеточные сигнальные системы и межклеточную коммуникацию. Хорошо исследована на сегодняшний день различными физико-химическими методами структурная организация белковых и углеводных компонентов биологической мембраны. Однако, остается открытым вопрос об физико-химических алгоритмах структурной организации липидов мембраны, позволяющие ей сочетать структурную динамичность и функциональную целостность. Это связано с плохой изученностью липид-липидных межмолекулярных взаимодействий в биологической мембране, которые имеют малую энергию, очень короткие временные промежутки, малые масштабы и высокую локальность.
Междисциплинарная исследовательская группа МГУ, используя гибридный экспериментально-теоретический метод, разработала математические алгоритмы расчета поляризованности отдельных глицерофосфолипидов и холестерина. Это позволит при моделировании латеральной кластеризации различных липидов в мембране оценить их поляризуемость и структурную прочность. Для эффективной работы с математическими алгоритмами создается специальная программная платформа с базой ключевых параметров исследуемых органических молекул, которые являются основными структурными элементами мембран клеток различных типов.
Было дано описание математической модели расчета изменения потенциальной энергии липид-липидного межмолекулярного взаимодействия глицерофосфолипидов и холестерина при их латеральной кластеризации в димеры и тримеры. Для выполнения принципа суперпозиции разрабатывается математический алгоритм линеаризации нелинейных уравнений, которые используются при расчете изменения потенциальной энергии липид-липидного межмолекулярного взаимодействия.
«Работа имеет большое фундаментальное и прикладное значение, поскольку она открывает новые возможности для исследований в области моделирования структурной организации и функциональной активности мембраны, а также создания ее цифровой модели, — отметил научный руководитель проекта ведущий программист лаборатории инженерии знаний Института математических исследований сложных систем МГУ Юрий Усс. — Другим важным результатом нашей работы является возможность продемонстрировать эффективность междисциплинарного подхода в научных исследованиях, который позволяет шире рассмотреть изучаемую проблему и применить разнообразные исследовательские подходы».
Полученные результаты могут использоваться для разработки технологических решений по синтезу липосом и липосомальных наноструктур на основе природных липидов, синтетических липидов и синтетических амфифильных молекул, стандартизированных по физико-химическим и функциональным характеристикам.
Другое направление — создание мембранных сенсорных чипов для микрофлюидных систем с целью диагностики различных биомаркеров в организме
Работа выполнена при поддержке Программы развития МГУ, в рамках деятельности НОШ МГУ «Математика», проект № 23-Ш05−07 «Формализация кластерной модели липид-липидного взаимодействия в биологической мембране».