ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОЛОГИИ И БИОТЕХНОЛОГИИ

Учеными Института цитологии и генетики описан уникальный ген Su(UR)ES, супрессирующий недорепликацию в интеркалярном и прицентромерном гетерохроматине политенных хромосом Drosophila melanogaster. Ген локализован в хромосоме 3L, в положении 34.8 на генетической карте и в районе 68А3-В4 политенных хромосом. Мутация гена Su(UR)ES имеет уникальный цитологический фенотип, наблюдаемый в политенных хромосомах: в районах интеркалярного гетерохроматина, который обычно недореплицирован и образует так называемые "слабые точки" (рис. 4.1, а), недорепликация подавлена и "слабые точки" отсутствуют (рис. 4.1, b), степень политенизации прицентромерного гетерохроматина значительно выше, чем в норме. Ген Su(UR)ES не влияет на жизнеспособность, фертильность и морфологические характеристики имаго, имеет полудоминантный эффект в гетерозиготе и четкий материнский эффект. Результаты указывают на то, что процессы недорепликации интеркалярного и прицентромерного гетерохроматина регулируются одной генетической системой.

Рис. 4.1. Морфология прицентромерного района хромосомы 2 в нормальной линии дрозофилы (а) и мутантной линии Su(UR)ES (b).
Скобки на рисунке а указывают на "слабые точки" в районах 39D-E и 42 В хромосомы 2 в норме, в мутантной линии данные районы выглядят как плотные блоки.

Институтом цитологии и генетики и Институтом археологии и этнографии СО РАН совместно с Институтом терапии СО РАМН проводятся молекулярно-генетические исследования структуры генофондов древнего и современного населения Евразии для выяснения предрасположенности к наследственным мультифакториальным и инфекционным заболеваниям, а также для глобальной реконструкции эволюционных взаимоотношений между этническими группами. На основе сравнительного молекулярно-генетического анализа первичной структуры образцов древней ДНК осуществлена предварительная палеогенетическая реконструкция взаимоотношений одной из древних культур Алтая (Пазырыкская культура) с современным населением Евразии (левая часть рис. 4.2) Показана расовая гетерогенность состава пазырыкского населения: отмечено наличие как европеоидного компонента, так и автохтонного палеосибирского, характеризующегося промежуточным выражением европеоидных и монголоидных черт (селькупы и самодийцы). Изучено распределение в крупных этнических группах Сибири, Дальнего Востока и Центральной Азии полиморфных вариантов гена хемокинового рецептора CCR5, ответственного за распространение ВИЧ-инфекции (правая часть рис. 4.2). Показано, что вариант гена CCR5, характеризующийся устойчивостью к ВИЧ-инфекции, отсутствует у представителей монголоидной расы (якуты, чукчи, эскимосы, тувинцы) и с относительно высокой частотой представлен у финно-угорского населения Западной Сибири (11—18%). У русских частота этого варианта в среднем 10%. Данные позволяют прогнозировать предрасположенность этих групп к распространению ВИЧ-инфекции и СПИДа.

Рис. 4.2. Изучение генофонда древнего и современного населения Сибири.

Сотрудниками Института цитологии и генетики обнаружено, что точковые мутации в 6-м интроне триптофаноксигеназы человека, ассоциированные с рядом психических расстройств, приводят к изменению спектра транскрипционных факторов, взаимодействующих с интроном (рис. 4.3). Эти факты указывают на возможные механизмы изменения экспрессии гена, связанные с нарушением поведения.

В том же институте на основе метода диаллельных скрещиваний шести инбредных линий мышей впервые выяснен характер наследования гормональной активности клеток Лейдига семенников — основных продуцентов мужского полового гормона тестостерона. Установлен полигенный и координированный генетический контроль их эндокринной активности. В основе обнаруженной координации лежит коррелятивная наследственная изменчивость активностей ключевых ферментов стероидогенеза (рис. 4.4). Разработанная генетическая модель представляет эффективный инструмент для изучения молекулярно-генетических механизмов эндокринных функций.

Cотрудниками Новосибирского института биоорганической химии исследовано взаимодействие репликативного фактора А (RPA) c растущей ДНК. RPA состоит из трех субъединиц: 70 кДа, 32 кДа, 14 кДа (рис. 4.5). С помощью ДНК-дуплекса, содержащего фотореакционноспособные группы, введенные в 3' -конец ДНК-полимеразами in vitro и in vivo, на уровне хроматина впервые показано взаимодействие с 3' -концом растущей ДНК субъединицы 32 кДа. Полученные результаты позволяют описать механизм функционирования RPA в репликативной вилке.

Рис. 4.5. Модель взаимодействия репликативного фактора А с дуплексом ДНК, синтезируемым ДНК-полимеразами.

В том же институте для использования в качестве перспективных терапевтических препаратов для антисенс технологии созданы новые "химерные" олигонуклеотиды, в которых фрагменты коротких олигомеров соединены ненуклеотидными связями — олигометиленовыми и олигоэтиленгликолевыми мостиками (рис. 4.6). Показано, что такие "химерные" олигонуклеотиды обладают повышенной стабильностью к экзонуклеазному гидролизу, особенно если содержат на 3' конце 3' –3' межнуклеотидную связь, что делает их более стабильными в клетке. Такие олигонуклеотиды способны активировать рибонуклеазу Н E.coli при образовании комплементарных комплексов с РНК.

Рис. 4.6. "Химерные"
олигонуклеотиды - перспективные соединения для антисенс технологии. Стрелками обозначены сайты расщепления РНК-мишени РНК-азой Н в составе гибридных дуплексов.

Сотрудниками Новосибирского института биоорганической химии с помощью сайт-направленной модификации рибосом человека фотоактивируемыми производными олигорибонуклеотидов показана универсальность белкового окружения высококонсервативного района "530 stem-loop" рРНК малых субчастиц, формирующего центр связывания матричных РНК рибосом разных организмов. Установлено, что белки S3 и S5 рибосом человека расположены вблизи последовательности 609—618. Эта последовательность находится в районе 18S рРНК, соответствующем району "530 stem-loop" 16S рРНК E.coli, вблизи которого, как известно, расположены белки S3 и S7, гомологичные белкам S3и S5 рибосом человека (рис. 4.7).

В Сибирском институте физиологии и биохимии растений сконструирована, изготовлена и опробована в эксперименте новая конструкция генной "пушки", предназначенной для биобаллистической генетической трансформации растений (рис. 4.8, слева). Конструкция пушки позволяет избежать акустического и ударного шока трансформированных объектов. При баллистической трансформации тканей пшеницы геном nptII, определяющим устойчивость к канамицину, и геном ugt, отвечающим за метаболизм растительного гормона ауксина, получены трансформированные растения-регенеранты с положительным тестом на канамицинрезистентность и ростовую активность (рис. 4.8, справа).

Рис. 4.8. Слева - схема действия пушки. "Макропуля" из пластмассы получает регулируемое ускорение до 100 м/с. На фронтальную поверхность "макропули" нанесены микропули размером 2-3 мкм, на поверхности которых находится вводимая генетическая конструкция (А). "Макропуля" с высокой скоростью ударяет в металлическую диафрагму с отверстием (Б), задерживается, "микропули" срываются с ее поверхности и проникают в клетки-мишени. Справа - растения озимой пшеницы, выращенные на среде с канамицином: контроль и канамицинрезистентные растения с введенными генами NPT II и UGT.

Учеными Сибирского института физиологии и биохимии растений впервые получены клонируемые трансгенные растения осины (Populus tremula L.) с введенными генами ugt и acbp, обнаруживающие ускорение роста до 25% (рис. 4.9). Установлено, что трансгенная осина лучше приживается в почве и быстрее растет, так как у нее формируется более развитая корневая система и образуются крупные листья за счет усиления метаболизма ауксина и экспрессии трансгенов acbp из донорного растения арабидопсис, устойчивого к пониженным температурам. Работа имеет приоритетное значение в связи с необходимостью создания быстрорастущих форм древесных растений.

Рис. 4.9. Контроль и трансгенные растения осины с введенным геном UGT.

В Институте биофизики совместно с Институтом физики им. Л.В. Киренского проведены уникальные измерения диэлектрической проницаемости полиоксибутирата (ПОБ) — разрушаемого биополимера, синтезированного бактериями Alcaligenes eutrophus. Выявлены чрезвычайно малые значения СВЧ-диэлектрической проницаемости (ε=2,25), стабильные в широком интервале частот электромагнитного поля (рис. 4.10). Результаты свидетельствуют о перспективах применения ПОБ в радиоэлектронике для создания высокочастотных устройств в СВЧ-технике.

Рис. 4.10. Динамика СВЧ-диэлектрической проницаемости полиоксибутирата (ПОБ) в сравнении с высокомолекулярным жидкокристаллическим 5 циано-бифинилом (ЖК 5СВ).

Сотрудниками этого института совместно с ГЕОХИ им. В.И. Вернадского РАН впервые обнаружены высокоактивные радиоактивные частицы в пойме реки Енисей вблизи Горно-химического комбината Минатома РФ. На основании гамма-спектрометрического и радиохимического анализа сделан вывод о реакторно-топливном источнике этих частиц и определен их возраст (рис. 4.11).

В Лимнологическом институте комплексом методов исследован автотрофный пикопланктон оз. Байкал, который летом производит до 90% первичной продукции (рис. 4.12). Установлено, что видовой состав пикопланктона представлен не одним, как это считалось ранее, а многими видами различных систематических таксонов. Впервые в Байкале обнаружены представители рода Choricystis.

В этом же институте проведен филогенетический анализ четырех групп байкальских эндемичных бентосных беспозвоночных — гаммарид (Amphipoda, Crustacea), брюхоногих моллюсков эндемичных семейств Baicaliidae, Benedictiidae (Prosobranchia), а также субэндемичного рода Choanomphalus (Pulmonata), малощетинковых червей (олигохет) семейства Lumbriculidae, представленных в Байкале букетами видов (рис. 4.13). При исследовании гаммарид для анализа использованы три гена (митохондриальные COI и COIII, кодирующие соответственно первую и третью субъединицы цитохром С оксидазы, и 18S рРНК). Для остальных групп был использован только ген COI. Сравнение эволюционных историй выявило: массовый взрыв видообразования во многих группах, произошедший примерно 2,5 млн лет назад (все моллюски и олигохеты), исключительную древность (более 25 млн лет) некоторых групп (гаммариды, хоаномфалусы и олигохеты), возможно неоднократное вселение в Байкал наиболее древних групп (гаммариды, хоаномфалусы и олигохеты).

ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ И ЭКОЛОГИЯ

Институтом леса показано, что материалы съемки спутником NOAA/AVHRR, получаемые станцией Института, являются адекватными исходными данными для мелкомасштабного картирования лесных территорий. Дешифрированные результаты съемки базируются на анализе величин NDVI (нормальный вегетационный индекс) с использованием зонального подхода. Получена картосхема (рис. 4.14) Енисейского меридионального трансекта (М 1:2500000) с выделением классов природных образований: леса, тундры, болота и др. Данные представляют основу для создания и оперативного обновления обзорных электронных карт с целью инвентаризации и мониторинга лесных территорий, включая выбор эталонных полигонов в рамках программы IGBP.

Рис. 4.14. Картосхема Енисейского меридионального трансекта с выделением природных образований.

В Институте леса разработана профильно-генетическая классификация мерзлотно-таежных почв Субарктики Средней Сибири на основе современной концепции северного почвообразования. Разделение почв осуществляется по их генетическому профилю, как системы почвенных горизонтов, которые отражают формирующие их процессы. Выделены новые типы и подтипы почв: подбуры, криоземы, палевые и др. (рис. 4.15). Показано, что в лесотундре и северной тайге Среднесибирского плоскогорья отсутствуют подзолистый тип почвообразования и процессы оглеения. Классификация является научной базой рационального использования северных экосистем и используется для корректировки прежних почвенно-картографических материалов.

Рис. 4.15. Почвенная карта Субарктики Средней Сибири (1998 г.).
Карта выполнена в меридиональной зональности почвенного покрова.

В этом же Институте разработаны организационная схема обязательной сертификации лесных ресурсов в России и структура сертификации древесинопользования. Схема состоит из технического (экономического), экологического и социального (уровень использования и воспроизводства лесных ресурсов) аспектов. Критерии и индикаторы сертификации имеют количественные меры, что упрощает получение интегральных индексных оценок создания шкал устойчивости управления лесами.

В Институте проблем освоения Севера разработана универсальная методика определения биомассы, устойчивости и типологического качества вмещающих лесных экосистем по соотношениям численности базальных и маргинальных элементов сообщества дереворазрушающих грибов. Предложены формулы вычисления микологических индексов, характеризующих старение и связанное с ним механическое разрушение древостоя, ценотической спелости и связанных с ней процессов усыхания. Полученные результаты показывают широкие возможности микоиндикации и микомониторинга состояния лесов (рис. 4.16).

Центральным сибирским ботаническим садом издан 13-й том фундаментальной сводки "Флора Сибири". Описано семейство сложноцветных, представленное 581 видом из 92 родов. На основе этого тома составлена электронная база данных с информационно-поисковой системой, работающей в системе Fox Pro для MS-DOS. С ее помощью проведен анализ распространения видов по флористическим районам, выделены центры многовидовых родов Taraxacum, Saussurea, Artemisia и др.

В Ботаническом саду впервые проведены комплексные исследования газонообразующих трав, позволившие разработать биологические основы создания устойчивых, долголетних газонов. Предложен основной ассортимент газонных трав для условий лесостепной зоны Западной Сибири, включающий более 20 сортообразцов. Разработаны практические рекомендации по созданию газонов в условиях Сибири.

В Институте биологических проблем криолитозоны обобщены итоги многолетнего интродукционного испытания 1233 таксонов дернообразующих трав в экстремальных условиях Якутии. Зональный ассортимент растений включает 20 видов газонообразующих и 20 видов почвопокровных растений. Разработаны комплексная шкала оценки изучаемых видов, специальная классификация газонов и рекомендации по ассортименту трав для разных типов дерновых покрытий (рис. 4.17).

Поиск в природе и успех введения в культуру сибирских популяций желтушника левкойного как заменителя строфанта, ввозимого из-за рубежа, во многом зависит от эффективности методов биохимической оценки сырья. Оценка важна на всех стадиях интродукционного эксперимента с целью получения перспективных по устойчивости, накоплению биологически активных веществ и продуктивности популяций и форм (рис. 4.18). В Центральном cибирском ботаническом саду разработан высокочувствительный метод определения гликозидов (эрихрозида и карденолидов), который позволяет определять их в малых навесках от индивидуальных растений, которые способны вегетировать и давать семена для будущего посева.

Институтом общей и экспериментальной биологии, используя эколого-флористический подход, описаны новые синтаксоны лесной растительности, в том числе три союза и 20 ассоциаций. Количественными методами установлено, что важнейшие закономерности их географии связаны в первую очередь с факторами гигрофильности и континентальности климата и выражаются в дифференциации синтаксонов на три группы: западную, южную и северо-восточную (рис. 4.19). Географические закономерности синтаксонов отражают процесс формирования растительного покрова Сибири.

В этом же Институте выявлены закономерности географического распространения, генезиса и плодородия аллювиальных почв речных долин Центральноазиатского региона Монголии и Забайкалья. Разработаны эколого-экономические методы оценки ущерба от деградации пойменных экосистем и предложены агроэкологические основы их использования в сельском хозяйстве. Результаты многолетних исследований опубликованы в монографии "Аллювиальные почвы речных долин бассейна Селенги" (рис. 4.20).

Рис. 4.20. Топоэкологический профиль поймы р.Орхон (сплошная линия).

Институтом почвоведения и агрохимии впервые дана оценка качественного и количественного состава потерь гумуса из почв Западной Сибири по его фракционно-групповому составу. Длительное использование черноземов как в орошаемом, так и неорошаемом земледелии приводит к деградации структуры гумусовых кислот и превращению их в наиболее инертные формы почвенных органических соединений, теряющих катионообменные свойства. Об этом свидетельствуют истощение азотного фонда (соотношение С:N) и уменьшение доли гуминовых кислот, связанных с кальцием (рис. 4.21). Сделан вывод о недолговечной сохранности гумуса как биологически активной части почвы и предложены альтернативные варианты предупреждения дальнейших потерь гумуса в зависимости от географо-экономических особенностей природных комплексов.

Почвоведами этого же института выявлена сложная геологическая структура мелиорируемой толщи пород Приобской возвышенной равнины. Впервые комплекс почв и пород, сформированный за один ритм осадконакопления, рассмотрен как галогеохимическая система, функционирующая при определенном положении уровня грунтовых вод. Толща Приобской равнины разделена на погребенные галогеохимические системы — ритмопачки (рис. 4.22), прослежены их строение, мощности, литологический состав, обводнение и засоление. В зависимости от строения зоны аэрации, близости водоупора и режима грунтовых вод системы позволяют рассматривать динамику процесса засоления во времени.

Рис. 4.22. Строение субаэральной толщи пород (I-III - ритмопачки).

В Институте систематики и экологии животных обнаружен механизм адаптивной регуляции соотношения полов у водяных полевок, ограничивающий численность самок, который зависит от качеств самок, наследуемых по материнской линии и определяющих величину потерь в период вскармливания. При разведении в неволе водяной полевки отклонение соотношения полов в потомстве от 11 в пользу самцов наблюдалось у самок, "бросивших" выводки (рис. 4.23). Дефицит самок отмечался и во втором поколении потомков матерей, имевших постнатальные потери ("плохих" матерей). В природной популяции полевок выявлены сопряженные межгодовые изменения уровня эмбриональной смертности и соотношения полов среди эмбрионов.

В этом же Институте впервые установлен "скрытый" фактор регуляции численности природных популяций стрекоз, который проявляется только при неблагоприятных условиях — резком повышении температуры. С помощью светового и электронного микроскопа в гемоцитах личинок стрекоз обнаружена персистенция двух видов бактерий из родов Pseudomonas и Bacillus, которые образуют вокруг себя фибриллярно-подобный матрикс (рис. 4.24) и регистрируются в 70—75% личинок стрекоз. Действие бактерий на выживаемость личинок было обнаружено в эксперименте при скармливании личинкам стрекоз комаров, зараженных бактериями Рseudomonas. Гибель личинок наблюдалась при температуре верхнего слоя воды свыше 30 ^o С (оптимальная температура для развития личинок — 25—28 ^o С). В природных популяциях стрекоз также отмечается массовая гибель личинок в условиях резкого повышения температуры (выше 30 ^o С).

Завершен этап работ по созданию сети особо охраняемых природных территорий Новосибирской области. На основании результатов зоологического обследования и рекомендаций Института систематики и экологии животных создано два биологических заказника и 11 памятников природы, в том числе жемчужины природы — рямы Барабинской лесостепи, черневые леса Присалаирья и ряд других объектов. Под охраной будут находиться 26 видов животных и растений, внесенных в Красные книги, и выведены из-под пресса нерационального использования эндемичные экосистемы (рис. 4.25).

Рис. 4.26. Распределение хоботных насекомых (Rhynchota) в энтомоценозе аласа "Тюнгюлю".

Институтом биологических проблем криолитозоны завершена инвентаризация фауны сосущих хоботных насекомых аласных биоценозов Якутии, насчитывающая 480 видов, из них около 260 видов равнокрылых и 175 видов водных и наземных полужесткокрылых и цикадовых семейств дельфацид западной части Центральной Якутии (рис. 4.26).