Отдел биомолекулярной химии

Отдел биомолекулярной химии был образован в 2017 году под руководством д.х.н. Ямпольского Ильи Викторовича.

Основные задачи Отдела: исследование структурной основы и химических механизмов действия биологически активных соединений на примере биолюминесценции живых организмов и действия антибиотиков. Отдел изучает биологически активные соединения в рамках полного цикла от молекулы до гена: от выделения низкомолекулярных компонент и  установления их структуры, синтеза биологически активных соединений и их аналогов, установления механизма их действия, до выделения, очистки, секвенирования белков и клонирования кодирующих их генов. Таким образом, Отдел изучает механизмы функционирования биологических молекул в широком понимании: биосинтез природных соединений (малых молекул и белков), химические основы их функционирования, работу генов и их регуляцию.

В рамках ИБХ РАН Отдел имеет прочные научные связи с Лабораторией биомолекулярной ЯМР-спектроскопии (зав.лаб. Арсеньев А.С., н.с. Максим Дубинный, с.н.с. Константин Минеев и др.), Лабораторией биокатализа (зав.лаб. Габибов А.Г., с.н.с. Иван Смирнов) и Лабораторией биофотоники (зав.лаб. Лукьянов К.А.). Отдел активно сотрудничает с Лабораторией фотобиологии (н.с. Наталья Родионова, с.н.с. Валентин Петушков) и Лабораторией нанотехнологии и биолюминесценции (н.с. Константин Пуртов) ИБФ СО РАН (Красноярск). Международными партнерами Отдела являются Лаборатория биолюминесценции грибов профессора Кассиуса Стевани (Институт химии, Университет Сан-Пауло, Бразилия), Лаборатория моделирования молекулярных функций профессора Юичи Оба (Университет Нагойя, Япония) и Лаборатория профессора Миньонга Ли (Университет Шандонг, Китай).

Все публикации (показать избранные)

Ямпольский Илья Викторович

  • Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 — На карте
  • ИБХ РАН, корп. БОН, комн. 525
  • Тел.: +7(495)995-55-57#2007
  • Эл. почта: ivyamp@ibch.ru

В статье, опубликованной в журнале Nature Biotechnology, ученые ИБХ РАН показали возможность создания растений, излучающих собственную видимую люминесценцию. Было обнаружено, что биолюминесценция некоторых грибов метаболически сходна с естественными процессами, характерными для растений. Интегрировав гены биолюминесцентной системы гриба Neonothopanus nambi в геном табака, ученые смогли создать растения, которые светятся намного ярче, чем это было возможно ранее. Созданные трансгенные растения светятся непрерывно на протяжении всего жизненного цикла и могут быть использованы в качестве системы для проведения биоимиджинга. В отличие от других широко используемых биолюминесцентных систем, например, светлячков, для поддержания биолюминесценции грибов не требуются уникальные химические реагенты.

Публикации

  1. Mitiouchkina T, Mishin AS, Somermeyer LG, Markina NM, Chepurnyh TV, Guglya EB, Karataeva TA, Palkina KA, Shakhova ES, Fakhranurova LI, Chekova SV, Tsarkova AS, Golubev YV, Negrebetsky VV, Dolgushin SA, Shalaev PV, Shlykov D, Melnik OA, Shipunova VO, Deyev SM, Bubyrev AI, Pushin AS, Choob VV, Dolgov SV, Kondrashov FA, Yampolsky IV, Sarkisyan KS (2020). Plants with genetically encoded autoluminescence. Nat Biotechnol 38 (8), 944–946

Среди кислоточувствительных ионных каналов (ASIC) субъединицы ASIC1a и ASIC3 являются наиболее привлекательными фармакологическими мишенями. Ингибирование этих каналов специфичными лигандами -  прямой путь к лечению социально значимых заболеваний, таких как хроническая и патологическая боль, инсульт, балезнь Паркинсона. Растительный лигнан Севанол,  выделенный ранее из темьяна, ингибирует активность изоформ ASIC1a и ASIC3 и оказывает значительное обезболивающее и противовоспалительное действие. Однако, его синтез сложен и содержит много стадий. Проведенные структурно-функциональные исследования позволили минимизировать структуру Севанола с сохранением как анальгетической активности на животных моделях, так и ингибирующее действие на ASIC. На структурном уровне было предсказано наличие сайта связывания Севанола в центральном вестибюле ASIC1a и показана его конкуренция за этот участок связывания с FRRF-амидным пептидом. Разработанные аналоги Севанола оказывали значительное обезболивающее и противовоспалительное действие при различных способах введения - внутривенное или внутримышечное (парентеральные способы), а также интраназальное или пероральное (неинвазивные способы). Разработанные методики синтеза аналогов позволяют уже сегодня начать внедрение этих потенциальных лекарственных средств в практические исследования, так как отсутствие выявленных побочных действий на данный момент и способ действия через желудочно-кишечный тракт являются важными конкурентными преимуществами новых молекул над существующими анальгетическими препаратами. Работа опубликована в журнале Pharmaceuticals (Basel).

Авторы: Осмаков Д.И, Владимиров А.А., Кошелев С.Г, Андреев Я.А., Козлов С.А. – лаборатория нейрорецепторов и нейрорегуляторов ИБХ РАН, Белозерова О.А., Кульбитский В.С.- лаборатория химии метаболических путей ИБХ РАН, Чугунов А.О., Ефремов Р.Г. - лаборатории моделирования биомолекулярных систем ИБХ РАН, Паликов В.А., Паликова Ю.А., Шайхутдинова Э.Р., Дьяченко И.А. - лаборатория биологических испытаний ФИБХ РАН, Гвозль А.Н. - ФГБУН "Научный центр биомедицинских технологий Федерального медико-биологического агентства"

Впервые определены структуры трех ключевых низкомолекулярных компонентов биолюминесцентной системы морских полихет Odontosyllis undecimdonta: люциферина, оксилюциферина (Green), а также продукта неспецифического окисления люциферина (Pink) кислородом. Установлено, что эти соединения имеют крайне необычный гетероциклический скелет, содержащий три атома серы с различными степенями окисления. Предложены химические механизмы ферментативного (люминесцентного) и неферментативного оксиления люциферина Odontosyllis. Более того, выявлено, что оксилюциферин Odontosyllis является единственным из известных для морских люминесцентных организмов первичным эмиттером зеленого света.

Публикации

  1. Kotlobay AA, Dubinnyi MA, Purtov KV, Guglya EB, Rodionova NS, Petushkov VN, Bolt YV, Kublitski VS, Kaskova ZM, Ziganshin RH, Nelyubina YV, Dorovatovskii PV, Eliseev IE, Branchini BR, Bourenkov G, Ivanov IA, Oba Y, Yampolsky IV, Tsarkova AS (2019). Bioluminescence chemistry of fireworm Odontosyllis. Proc Natl Acad Sci U S A 116 (38), 18911–18916

Oткрытие механизма биолюминесценции грибов, а также создание люминесцентных дрожжей

Группа синтетической биологии,  Лаборатория химии метаболических путей

Ученые Института биоорганической химии РАН и ФИЦ Красноярский научный центр СО РАН вместе с российскими и иностранными коллегами полностью описали механизм, позволяющий грибам светиться в темноте. Испускание света обеспечивают всего четыре фермента, перенос которых в любые другие организмы делает их светящимися. Чтобы это проиллюстрировать, авторы создали светящиеся в темноте дрожжи.Теоретическая и экспериментальная части работы поддержаны грантами Российского научного фонда. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences

Расшифровка механизма свечения грибов стала возможной благодаря многолетним предшествующим исследованиям. Еще в начале XIX века было установлено, что источник свечения гниющего дерева – грибница. В 2009 году Андерсон Оливейра и Кассиус Стевани, соавторы настоящей работы, определилили, что все светящиеся грибы испускают свет благодаря единому механизму, а в 2015-2017 годах российские ученые под руководством Ильи Ямпольского совершили ряд ключевых открытий, в том числе определили структуру люциферина – молекулы, окисление которой приводит к испусканию света.

Публикации

  1. Kotlobay AA, Sarkisyan KS, Mokrushina YA, Marcet-Houben M, Serebrovskaya EO, Markina NM, Gonzalez Somermeyer L, Gorokhovatsky AY, Vvedensky A, Purtov KV, Petushkov VN, Rodionova NS, Chepurnyh TV, Fakhranurova LI, Guglya EB, Ziganshin R, Tsarkova AS, Kaskova ZM, Shender V, Abakumov M, Abakumova TO, Povolotskaya IS, Eroshkin FM, Zaraisky AG, Mishin AS, Dolgov SV, Mitiouchkina TY, Kopantzev EP, Waldenmaier HE, Oliveira AG, Oba Y, Barsova E, Bogdanova EA, Gabaldón T, Stevani CV, Lukyanov S, Smirnov IV, Gitelson JI, Kondrashov FA, Yampolsky IV (2018). Genetically encodable bioluminescent system from fungi. Proc Natl Acad Sci U S A 115 (50), 12728–12732

Мы разработали новый метод мечения целевых белков в живой клетке, названный Protein-PAINT. Метод основан на обратимом связывании белкового домена с флуорогенным красителем, что приводит к многократному увеличению интенсивности его флуоресценции. На основе результатов компьютерного молекулярного докинга, мы получили три мутантных варианта бактериального липокалина Blc с различным сродством к флуорогену. Было показано, что флуороген быстро проникает в живые клетки и вызывает окрашивание целевых белков, слитых с мутантными Blc. Новый метод обеспечивает на порядок большую фотостабильность сигнала, по сравнению с флуоресцентными белками. Protein-PAINT также позволяет проводить долговременную флуоресцентную микроскопию сверхвысокого разрешения живых клеток как в режиме детекции одиночных молекул, так и в режиме STED.

Осуществлен стереоселективный синтез углеродного скелета паналя – терпеноида из биолюминесцентных грибов Panellus stipticus

Лаборатория химии метаболических путей

Структура паналя, ранее предполагаемого предшественника люциферина грибов, была определена в 1988 году Накамурой и коллегами [Nakamura H, Kishi Y, Shimomura O. Tetrahedron 1988, 44, 1597]. Паналь представляет собой бициклический сесквитерпен кадаланового типа. Нами был осуществлен полный синтез терпенового ядра паналя с использованием реакции Дильс-Альдера, восстановления по Барбье и метатезиса в качестве ключевых превращений.

Публикации

  1. Baranov MS, Kaskova ZM, Gritсenko R, Postikova SG, Ivashkin PE, Kislukhin AA, Moskvin DI, Mineev KS, Arseniev AS, Labas YA, Yampolsky IV (2017). Synthesis of Panal Terpenoid Core. Synlett 28 (5), 583–588

Изучен механизм биолюминесценции высших грибов

Лаборатория химии метаболических путей

Впервые определена структура оксилюциферина высших грибов. Предложен уникальный механизм биолюминесценции, включающий в себя отщепление молекулы углекислого газа по схеме ретро-[4+2]-циклоприсоединения. Механизм подтвержден экспериментами с О-18. Также получен ряд аналогов люциферина грибов, обладающих отличающимся спектром биолюминесценции.

Публикации

  1. Kaskova ZM, Dörr FA, Petushkov VN, Purtov KV, Tsarkova AS, Rodionova NS, Mineev KS, Guglya EB, Kotlobay A, Baleeva NS, Baranov MS, Arseniev AS, Gitelson JI, Lukyanov S, Suzuki Y, Kanie S, Pinto E, Mascio PD, Waldenmaier HE, Pereira TA, Carvalho RP, Oliveira AG, Oba Y, Bastos EL, Stevani CV, Yampolsky IV (2017). Mechanism and color modulation of fungal bioluminescence. Sci Adv 3 (4), e1602847
  2. Tsarkova AS, Kaskova ZM, Yampolsky IV (2016). A Tale of Two Luciferins: Fungal and Earthworm New Bioluminescent Systems. Acc Chem Res 49 (11), 2372–2380
  3. Kaskova ZM, Tsarkova AS, Yampolsky IV (2016). 1001 lights: Luciferins, luciferases, their mechanisms of action and applications in chemical analysis, biology and medicine. Chem Soc Rev 45 (21), 6048–6077

Глубокий структурно-функциональный анализ влияния аминокислотных замен на фотофизические свойства зеленых флуоресцентных белков

Группа синтетической биологии,  Лаборатория генетически кодируемых молекулярных инструментов

На примере зеленого флуоресцентного белка GFP впервые удалось экспериментально определить так называемый “ландшафт приспособленности” целого белка. Уникальный подход, разработанный в ходе работы, позволил соотнести функцию (флуоресценцию) и аминокислотную последовательность для нескольких десятков тысяч случайных мутантных вариантов с выявлением множества эпистатических (влияющих друг на друга) замен. Характеризация ландшафта приспособленности GFP делает возможным компьютерное предсказание свойств новых мутаций во флуоресцентных белках, а также имеет большое значение в различных областях науки, например, молекулярной эволюции и белковой инженерии.

С помощью расчетов возможных путей передачи электрона от возбужденного хромофора GFP к внешним молекулам и последующей экспериментальной проверки этих предположений удалось создать мутантные варианты с нарушением данных путей и, соответственно, повышенной фотостабильностью. Разработанный подход является новым в актуальной проблеме направленного создания фотостабильных вариантов флуоресцентных белков.

 

Рисунок. (А) Схема ландшафта приспособленности GFP по результатам анализа 51000 мутантов. Последовательность GFP представлена как круг, где каждая колонка соответствует одному аминокислотному остатку. Зеленым обозначены флуоресцентные варианты, черным – нефлуоресцентные. Цифры слева обозначают количество внесенных аминокислотных замен. Сайты с позитивным и негативным эпистатическим влиянием показаны зелеными и черными линиями, соответственно. Схема показывает узость пика ландшафта приспособленности GFP: 3/4 одиночных замен приводит к уменьшению яркости флуоресценции, а половина мутантов с 4-мя заменами полностью теряют флуоресценцию. (Б) Перенос электрона в GFP. Вверху - схема расчетного пути переноса электрона от хромофора на молекулу внешнего акцептора через тирозин-145 в качестве промежуточного акцептора. Внизу – кривые фотообесцвечивания EGFP и его вариантов с заменой тирозина-145 на фенилаланин или лейцин в присутствии окислителя в среде, демонстрирующие многократное увеличение фотостабильности мутантных вариантов благодаря блокировке пути переноса электрона. 

Публикации

  1. Sarkisyan KS, Bolotin DA, Meer MV, Usmanova DR, Mishin AS, Sharonov GV, Ivankov DN, Bozhanova NG, Baranov MS, Soylemez O, Bogatyreva NS, Vlasov PK, Egorov ES, Logacheva MD, Kondrashov AS, Chudakov DM, Putintseva EV, Mamedov IZ, Tawfik DS, Lukyanov KA, Kondrashov FA (2016). Local fitness landscape of the green fluorescent protein. Nature 533 (7603), 397–401
  2. Bogdanov AM, Acharya A, Titelmayer AV, Mamontova AV, Bravaya KB, Kolomeisky AB, Lukyanov KA, Krylov AI (2016). Turning on and off Photoinduced Electron Transfer in Fluorescent Proteins by π-Stacking, Halide Binding, and Tyr145 Mutations. J Am Chem Soc 138 (14), 4807–4817
  3. Acharya A, Bogdanov AM, Grigorenko BL, Bravaya KB, Nemukhin AV, Lukyanov KA, Krylov AI (2017). Photoinduced chemistry in fluorescent proteins: Curse or blessing? Chem Rev 117 (2), 758–795

Изучен механизм биолюминесценции сибирского почвенного червя Fridericia heliota

Лаборатория химии метаболических путей

Определена структура оксилюциферина – продукта окислительного декарбоксилирования люциферина червя Fridericia heliota под действием кислорода в присутствии люциферазы. Определен механизм биолюминесценции: он включает стадию активации карбоксильной группы лизина с образованием промежуточного аденилата, циклизацию в оксетанон и распад до возбужденной молекулы оксилюциферина.

Определена структура ключевого субстрата биолюминесцении высших грибов

Лаборатория химии метаболических путей

Впервые определена структура люциферина биолюминесцентных грибов. Также определен механизм биосинтеза люциферна грибов - гидроксилирование вторичного метаболита грибов гиспидина НАДФ-Н-зависимым ферментом. Люциферин  (3-гидроксигиспидин) является субстратом фермента люциферазы в реакции биолюминесценции. Структуры люциферина и его предшественника доказаны с помощью методов ЯМР-спектроскопии и масс-спектрометрии. Показано, что люциферин является общим субстратом биолюминесценции для ряда высших грибов.

Публикации

  1. Purtov KV, Petushkov VN, Baranov MS, Mineev KS, Rodionova NS, Kaskova ZM, Tsarkova AS, Petunin AI, Bondar VS, Rodicheva EK, Medvedeva SE, Oba Y, Oba Y, Arseniev AS, Lukyanov S, Gitelson JI, Yampolsky IV (2015). The Chemical Basis of Fungal Bioluminescence. Angew Chem Int Ed Engl 54 (28), 8124–8128