Лаборатория оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул

Отдел структурной биологии

Руководитель: Феофанов Алексей Валерьевич, д. б. н., доцент
avfeofanov@yandex.ru+7(495)336-64-55

www.ibch.ru/structure/groups/optics

круговой дихроизм, мембранные и мембрано-активные белки, микроспектроскопия, оптическая микроскопия, рецепторы эфринов, флуоресценция, фотосенсибилизаторы

Лаборатория исследует биологически активные молекулы, мембранные и мембраноактивные белки, а также разрабатывает новые методики оптической микроскопии и спектроскопии применительно к этим задачам. Развиваемые методы применяются для изучения механизмов действия и структурно-функциональных взаимосвязей исследуемых молекул на разных уровнях структурной организации: молекулярном, клеточном и тканевом.

Методики микроскопии одиночных молекул и их комплексов разрабатываются в Лаборатории с помощью уникального научного оборудования. Оно включает в себя установку для однофотонной и многофотонной 4π-микроскопии сверхвысокого разрешения и установку для флуоресцентной микроскопии на основе эффекта полного внутреннего отражения. Обе установки обладают высокой чувствительностью, позволяющей регистрировать сигналы флуоресценции даже от одиночных молекул.

Также в Лаборатории создана экспериментальная установка для конфокальной лазерной микроспектроскопии и разработан метод конфокальной микроспектроскопии и реконструкции спектральных изображений (КОМИРСИ), который дает возможность идентифицировать и изучать молекулярные взаимодействия биологически активных соединений в живых клетках с трехмерным субмикронным пространственным разрешением. Установка и метод КОМИРСИ нашли широкое применение в разработках, научных и клинических исследованиях новых отечественных фотосенсибилизаторов для фотодинамической терапии рака, а также в исследованиях мембранных и мембраноактивных белков.

Лаборатория оптической спектроскопии и микроскопии биомолекул открыта для сотрудничества с подразделениями Института и другими научными организациями.

Так, разработка аналитических систем на основе гибридных ионных каналов для поиска и изучения блокаторов калиевых каналов ведется совместно с Группой нанобиоинженерии. В сотрудничестве с Группой молекулярных инструментов для нейробиологии проводится поиск и изучение блокаторов калиевых каналов в ядах скорпионов. Изучение функциональных свойств токсинов из яда змей ведется совместно с Лабораторией молекулярной токсинологии.

Кроме того, Лаборатория проводит совместные  исследования с рядом других научных организаций. Изучением фотосенсибилизаторов для фотодинамической противораковой и антимикробной терапии и оптимизацией их свойств Лаборатория занимается в сотрудничестве с Московским технологическим университетом, МНИОИ им. П.А. Герцена и государственным научным центром «НИОПИК». Совместно с кафедрой Биоинженерии, Лабораторией регуляции транскрипции и репликации Биологического факультета МГУ и коллегами из Fox Chase Cancer Center (США) с применением методов флуоресцентной  микроскопии одиночных молекул и их комплексов проводятся исследования структурных перестроек в нуклеосомах под действием различных ядерных белков. Оптимизация структуры конъюгатов бор-содержащих наночастиц и природных порфиринов ведется совместно с Московским технологическим университетом и ИНЕОС РАН.

Лаборатория также сотрудничает с зарубежными научными организациями. Совместно с Университетом Франсуа Рабле (Université Francois Rabelais, Тур, Франция) и Университетом прикладных наук Рейн-Ваал (Hochschule Rhein-Waal, Германия) разрабатываются биомедицинские наносенсоры для диагностики и лечения рака молочной железы.

Сотрудники Лаборатории преподают основы оптической микроскопии студентам УНЦ ИБХ РАН и кафедры Биоинженерии Биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова. Под руководством сотрудников Лаборатории ежегодно выполняется несколько бакалаврских и магистерских работ, ведутся научные исследования аспирантов и молодых ученых.

Лаборатория оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул была создана в 2005 году. Она входит в состав Отдела структурной биологии, который возник вследствие реорганизации Лаборатории инструментальных методов анализа, проведенной по инициативе нынешнего руководителя Отдела профессора А.С. Арсеньева.

Трехмерное конфокальное изображение клеток HEK293, в которых достигнута стабильная экспрессия рецептора эфринов EphA2, слитого с циановым флуоресцентным белком (показан зеленым цветом), совместно с EphA2, слитым c желтым флуоресцентным белком (показан красным цветом). Совпадение локализации двух конструкций показано желтым цветом. Клеточная модель используется для изучения механизмов активации и димеризации эфриновых рецепторов с применением метода резонансного переноса энергии флуоресценции (FRET).

 

  • Разработаны клеточные биоинженерные системы и методы их применения с использованием флуоресцентной микроскопии. Они используются для изучения поровых блокаторов потенциал-зависимых калиевых каналов и поиска пептидных блокаторов в природных ядах.
  • На основе флуоресцентных белков и токсинов скорпионов созданы высокоаффинные конъюгаты, селективно взаимодействующие с Кv1-каналами и применимые для визуализации этих каналов.
  • В ядах скорпионов обнаружены и охарактеризованы по активности новые высокоаффинные блокаторы каналов Кv1.х (х=1-3,6).
  • Созданы рекомбинантные пептиды-блокаторы с улучшенной селективностью взаимодействия с Кv-каналами. Построены молекулярные модели комплексов пептидов-блокаторов с Кv-каналами. Описаны интерфейсы взаимодействия и аминокислотные остатки, влияющие на силу и селективность взаимодействия.
  • На основе микроскопии Ферстеровского резонансного переноса энергии разработаны методики исследования одиночных молекул и их комплексов в режиме свободной диффузии и в иммобилизованном состоянии. Показана применимость этих методик для изучения структурных перестроек нуклеосомной ДНК под действием различных белковых факторов. 
  • Оптимизированы структуры новых конъюгатов бор-содержащих наночастиц и природных порфиринов, что  позволило осуществить доставку в раковые клетки более 1 млрд. атомов бора на клетку. Это обеспечило применимость новых наноконъюгатов для бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ). Наноконъюгаты являются активными фотосенсибилизаторами и вызывают фотоиндуцированную гибель опухолевых клеток в наномолярных концентрациях. Новые конъюгаты - перспективные полифункциональные агенты для фотодинамической терапии, БНЗТ и флуоресцентной диагностики рака. Установлено, что ключевым структурным элементом, определяющим высокое накопление конъюгатов хлорина е6 с наночастицей бис-дикарболида кобальта в раковых клетках, является амино-полиалкил-аминный линкер, соединяющий порфириновый хромофор с наночастицей, а в основе их фотоцитотоксичности лежит фотоиндуцированное перекисное окисление липидов, пермеабилизация лизосом, и активация протеаз в цитоплазме клеток.

Избранные публикации (показать все)

Загружаются...

Феофанов Алексей Валерьевич

  • Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 — На карте
  • ИБХ РАН, корп. 31, комн. 215
  • Тел.: +7(495)336-64-55
  • Эл. почта: avfeofanov@yandex.ru

MeKTx11-1, селективный пептидный блокатор калиевого канала Kv1.2 из яда скорпиона M. eupeus: структурные основы селективности (2018-11-30)

А.В. Феофанов (Лаборатория оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул), О.В. Некрасова, К.С. Кудряшова (Отдел биоинженерии, группа нанобиоинженерии), А.А. Василевский, А.И. Кузьменков, А.М. Гиголаев (Лаборатория молекулярных инструментов для нейробиологии), А.О. Чугунов, В.М. Табакмахер, Р. Г. Ефремов (Группа анализа структуры мембранных белков in silico, Лаборатория моделирования биомолекулярных систем).

Исследован уникальный высокоаффинный и высокоселективный пептидный блокатор канала Kv1.2 - MeKTx11-1 из яда скорпиона Mesobuthus eupeus. Пептид MeKTx11-1 и его мутантные аналоги были получены в рекомбинантной форме, их рецептор-связывающая активность изучена на панели Kv1-каналов. Проведено молекулярное моделирование взаимодействия этих пептидов с каналом Kv1.2, установлены ключевые структурные детерминанты этого взаимодействия. Пептид MeKTx11-1 является новым эффективным молекулярным инструментом для нейробиологии, позволяющим идентифицировать и изучать активность канала Kv1.2 в присутствии различных изоформ Kv1-каналов.

В сотрудничестве с S.Peigneur, J.Tytgat из University of Leuven, Бельгия и А.Ф. Фрадковым из ООО Евроген.

Трехпетельные белки млекопитающих защищают от рака (2018-11-30)

Ефременко А.В., Шаронов Г.В., Феофанов А.В. (Лаборатория оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул), Люкманова Е.Н., Бычков М.Л., Шулепко М.А., Кульбатский Д.С., Долгих Д.А., Кирпичников М.П. (Группа биоинженерии нейромодуляторов и нейрорецепторов, Отдел биоинженерии), Шенкарев З.О (Группа структурной биологии ионных каналов).

Обнаружено, что секретируемый белок человека SLURP-1, который экспрессируется в эпителиальных клетках и контролирует их пролиферацию и миграцию, подавляет рост раковых клеток эпителиального происхождения. Воздействие SLURP-1 на раковые клетки характеризуется положительной обратной связью: экзогенный (рекомбинантный) SLURP-1 связывается с никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами α7 типа и запускает каскад сигналов, который активирует секрецию эндогенного SLURP-1, быстро повышая его концентрацию в межклеточном пространстве и усиливая антипролиферативное действие.  Концентрации SLURP-1, подавляющие деление опухолевых клеток, не влияют на рост нормальных клеток.

Механизмы интернализации и особенности внутриклеточного распределения магнитных наночастиц, функционализированных фолиевой кислотой (2017-11-27)

А.А. Игнатова, А.В. Феофанов

Ориентированные на тераностику флуоресцентно-меченые наночастицы оксида железа, покрытые полиэтиленгликолем и функционализированные фолиевой кислотой, эффективно накапливаются в клетках карциномы шейки матки HeLa с высоким уровнем мембранных фолатных рецепторов.

Проникновение наночастиц в клетки HeLa происходит преимущественно путем клатрин-зависимого эндоцитоза при слабом участии кавеолин-опосредованного эндоцитоза и завершается их концентрированием в лизосомах.

Работа выполнена в сотрудничестве с А.Шибановой (Биологический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова), E. Allard-Vannier, K. Hervé-Aubert, K. Kaaki, T. Blondy, M.L. Saboungi, I. Chourpa (EA 6295 Nanomédicaments et Nanosondes, Université F. Rabelais de Tours, Tours, France).

Публикации

  1. Allard-Vannier E, Hervé-Aubert K, Kaaki K, Blondy T, Shebanova A, Shaitan KV, Ignatova AA, Saboungi ML, Feofanov AV, Chourpa I (2017). Folic acid-capped PEGylated magnetic nanoparticles enter cancer cells mostly via clathrin-dependent endocytosis. BIOCHIM BIOPHYS ACTA 1861 (6), 1578–1586

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОГО МЕТОДА ПОЛУЧЕНИЯ РЕКОМБИНАНТНЫХ ПЕПТИДОВ α-KTX – БЛОКАТОРОВ КАЛИЕВЫХ КАНАЛОВ (2017-11-27)

О.В.Некрасова, К.С. Кудряшова, С.А. Якимов, М.П.Кирпичников

А.В.Феофанов

Разработан биоинженерный метод получения пептидных блокаторов калиевых Kv1-каналов, который отличается:

  • высоким выходом целевых пептидов (12-22 мг/л культуры);
  • сохранением нативной аминокислотной последовательности пептидов;
  • высоким выходом ренатурированной формы пептидов с правильно замкнутыми тремя и четырьмя дисульфидными связями;
  • простой и надежной процедурой выделения и очистки.

Получаемые этим методом рекомбинантные пептиды семейства α-КТх обладают активностью исходных природных блокаторов. Пептидные высокоаффинные блокаторы калиевых каналов из яда скорпионов широко используются для изучения структуры и функции каналов и имеют перспективное медицинское значение.

Структурная реорганизации нуклеосом под действием белкового фактора FACT (2016-11-18)

А.В.Феофанов

(Лаборатория оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул)

К.С. Кудряшова,  М.П.Кирпичников

(Отдел биоинженерии)

            Аннотация: Разработаны методики флуоресцентной микроскопии одиночных молекул, позволяющие изучать структурные перестройки ДНК в одиночных нуклеосомах под действием белковых факторов.  В исследованиях дрожжевого белкового фактора FACT (facilitates chromatin transcription) методом микроскопии одиночных молекул установлено, что  FACT вызывает масштабное, обратимое, АТФ-независимое раскручивание нуклеосомной ДНК. Это раскручивание происходит по механизму «все-или-ничего», симметрично, затрагивает не менее 70% ДНК, уложенной на гистоновом коре, и не приводит к потере гистонов. FACT-индуцированное раскручивание нуклеосомы усиливает доступность ДНК для ядерных ферментов, что является важнейшей функцией FACT in vivo.   

Публикации:

Valieva M.E., Armeev G.A., Kudryashova K.S., Gerasimova N.S., Shaytan A.K., Kulaeva O.I., McCullough L.L., Formosa T., Georgiev P.G., Kirpichnikov M.P., Studitsky V.M., Feofanov A.V. Large-Scale ATP-Independent Nucleosome Unfolding by a Histone Chaperone. Nat Struct Mol Biol. 2016,  doi: 10.1038/nsmb.3321, in press.

Feofanov, A.V., Kudryashova, K.S., Chertkov, O.V., Nikitin, D.V., Pestov, N.A., Kulaeva, O.I., Studitsky, V.M. and Kirpichnikov, M.P. Analysis of nucleosome transcription using single-particle FRET. Springer Proceedings in Physics,  2015, Vol.164, pp. 255-260. ISBN:978-3-319-16918-7 Chapter DOI:10.1007/978-3-319-16919-4_33

Kudryashova, K.S., Chertkov, O.V., Nikitin, D.V., Pestov, N.A., Kulaeva, O.I., Efremenko, A.V., Solonin, A.S., Kirpichnikov, M.P., Studitsky, V.M. and Feofanov, A.V.  Preparation of Mononucleosomal Templates for Analysis of Transcription with RNA Polymerase Using spFRET. Methods Mol Biol. 2015, 1288, 395-412.

К.С. Кудряшова, Д.В. Никитин, О.В. Чертков, Н.С. Герасимова, М.Е. Валиева, В.М. Студитский, А.В. Феофанов. Разработка флуоресцентно-меченых мононуклеосом для изучения механизмов транскрипции методом микроскопии одиночных комплексов. Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 16. Биология. 2015. № 4, C. 41-45.

 

Работа выполнена совместно с сотрудниками Биологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова (М.Е. Валиева, Г.А. Армеев, Н.С. Герасимова, А.К. Шайтан), Института биологии гена РАН (П.Г. Георгиев), University of Utah, USA (T. Formosa, L.L. McCullough), Fox Chase Cancer Center, USA  (V.M. Studitsky, O.I. Kulaeva)

Публикации

  1. Valieva ME, Armeev GA, Kudryashova KS, Gerasimova NS, Shaytan AK, Kulaeva OI, McCullough LL, Formosa T, Georgiev PG, Kirpichnikov MP, Studitsky VM, Feofanov AV (2016). Large-scale ATP-independent nucleosome unfolding by a histone chaperone. Nat Struct Mol Biol 23 (12), 1111–1116

Новый подход к исследованию молекулярных основ взаимодействия пептидных блокаторов с калиевым каналом Kv1.6 (2016-11-18)

Авторы: О.В.Некрасова, К.С. Кудряшова, С.А. Якимов, М.П.Кирпичников

(Отдел биоинженерии)

Ю.В. Королькова

(Отдел молекулярной нейробиологии)

А.В.Феофанов

(Лаборатория оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул)

 

            Разработан комплексный подход к поиску, исследованию и конструированию  пептидных блокаторов калиевого канала Kv1.6. Подход основан на применении разработанной нами биоинженерной аналитической системы для изучения связывания блокаторов с гибридным каналом KcsA-Kv1.6 методом конфокальной микроскопии и молекулярного моделирования комплексов пептидных блокаторов с каналом Kv1.6. Используя разработанный подход, охарактеризована аффинность ряда пептидных блокаторов к каналу Kv1.6, построены молекулярные модели их комплексов, описан интерфейс взаимодействия и аминокислотные остатки, влияющие на селективность  взаимодействия блокаторов с каналом Kv1.6.

 

Работа выполнена совместно с сотрудниками кафедры биоинженерии Биологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова (К.В.Шайтан, В.Н.Новоселецкий, А.Д.Волынцева).

Публикации

  1. Nekrasova OV, Volyntseva AD, Kudryashova KS, Novoseletsky VN, Lyapina EA, Illarionova AV, Yakimov SA, Korolkova YV, Shaitan KV, Kirpichnikov MP, Feofanov AV (2017). Complexes of Peptide Blockers with Kv1.6 Pore Domain: Molecular Modeling and Studies with KcsA-Kv1.6 Channel. J Neuroimmune Pharmacol 12 (2), 260–276

Биомолекулярные инструменты для визуализации ионных каналов (2016-11-18)

Участники:

Группа молекулярных инструментов для нейробиологии (А.И. Кузьменков, А.А. Василевский, Е.В. Гришин)

Лаборатория оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул (А.В. Феофанов)

Группа нанобиоинженерии (К.С. Кудряшова, О.В. Некрасова)

Лаборатория молекулярной токсинологии (И.В. Шелухина)

Краткая формулировка:

Мы создали высокоаффинные химерные молекулы на основе флуоресцентных белков и токсинов скорпионов, селективно воздействующих на потенциал-чувствительные калиевые каналы человека. Мы также продемонстрировали возможности использования таких химер в нейробиологии для визуализации ионных каналов: изучения их локализации, профиля экспрессии в клетках, тканях и органах. Кроме того, представляется возможным использование новых инструментов для скрининговых технологий и диагностики целого ряда заболеваний.

Разработка интегрального транскриптомного и протеомного подхода для поиска блокаторов калиевых каналов в ядах животных (2016-03-26)

Авторы: 

Кузьменков А.И., Василевский А.А., Гришин Е.В. Отдел молекулярной нейробиологии.

Кудряшова К.С., Некрасова О.В., Кирпичников М.П. Отдел биоинженерии.

Феофанов А.В. Лаборатория оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул. 

Аннотация: 

Разработан оригинальный подход для поиска новых лигандов калиевых каналов, объединяющий биоинженерную клеточную тест-систему и транскриптомный и протеомный анализ яда животных. С применением этого подхода из яда скорпиона Mesobuthus eupeus были получены восемь высокоаффинных пептидных блокаторов потенциал-зависимого калиевого канала Kv1.1, включая пять новых пептидов. Предложенный подход является универсальным и эффективным инструментом для направленного поиска блокаторов калиевых каналов в природных ядах.