Ключевые слова
симбиотическая азотфиксация, метаболизм азота, окислительный, нитрозативный и карбонильный стрессы, метаболиты оксида азота, динитрозильные комплексы железа, гемоглобины, биоразлагаемые полимеры, поли-3-оксиалканоаты, пролонгированное высвобождение, azotobacter chroococcum

Направления исследований

• Изучение функционирования симбиотической азотфиксирующей системы бобовых растений
• Создание эффективных биопрепаратов с клубеньковыми бактериями
• Изучение регуляции условий в азотфиксирующиз клубеньках бобовых и функционирования легоглобина
• Изучение метаболизма оксида азота и продуктов его метаболизма
• Изучение влияния активных форм кислорода и азота и активных карбонильных соединений на гемоглобин
• Изучение белков зерновых культур (в т.ч. тритикале) и продуктов их переработки
• Биосинтез поли-3-оксиалканоатов и альгинатов бактериями рода Azotobacter
• Исследование биодеградации поли-3-оксиалканоатов
• Получение лекарственных систем на основе полимерных микрочастиц

Основные методы исследований
Уникальные/редкие методы исследования (на базе собственного оборудования), имеющиеся в лаборатории:

• Микробиологические методы выращивания клубеньковых бактерий – симбионтов бобовых растений и Azotobacter chroococcum – продуцента полиоксиалканоатов.
• Методы внутривидовой идентификации клубеньковых бактерий, в т.ч. на основании изучения hin-региона (метод разработан в лаборатории – защищен патентом РФ).
• Разработанные в лаборатории методы выделения и очистки легоглобина и метлегоглобинредуктазы из клубеньков бобовых.
• Методы изучения влияния активных форм кислорода и азота и активных карбонильных соединений на эритроциты и гемоглобин, в том числе на моделях, разработанных в лаборатории.
• Технология получения и очистки ПОА заданной молекулярной массы и мономерного состава и технология биотехнологического пегилирования ПОА (запантетована).
• Разработанные в лаборатории методы получения микрокапсул и микросфер их полиоксиалканоатов с включением лекарственных препаратов пролонгированногодействия.

Методы фундаментальных исследований:

• Различные хроматографические методы для разделения и очистки белков и других соединений из  бобовых растений и клубеньковых бактерий.
• Спектрофотометрические методы для изучения окислительно-восстановительных форм гемоглобинов (в т.ч. легоглобина) и кинетики перехода состояний.
• Спектрофлуориметрические методы для изучения и характеристики флуоресцирующих продуктов гликирования, образующихся в результате реакции Майара.
• Спектроскопия кругового дихроизма для изучения модификации гемовой группы гемоглобинов.
• Гстологические, биохимические, иммунохимические и молекулярно-биологические методы изучения физико-химических и механических свойств полиоксиалканоатов и получаемых из них продуктов и кинетики высвобождения лекарственных веществ

Краткая история лаборатории
Исследования биохимии азотфиксации и обмена азота в Институте биохимии им. А.Н. Баха РАН были начаты в конце 1960-х гг. в лаб. энзимологии, которую возглавлял выдающийся советский и российский биохимик лауреат Государственной премии СССР, член-корреспондент РАН Вацлав Леонович Кретович.

В дальнейшем лаборатория неоднократно реорганизовывалась, в ее сегодняшнем виде она существует с 2002 г., а с 2008 года имеет название — лаборатория биохимии азотфиксации и метаболизма азота.

ОСНОВНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ

Разработана методика внутривидовой идентификации клубеньковых бактерий. на основании изучения hin-региона бактериального генома (метод защищен патентом РФ). Выделены и охарактеризованы более 60 штаммов клубеньковых бактерий из различных эколого-географических зон с целью получения биопрепаратов, специфических для бобовых растений, выращиваемых в этих зонах.

Разработана методика выделения и очистки легоглобина – симбиотического гемоглобина бобовых растений и метлегоглобинредуктазы – фермента, поддерживающего его в физиологически активном состоянии. Изучены свойства метлегоглобинредуктазы. Изучены свойства различных окислительно-восстановительных форм легоглобина, а также его модифицированных состояний. Впервые описан процесс неферментативного гликирования растительного гемоглобина.

Изучено взаимодействие эритроцитарного гемоглобина (Hb) с активными формами кислорода и азота и активными карбонильными соединении, в том числе при их комплексном действии. Показано, что в этом случае возможно появление нитро- и нитрозоформ Hb. Изучено образование мембраносвязанного Hb при таком воздействии.

Предложена компьютерная экспертная система диагностики анемий различного генеза с использованием гематологических показателей, отражающих состояние крови, эритроцитов и гемоглобина (совместно с НИЯУ МИФИ). Система будет являться инструментом поддержки принятия решений при установлении диагноза.

Изучены про- и антиоксидантные свойства различных метаболитов оксида азота. Показано, что динитрозильные комплексы железа, связанные с гемоглобином, защищают его от окислительного поражения.

Разработана микробиологическая технология биосинтеза и очистки биоразлагаемых полимеров медицинского назначения, полиоксиалканоатов (ПОА). Разработан опытно — промышленный регламент биосинтеза полимера и ТУ на полимер технического и медицинского назначения. Разработана технология получения полимерных матриксов для тканевой инженерии методами формования из раствора и расплава на 2D- и 3D-шаблонах. Проводится разработка лекарственных композиций и форм на основе микро- и наночастиц на основе ПОА с включением ЛВ различных фармакологических групп: противоопухолевых, антибиотиков, противовоспалительных, способствующих регенерации тканей и др. Разработаны экспериментальные модели биодеградации и проведено первичное исследование биодеградации ПОА in vitro и in vivo. Проводятся исследования морфологии, физико-химических и медико-биологических свойств ПОА, кинетики высвобождения лекарственных веществ, биосовместимости на клеточном и физиологическом уровнях при помощи современных гистологических, биохимических, иммунохимических и молекулярно-биологических методов.

Сотрудники лаборатории занимаются преподавательской деятельностью и активно ведут работу с молодежью. Заведующий лабораторией д.б.н. А.Ф. Топунов читает лекции в различных ВУЗах страны. В период с 2000 года в лаборатории защищено 8 кандидатских и 1 докторская диссертация, сейчас в лаборатории работает 6 аспирантов. Проходят практику, выполняют курсовые и дипломные работы студенты МГУ им. Ломоносова, МГУПП, НИЯУ МИФИ. Сотрудники лаборатории ведут активную популяризаторскую деятельность, дважды были победителями конкурса РФФИ на лучшую научно-популярную статью.

Лаборатория сотрудничает как с российскими, так и с зарубежными научными и образовательными учреждениями, работает по проектам, поддержанным грантами различных фондов и министерств РФ, а также международных фондов.

СОСТАВ ЛАБОРАТОРИИ

УНИКАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

1. Kuzma M.M., Topunov A.F., Layzell D.B. Effects of temperature on infected cell O2 concentration and adenylate levels in attached soybean nodules.  — Plant Physiology, 1995, v.107, N 4, p. 1209-1216.(DOI: 10.1104/pp.107.4.1209)
2. Sikorski M.M., Topunov A.F., Strozycki P., Vorgias C.E., Wilson K.S., Legocki A.B. Cloning and expression of plant leghemoglobin cDNA of Lupinus luteus in Escherichia coli and purification of the recombinant protein. — Plant Science, 1995, v.108, N 1, p.109-117 (DOI: 10.1016/0168-9452(95)04125-e)
3. Bonartsev A.P., Livshits V.A., Makhina T.A., Myshkina V.L., Bonartseva G.A., Iordanskii A.L. Controlled release profiles of dipyridamole from biodegradable microspheres on the base of poly(3-hydroxybutyrate). — Express Polymer Letters, 2007, v.1, N.12, p. 797–803 (DOI: 10.3144/expresspolymlett.2007.110)
4. Shumaev К.B., Gubkin А.А., Serezhenkov V.А., Lobysheva I.I., Kosmachevskaya O.V., Ruuge E.К., Lankin V.Z., Topunov А.F., Vanin А.F. Interaction of reactive oxygen and nitrogen species with albumin- and hemoglobin-bound dinitrosyl iron complexes. — Nitric Oxide – Biology and Chemistry, 2008, v.18, N 1, p. 37-46 (DOI: 10.1016/j.niox.2007.09.085)
5. Shumaev K.B., Kosmachevskaya O.V., Timoshin A.A., Vanin A.F., Topunov A.F. Dinitrosyl iron complexes bound with haemoglobin as markers of oxidative stress. — Methods in Enzymology, 2008, v. 436, p. 441-457 (DOI: 10.1016/S0076-6879(08)36025-X)
6. Bonartsev A.P., Yakovlev S.G., Zharkova I.I., Boskhomdzhiev A.P., Bagrov D.V., Myshkina V.L., Makhina T.K., Kharitonova E.P., Samsonova O.V., Feofanov A.V., Voinova V.V., Zernov A.L., Efremov Y.M., Bonartseva G.A., Shaitan K.V., Kirpichnikov M.P. Cell attachment on poly(3-hydroxybutyrate)-poly (ethylene glycol) copolymer produced by Azotobacter chroococcum 7B. — BMC Biochemistry, 2013, 14; Article Number: 12 (DOI: 10.1186/1471-2091-14-12)
7. Bonartsev A., Yakovlev S., Boskhomdzhiev A., Zharkova I., Bagrov D., Myshkina, V., Mahina T., Kharitonova E., Samsonova O., Zernov A., Zhuikov V., Efremov Y., Voinova V., Bonartseva G., Shaitan K. The Terpolymer Produced by Azotobacter Chroococcum 7B: Effect of Surface Properties on Cell Attachment. — PLOS ONE, 2013, 8 (2); Article Number: e57200 (DOI: 10.1371/journal.pone.0057200)
8. Punina N.V., Zotov V.S., Parkhomenko A.L., Parkhomenko T.U., Topunov A.F. Genetic diversity of Bacillus thuringiensis from different geo-ecological regions of Ukraine by analyzing the 16S rRNA and gyrB genes and by AP-PCR and saAFLP. — Acta Naturae, 2013, V. 5. N 1(16). P. 90-100.
9. Kosmachevskaya O.V., Shumaev К.B., Nasybullina E.I., Topunov A.F. Formation of nitri- and nitrosylhemoglobin in systems modeling the Maillard reaction. — Clinical Chemistry and Laboratory Medicine, 2014, v. 52. N 1., p. 161-168 (DOI: 10.1515/cclm-2012-0792)
10. Nasybullina E.I., Nikitaev V.G., Pronichev A.N., Blindar V.N., Kosmachevskaya O.V., Topunov A.F. Expert diagnostic system for hemoglobinopathies using the data on blood, erythrocyte, and hemoglobin state. — Bulletin of the Lebedev Physics Institute. 2015. v. 42, N 7, p. 206-208
11. Punina N.V., Makridakis N.M., Remnev M.A., Topunov A.F. Whole-genome sequencing targets drug-resistant bacterial infections. — Human Genomics, 2015, v. 9: 19 (DOI: 10.1186/s40246-015-0037-z)
12. Kosmachevskaya O.V., Shumaev K.B., Topunov A.F. Carbonyl stress in bacteria: causes and consequences. — Biochemistry (Moscow). 2015. v. 80, N 13, p. 1655-1671
13. Bonartsev A.P., Zernov A.L., Yakovlev S.G., Zharkova I.I., Myshkina V.L., Mahina T.K., Bonartseva G.A., Andronova N.V., Smirnova G.B., Borisova J.A., Kalishjan M.S., Shaitan K.V., Treshalina H.M. New poly(3-hydroxybutyrate) microparticles with paclitaxel sustained release for intraperitoneal administration. — Anti-Cancer Agents in Medicinal Chemistry, 2017, V. 17. N 3. P. 434-441. (DOI: 10.2174/1871520615666160504095433)
14. Bonartsev A.P., Zharkova I.I., Yakovlev S.G., Myshkina V.L., Махина, Voinova V.V., Zernov A.L., Zhuikov V.A., Akoulina E.A., Ivanova E.V., Kuznetsova E.S., Shaitan K.V., Bonartseva G.A. Biosynthesis of poly(3-hydroxybutyrate) copolymers by Azotobacter chroococcum 7B: a precursor feeding strategy. — Preparative Biochemistry and Biotechnology, 2017, V. 47. N 2. P. 173-184. (DOI: 10.1080/10826068.2016.1188317)
15. Shumaev K.B., Kosmachevskaya O.V., Nasybullina E.I., Gromov S.V., Novikov A.A., Topunov A.F. New dinitrosyl iron complexes bound with physiologically active dipeptide carnosine. —  Journal of Biological Inorganic Chemistry, 2017. V. 22. N 1. P. 153–160. (DOI: 10.1007/s00775-016-1418-z.)

1. Исследование биодеградации полимерных изделий
2. Инкапсулирование лекарственных веществ в полимерные микрочастицы