ОТДЕЛ ФОТОБИОФИЗИКИ

Отдел организован в 1988 г. акад. РАН В.А.Шуваловым, который руководит им до настоящего врмени.

В структуру отдела входят группа акад. В.А. Шувалова и лаборатория структуры и функции светособирающих антенн (зав. – дфмн З.Г. Фетисова).

Отдел ведет научные исследование первичных фотофизических процессов в фотосинтетических светособирающих антеннах и реакционных центрах.

Участие в выполнении научно-исследовательских проектов (программ) и грантовая поддержка. Проекты "Изучение первичных процессов фотосинтеза в реакционных центрах фотосинтезирующих бактерий и зеленых растений" совместно с Институтом фундаментальных проблем биологии РАН, Департаментом Биофизики Лейденского университета (Голландия), университетом Вюрцбурга (Германия); "Исследование структуры и функции светособирающих антенн фотосинтезирующих зеленых бактерий" совместно с Аризонским государственным университетом, и государственным университетом штата Айова США), университетом Южной Дании (Дания), Турецким техническим университетом (Турция), университетом Падуи (Италия). Гранты: ряд грантов РФФИ, Международного научного фонда Сороса, программы "Университеты России", NWO (Нидерланды), INTAS.

Основные научные достижения отдела. Предсказана пространственная структура бактериальных реакционных центров (впоследствии подтвержденная рентгеноструктурным анализом). Раскрыт механизм первичного акта преобразования энергии света в энергию разделенных зарядов. Показано, что первичный акт преобразования энергии светового возбуждения в реакционных центрах ( РЦ ) фотосинтезирующих бактерий заключается в переносе электрона от первичного донора электрона на мономер бактериохлорофилла за время 1.6 пс при 10 К [Шувалов ВА. "Преобразование солнечной энергии в первичном акте разделения зарядов в реакционных центрах фотосинтеза". 2000, М.: Наука.]. Найдено, что образующееся первичное состояние с разделенными зарядами характеризуется полосой поглощения при 1020 нм, характерной для образования анион-радикала мономера бактериохлорофилла. [Shuvalov VA, Yakovlev AG. FEBS Letе. 2003; 540: 26-34]. Обнаружены и исследованы субпикосекундные осцилляции в полосе поглощения анион-радикала мономера бактериохлорофилла нативных и мутантных РЦ Rhodobacter sphaeroids R-26 [Yakovlev AG, Shkuropatov AYa, Shuvalov VA. FEBS Lett. 2000, 466: 209-12]. Выдвинуто и обосновано фундаментальное положение о том, что первичное состояние с разделенными зарядами является реальным промежуточным звеном в переносе электрона. Исследовано формирование и когерентное распространение ядерных волновых пакетов на поверхностях потенциальной энергии возбужденного состояния первичного донора электрона и состояний с разделенными зарядами в бактериальных реакционных центрах [Yakovlev AG, Shkuropatov AYa, Shuvalov VA. Biochem. 2002; 41: 14019-27]. Найдено, что при движении ядерного волнового пакета происходит формирование промежуточного смешанного состояния, которое излучает свет как возбужденное состояние димера бактериохлорофилла и поглощает свет как первичное состояние с разделенными зарядами. Показано, что движение волнового пакета сопровождается как обратимым, так и необратимым переносом электрона по цепи кофакторов. Выдвинут принцип электрон-ядерного сопряжения при первичном преобразовании энергии в реакционных центрах [Yakovlev AG, Shkuropatov AYa, Shuvalov VA. Biochem. 2002; 41: 2667-74]. Исследована роль динамических эффектов в процессах первичного разделения зарядов в РЦ [Novoderezhkin VI, Yakovlev AG, van Grondelle R, Shuvalov VA. J. Phys. Chem. B. 2004; 108, 7445-57]. Выдвинута и экспериментально обоснована концепция жесткой оптимизации структуры фотосинтезирующего аппарата по функциональному критерию [Фетисова ЗГ, Фок МВ. Молек Биол. 1984, 18: 1651-6]. Исследована стратегия эффективного функционирования природных светособирающих молекулярных антенн. Определены теоретически некоторые из основных принципов организации оптимальных модельных светособирающих систем [Фетисова ЗГ, Фок МВ, Шибаева ЛВ. Молек Биол. 1985, 19: 1476-88; 1489-500; Fetisova ZG, Borisov AYu, Fok MV. J Theor Biol. 1985, 112: 41-75; Fetisova, ZG, Shibaeva, LV, Fok, MV. J Theor Biol. 1989, 140: 167-84; Фетисова ЗГ. Молек Биол. 2004; 38: 515-23]. Открыт ряд фундаментальных принципов структурно-функциональной организации природных антенн, позволивших реализовать in vivo большие и высокоэффективные светособирающие структуры. Прямыми биофизическими методами продемонстрирован дальний молекулярный порядок в светособирающих антеннах зеленых бактерий как ключевой принцип их организации, необходимый для оптимизации структуры [Fetisova ZG, Freiberg AM, Timpmann KE. Nature 1988, 334: 633-4]. Показано, что олигомеризация пигментов модельной антенны - будучи универсальным структурным фактором, оптимизирующим функционирование антенн с решеткой любого геометрического типа - биологически целесообразна [Fetisova ZG, Shibaeva LV, Fok MV. J Theor Biol. 1989, 140: 167-84]. Получено прямое экспериментальное доказательство реализации олигомерной организации антенных пигментов in vivo на примере хлоросомных суперантенн зеленых бактерий [Fetisova ZG, Mauring K. FEBS Lett. 1992, 307: 371-4; Fetisova ZG, Mauring K. FEBS Lett. 1993, 323: 159-62; Fetisova ZG, Mauring K, Taisova AS. Photosynth Res. 1994, 41: 205-10; Фетисова и др. Молек Биол. 1995, 29: 1384-90; 1996, 30: 442-8; 1997, 31: 520-7; 1997, 31: 855 –60]. Открыта строгая ориентационная упорядоченность векторов дипольных моментов Qy-переходов светособирающих пигментов в хлоросомной антенне зеленых бактерий, содержащей десятки тысяч молекул пигмента. Показано, что эти векторы - взаимно параллельны и направлены вдоль длинной оси хлоросомы, как это было предсказано в наших модельных расчетах для оптимальных систем [Fetisova ZG, Kharchenko SG, Abdourakhmanov IA. FEBS Lett. 1986, 199: 234-6; Fetisova ZG, Freiberg AM, Timpmann KE. Nature, 1988, 334: 633-4]. Предложена новая оригинальная молекулярная модель олигомерной организации пигментов в хлоросомных антеннах. Разработана модель функционирования этой природной антенны [Fetisova ZG et al. Biophys J. 1996, 71: 995–1010; Novoderezhkin et al. Biophys J. 1998, 74: 2069-75; Novoderezhkin VI, Fetisova ZG. Biophys J. 1999, 77: 424-30; Savikhin et al. FEBS Lett. 1998, 323: 159-62; Novoderezhkin VI, Taisova AS, Fetisova ZG. Chem Phys Lett. 2001; 335: 234-40; Fetisova ZG, Mauring K, Taisova AS. Photosynth Res. 1994, 41: 205-10; Yakovlev et al. Photosynth Res. 2002; 71: 19-32; Мауринг и др. Молек Биол. 2004; 38: 317-22]. Открыта стратегия выживания фотосинтезирующих организмов в широком диапазоне интенсивностей света. Теоретически предсказано, что агрегация антенных пигментов, будучи сама по себе одним из универсальных оптимизирующих факторов, может, кроме того, управлять эффективностью антенны, если степень агрегации является переменным параметром: эффективность антенны растет с увеличением размера единичного антенного агрегата [Fetisova, ZG, Shibaeva, LV, Fok, MV. J Theor Biol. 1989, 140: 167-84; Фетисова ЗГ. Молек Биол. 2004; 38: 515-23]. Показано, что этот принцип оптимизации структуры вариабельной антенны, размер которой определяется интенсивностью света, действительно реализуется in vivo. Открыта предсказанная теоретически вариабельность размера единичного строительного блока светособирающей антенны, контролируемая интенсивностью света. На примере хлоросомной олигомерной антенны зеленых бактерий показано, что осуществляемый светом контроль не только размера хлоросомной антенны в целом, но и размера единичного строительного блока этой антенны обеспечивает высокую эффективность функционирования этой олигомерной антенны независимо от ее размера, что, как следствие, и позволяет выживать этим организмам в широком диапазоне интенсивностей света [Yakovlev AG, Taisova AS, Fetisova ZG. FEBS Lett. 2002; 512: 129-32; Яковлев АГ, Таисова АС, Фетисова ЗГ. Молек Биол. 2004; 38: 524-31].

Научные достижения отдела отмечены Государственной премией РФ (В.А. Шувалов).

Основные научные публикации отдела:
1.    Фетисова ЗГ, Фок МВ. Пути оптимизации преобразования световой энергии в первичных актах фотосинтеза. 1. Необходимость оптимизации структуры фотосинтетической единицы и метод расчета ее эффективности. Молек. биол. 1984; 18: 1651-6.
2.    Fetisova ZG, Kharchenko SG, Abdourakhmanov IA. Strong orientational ordering of the near- infrared transition moment vectors of light-harvesting antenna bacterioviridin in chromatophores of the green photosynthetic bacterium Chlorobium limicola. FEBS Lett. 1986; 199: 234-6.
3.    Fetisova ZG, Freiberg AM, Timpmann KE. Long-range molecular order as an efficient strategy for light harvesting in photosynthesis. Nature. 1988; 334: 633-4.
4.    Fetisova ZG, Shibaeva LV, Fok MV. Biological expedience of oligomerization of chlorophyllous pigments in natural photosynthetic systems. J Theor Biol. 1989; 140: 167-84.
5.    Fetisova ZG, Mauring K. Experimental evidence of oligomeric organization of antenna bacteriochlorophyll c in the green bacterium Chloroflexus aurantiacus by spectral hole burning. FEBS Lett. 1992; 307: 371-4.
6.    Fetisova ZG, Mauring K, Taisova AS. Strongly exciton-coupled BChl e chromophore system in the chlorosomal antenna of intact cells of the green bacterium Chlorobium phaeovibrioides: A spectral hole burning study. Photosynth Res. 1994; 41: 205-10.
7.    Фетисова ЗГ, Шибаева ЛВ, Таисова АС, Мауринг К, Новодережкин ВИ, Тимпманн КЭ. Олигомеризация светособирающих пигментов как структурный фактор, оптимизирующий функцию фотосинтетической антенны (цикл из 4-х статей под общим названием). Молек. биол. 1995; 29: 1384-90; 1996; 30: 442-8; 1997; 31: 520-7; 1997; 31: 855 –60.
8.    Fetisova ZG, Freiberg AM, Mauring K, Novoderezhkin VI, Taisova AS, Timpmann KE. Excitation energy transfer in chlorosomes of green bacteria: theoretical and experimental studies. Biophys J. 1996; 71: 995-1010.
9.    Novoderezhkin VI, Taisova AS, Fetisova ZG, Blankenship RE, Savikhin S, Buck D, Struve WS. Energy transfers in the B808-866 antenna from the green bacterium Chloroflexus aurantiacus. Biophys J. 1998; 74: 2069-75.
10.    Savikhin S, Buck D, Struve WS, Blankenship RE, Taisova AS, Novoderezhkin VI, Fetisova ZG. Excitation delocalization in the bacteriochlorophyll c antenna of the green bacterium Chloroflexus aurantiacus as revealed by ultrafast pump-probe spectroscopy. FEBS Lett. 1998; 323: 159-62.
11.    Novoderezhkin VI, Fetisova ZG. Exciton delocalization in the B808-866 antenna of the green bacterium Chloroflexus aurantiacus as revealed by ultrafast pump-probe spectroscopy. Biophys J. 1999; 77: 424-30.
12.    Mauring K, Novoderezhkin VI, Taisova AS, Fetisova ZG. Exciton levels structure of antenna bacteriochlorophyll c aggregates in the green bacterium Chloroflexus aurantiacus as probed by 1.8- 293 K fluorescence spectroscopy. FEBS Lett. 1999; 456: 239-42.
13.    Yakovlev AG, Shuvalov VA. Formation of bacteriochlorophyll anion band at 1020 nm produced by nuclear wavepacket motion in bacterial reaction centers. J Chinese Chem Soc. 2000; 47: 709-14.
14.    Yakovlev AG, Shkuropatov AYa, Shuvalov VA. Nuclear wavepacket motion producing a reversible charge separation in bacterial reaction centers. FEBS Lett. 2000; 466: 209-12.
15.    Шувалов ВА. “Первичное преобразование солнечной энергии в первичном акте разделения зарядов в реакционных центрах фотосинтеза”. Москва: Наука, 2000, 50 с.
16.    Яковлев АГ, Шувалов ВА. Разделение зарядов в реакционных центрах фотосинтеза при фемтосекундном возбуждении. Биохимия. 2001; 2: 261-72.
17.    Novoderezhkin VI, Taisova AS, Fetisova ZG. Unit building block of the oligomeric chlorosomal antenna of the green photosynthetic bacterium Chloroflexus aurantiacus: modeling of nonlinear optical spectra. Chem. Phys. Lett. 2001; 335: 234-40.
18.    Yakovlev AG, Taisova AS, Fetisova ZG. Light control over the size of an antenna unit building block as an efficient strategy for light harvesting in photosynthesis. FEBS Lett. 2002; 512: 129-32.
19.    Yakovlev AG, Novoderezhkin VI, Taisova AS, Fetisova ZG. Exciton dynamics in the chlorosomal antenna of the green bacterium Chloroflexus aurantiacus: experimental and theoretical studies of femtosecond pump-probe spectra. Photosynth Res. 2002; 71: 19-32.
20.    Taisova AS, Keppen OI, Arutunyan AM, Fetisova ZG. Study of the chlorosomal antenna of the green mesofilic filamentous bacterium Oscillochloris trichoides: spectral, biochemical and morphometric characteristics. Photosynth Res. 2002; 74: 73-85.
21.    Яковлев АГ, Шкуропатов АЯ, Шувалов ВА. Молекулярная цепь переноса электрона в первичном акте бактериального фотосинтеза, определенная с помощью фемтосекундной спектроскопии. Докл. акад. Наук. 2002; 385: 262-8.
22.    Yakovlev AG, Shkuropatov AYa, Shuvalov VA. Nuclear wavepacket motion between P* and P+BA- potential surfaces with a subsequent electron transfer to HA in bacterial reaction centers at 90 K. Electron transfer pathway. Biochem. 2002; 41: 14019-27.
23.    Yakovlev AG, Shkuropatov AYa, Shuvalov VA. Nuclear wavepacket motion between P* and P+BA- potential surfaces with a subsequent electron transfer to HA in bacterial reaction centers. I. Room temperature. Biochem. 2002; 41: 2667-74.
24.    Shuvalov VA, Yakovlev AG. Coupling of nuclear wavepacket motion and charge separation in bacterial reaction centers. FEBS Lett. 2003; 540: 26-34.
25.    Яковлев АГ, Шувалов ВА. Перенос электрона в дейтерированных реакционных центрах Rhodobacter sphaeroides при 90 К по данным фемтосекундной спектроскопии. Биохимия; 2003; 68: 741-9.
26.    Яковлев АГ, Шкуропатов АЯ, Шувалов ВА. Фемтосекундные ядерные осцилляции при разделении зарядов в реакционных центрах фотосинтеза. Биохимия. 2003 68: 664-75.
27.    Yakovlev AG, Vasilieva LG, Shkuropatov AY, Bolgarina TI, Shkuropatova VA and Shuvalov VA. Mechanism of charge separation and stabilization of separated charges in reaction centers of Chloroflexus aurantiacus and of YM210W(L) mutants of Rhodobacter sphaeroides excited by 20 fs pulses at 90 K. J Phys Chem A. 2003; 107: 8330-8.
28.    Novoderezhkin VI, Yakovlev AG, Van Grondelle R, Shuvalov VA. Coherent nuclear and electronic dynamics in primary charge separation in photosynthetic reaction centers: a Redfield theory approach. J Phys Chem B. 2004; 108: 7445-57.
29.    Яковлев АГ, Васильева ЛГ, Шкуропатов АЯ, Болгарина ТИ, Шкуропатова ВА, Долгова ТА и Шувалов ВА. Механизм разделения зарядов и их стабилизации в бактериальных реакционных центрах. Биофизика. 2004; 49: 199-211.
30.    Фетисова ЗГ. Стратегия выживания фотосинтезирующих организмов. 1. Вариабельность степени агрегации светособирающих пигментов как структурный фактор, оптимизирующий функцию олигомерной фотосинтетической антенны. Модельные расчеты. Молек. биол. 2004; 38: 515-23.
31.    Яковлев АГ, Taисова AС, Фетисова ЗГ. Стратегия выживания фотосинтезирующих организмов. 2. Экспериментальное доказательство вариабельности размера единичного строительного блока олигомерной антенны. Молек. биол. 2004; 38: 524-31.

Основные публикации за последние 3 года:
1.    Yakovlev AG, Taisova AS, Fetisova ZG. Light control over the size of an antenna unit building block as an efficient strategy for light harvesting in photosynthesis. FEBS Lett. 2002; 512: 129-32.
2.    Yakovlev AG, Novoderezhkin VI, Taisova AS, Fetisova ZG. Exciton dynamics in the chlorosomal antenna of the green bacterium Chloroflexus aurantiacus: experimental and theoretical studies of femtosecond pump-probe spectra. Photosynth Res. 2002; 71: 19-32.
3.    Taisova AS, Keppen OI, Arutunyan AM, Fetisova ZG. Study of the chlorosomal antenna of the green mesofilic filamentous bacterium Oscillochloris trichoides: spectral, biochemical and morphometric characteristics. Photosynth Res. 2002; 74: 73-85.
4.    Yakovlev AG, Shkuropatov AYa, Shuvalov VA. Nuclear wavepacket motion between P* and P+BA- potential surfaces with a subsequent electron transfer to HA in bacterial reaction centers at 90 K. Electron transfer pathway. Biochem. 2002; 41: 14019-27.
5.    Yakovlev AG, Shkuropatov AYa, Shuvalov VA. Nuclear wavepacket motion between P* and P+BA- potential surfaces with a subsequent electron transfer to HA in bacterial reaction centers. I. Room temperature. Biochem. 2002; 41: 2667-74.
6.    Shuvalov VA, Yakovlev AG. Coupling of nuclear wavepacket motion and charge separation in bacterial reaction centers. FEBS Lett. 2003; 540: 26-34.
7.    Novoderezhkin VI, Yakovlev AG, Van Grondelle R, Shuvalov VA. Coherent nuclear and electronic dynamics in primary charge separation in photosynthetic reaction centers: a Redfield theory approach. J. Phys. Chem. B. 2004; 108: 7445-57.
8.    Yakovlev AG, Vasilieva LG, Shkuropatov AYa, Bolgarina TI, Shkuropatova VA, Shuvalov VA. Mechanism of charge separation and stabilization of separated charges in reaction centers of Chloroflexus aurantiacus and of YM210W(L) mutants of Rhodobacter sphaeroides excited by 20 fs pulses at 90 K. J Phys Chem A. 2003; 107: 8330-8.
9.    Яковлев АГ, Васильева ЛГ, Шкуропатов АЯ, Болгарина ТИ, Шкуропатова ВА, Долгова ТА и Шувалов ВА (2004) Механизм разделения зарядов и их стабилизации в бактериальных реакционных центрах. Биофизика. 49: 199-211.
10.    Novoderezhkin VI, Yakovlev AG, Van Grondelle R, Shuvalov VA. Coherent nuclear and electronic dynamics in primary charge separation in photosynthetic reaction centers: a Redfield theory approach. J Phys Chem B. 2004; 108: 7445-57.
11.    Фетисова ЗГ. Стратегия выживания фотосинтезирующих организмов. 1. Вариабельность степени агрегации светособирающих пигментов как структурный фактор, оптимизирующий функцию олигомерной фотосинтетической антенны. Модельные расчеты. Молек. биол. 2004; 38: 515-23.
12.    Яковлев АГ, Taисова AС, Фетисова ЗГ. Стратегия выживания фотосинтезирующих организмов. 2. Экспериментальное доказательство вариабельности размера единичного строительного блока олигомерной антенны. Молек. биол. 2004; 38: 524-31.