ОТДЕЛ БИОКИНЕТИКИ

заведующий отделом, доктор химических наук, профессор 

Отдел биокинетики организован в 1965 г. выдающимся российским ученым, профессором, чл.-корр. АН СССР И.В. Березиным на основе всемирно известной российской школы химической кинетики, созданной лауреатом Нобелевской премии, акад. Н.Н. Семеновым, в качестве логического развития интереса ученых-химиков к биологическим объектам. И.В. Березин руководил отделом с 1965 по 1978 г., заведующие отделом в последующие годы – проф. С.Д. Варфоломеев (1978 - 2001 г.г.) и проф. В.К. Швядас (с 2001 г. по настоящее время).

В структуру отдела входят: лаборатория ферментативной модификации физиологически активных соединений (зав. – дхн, проф. В.К. Швядас) и лаборатория полиферментных систем (зав.– дхн, проф. С.Д. Варфоломеев), научные группы дхн Г.Ф. Судьиной, дхн М.Г. Сергеевой, дхн В.И. Буник, кхн М.И. Юшко, кхн Д.Т. Гуранда, кхн Г.Г. Чилова. Основные сотрудники отдела: дхн А.Т. Варфоломеева, дхн С.В. Зайцев, кхн З.В. Гришина, кхн Т.А. Щербакова, кхн М.А. Пушкарева, кхн Ж.В. Потетинова.

Основные направления научных исследований . Приоритетное направление "Энзимология и биотехнология". Темы: "Биокаталитический синтез антибиотиков и пептидов" (рук. – проф. В.К. Швядас), "Исследовать ферменты синтеза простагландинов и лейкотриенов, создать ингибиторы их синтеза" (рук. – проф. С.Д. Варфоломеев)

Участие в выполнении научно-исследовательских проектов (программ) и грантовая поддержка. Отдел биокинетики ведет активное международное сотрудничество с Университетами Делфта и Гронингена (Нидерланды), Лундским университетом (Швеция), Королевским техническим университетом Стокгольма (Швеция), Университетом Отто-фон-Герике, г. Магдебург и Университетом г. Констанца (ФРГ), Мичиганским университетом (США), Институтом нефтехимии и биоорганической химии Украинской академии наук (Киев), а также с научными учреждениями России: кафедрой химической энзимологии химического факультета МГУ, факультетом биоинженерии и биоинформатики МГУ, НИВЦ МГУ, Институтом генетики и селекции промышленных микроорганизмов (Москва), Институтом элементоорганических соединений РАН (Москва), Институтом физиологически активных веществ РАН (Черноголовка). Гранты: ряд грантов РФФИ, в т.ч. РФФИ-ГФЕН, Федеральной целевой научно-технической программа "Новейшие методы биоинженерии", Федеральной целевой программы "Интеграция науки и высшего образования", Междисциплинарный проект МГУ, программы "Университеты России", INTAS.

Основные научные достижения отдела. Одно из приоритетных направлений - изучение кинетики и механизма действия ферментов семейства пенициллинацилаз. Для понимания механизма биокатализа, природы специфичности и стереоспецифичности действия, а также разработки новых подходов к биоинженерии ферментов внедрены методы молекулярного моделирования биокаталитических превращений. Исследованы кинетика и механизм реакций ферментативного ацильного переноса в водной среде, разработаны адекватные математические модели, позволяющие описать протекание реакций в широком диапазоне условий вплоть до высоких степеней превращения. Изучены реакции, протекающие как в гомогенном растворе, так и в гетерогенных системах "водный раствор-осадок", а также при минимальном содержании воды в реакционной смеси (твердофазные реакции). Изучена термодинамика реакций гидролиза-синтеза пенициллинов, цефалоспоринов, N-ацилированных аминов, аминокислот и их производных. Выявлены ключевые факторы, определяющие эффективность биокаталитического синтеза в водных средах. Исследованы неканонические превращения, катализируемые пенициллинацилазами и аминоацилазами. Развиты методы эффективного использования ферментов для получения физиологически активных соединений, а также в энантио- и региоселективном органическом синтезе. Достигнут существенный прогресс в развитии методов ферментативного синтеза пептидов, содержащих D-аминокислоты, при использовании ферментов для введения и снятия защитных групп в пептидном синтезе, в химикоэнзиматическом получении стереоизомерно чистых дикетопиперазинов. Созданы научные основы биокаталитических технологий синтеза новых бета-лактамных антибиотиков и получения индивидуальных энантиомеров аминосоединений. Проведены исследования механизма действия сульфатированных липидов на синтез лейкотриенов в нейтрофилах и на лейкоцит-эндотелиальные взаимодействия. Обнаружено, что сульфатированные галактоцереброзиды и сульфатированный холестерин (неопубликованные данные) являются агентами, вызывающими прикрепление нейтрофилов к коллагену и эндотелию. Исследована роль цитоскелета и динамики внутриклеточного кальция в нейтрофилах при действии на клетку сульфатированных галактоцереброзидов. Показано, что сульфатированный холестерин является агентом, вызывающим прикрепление нейтрофилов к эндотелиальным клеткам, активацию продукции супероксида в клетках, а также влияет на синтез лейкотриенов в нейтрофилах и при взаимодействии нейтрофилов с эндотелием и белками экстраклеточного матрикса. Предполагается, что сульфатированные липиды являются активными эндогенными регуляторами клеточного синтеза лейкотриенов, и что важным звеном такой регуляции является клеточная адгезия. Изучен синтез простагландинов и циклопентеноновых простагландинов, выброс арахидоновой и докозагексаеновой кислот при стимуляции астроцитов (глиальные клетки мозга) провоспалительными веществами (интерлейкин 1, фактор некроза опухоли альфа, тромбин, АТР, липополисахарид). Показано, что в регуляции синтеза простаноидов на астроцитах ключевая роль принадлежит докозагексаеновой кислоте, которая предотвращает синтез простаноидов даже на фоне значительной индукции простагландин Н синтазы. Впервые показано, что кальций независимая форма фосфолипазы А2, которая высвобождает докозагексаеновую кислоту из фосфолипидов мембран астроцитов, участвует в развитии воспалительных ответов клеток. Этот фермент предложено использовать для целевого поиска новых подходов к терапии воспалительных процессов в центральной нервной системе. Показано также, что циклопентеноновые простагландины группы А2 и группы Ж2 (15d-PGJ2) эффективно блокируют пролиферацию нормальных и трансформированных астроцитов, что может быть использовано при лечении астроцитозов, сопровождающих воспалительные процессы, и, возможно, ряда опухолевых заболеваний мозга. Проводятся исследования по выяснению механизма действия циклопентеноновых простагландинов и причин их различия во влиянии на первичные и трансформированные клетки.

Научные достижения отдела отмечены: Ленинской премией 1982 г. (И.В. Березин, К. Мартинек), Государственными премиями  1984 г. (В.К. Швядас), 1984 г. (С.Д. Варфоломеев, А.А. Клесов), Премиями Ленинского Комсомола 1986 г. (П.В. Вржещ),  1988 г. (И.Н. Курочкин, Н.В. Породенко, М.Г. Сергеева), Премией Европейской академии для молодых ученых 2002 г. (М.И. Юшко)

Основные научные публикации отдела:
1.    Guranda DT, Khimiuk AI, van Langen LM, van Rantwijk F, Sheldon RA, Švedas VK. An "Easy-on, easy-off" protecting group for the enzymatic resolution of (±)-1-phenylethylamine in an aqueous medium. Tetrahedron: Asymmetry. 2004; 15: 2901-2906.
2.    Vrzheshch PV, Batanova EA, Mevkh AT, Varfolomeev SD, Gazaryan IG, Thorneley RN. A novel approach to distinguish between enzyme mechanisms: quasi-steady-state kinetic analysis of the prostaglandin H synthase peroxidase reaction. Biochem J. 2003; 372: 713-24.
3.    Youshko MI, Chilov GG, Shcherbakova TA, Švedas VK. Quantitative characterization of the nucleophile reactivity in penicillin acylase-catalyzed acyl transfer reactions. Biochim Biophys Acta. 2002; 1599: 134-40.
4.    Sud'ina GF, Brock TG, Pushkareva MA, Galkina SI, Turutin DV, Peters-Golden M, Ullrich V. Sulphatides trigger polymorphonuclear granulocyte spreading on collagen-coated surfaces and inhibit subsequent activation of 5-lipoxygenase. Biochem J. 2001; 359 (Pt3): 621-629.
5.    Sud’ina GF, Mirzoeva OK, Galkina SI, Pushkareva MA, Ullrich V. Involvement of ecto-ATPase and extracellular ATP in polymorphonuclear granulocyte - endothelial interactions. FEBS Lett. 1998; 423: 243-248.
6.    Sergeeva MG, Gonchar MV, Mevkh AT, Varfolomeyev SD. Prostaglandin E2 biphasic control of lymphocyte proliferation: inhibition by picomolar concentrations. FEBS Lett. 1997; 418: 235-8.
7.    Švedas V, Guranda D, van Langen L, van Rantwijk F, Sheldon R. Kinetic study of penicillin acylase from Alcaligenes faecalis. FEBS Lett. 1997; 417: 414-418.
8.    Švedas VK, Savchenko MV, Beltser AI, Guranda DF Enantioselective penicillin acylase-catalyzed reactions. Factors governing substrate and stereospecificity of the enzyme. Ann N Y Acad Sci. 1996; 799: 659-669.

Основные публикации за последние 3 года:
1.    Youshko MI, Moody HM, Bukhanov AL, Boosten WHJ, Švedas VK. Penicillin acylase-catalyzed synthesis of -lactam antibiotics in highly condensed aqueous systems. Beneficial impact of kinetic substrate supersaturation. Biotechnol. Bioeng. 2004; 85: 323-9.
2.    Youshko MI, van Langen LM, Sheldon RA, Švedas VK. Application of aminoacylase 1 to the enantioselective resolution of -amino acid esters and amides. Tetrahedron: Asymmetry. 2004; 15: 1933-1936.
3.    Shcherbakova TA, Korennykh AV, van Langen LM, Sheldon RA, Švedas VK. Use of high acyl donor concentrations leads to penicillin acylase inactivation in the course of peptide synthesis. J. Mol. Cat. B: Enzym. 2004; 31, 63-65.
4.    Khimiuk AY, Korennykh AV, van Langen LM, van Rantwijk F, Sheldon RA, Švedas VK. Penicillin acylase-catalyzed peptide synthesis in aqueous medium: a chemo-enzymatic route to stereoisomerically pure diketopiperazines. Tetrahedron: Asymmetry. 2003; 14: 3123-8.
5.    Chilov GG, Moody HM, Boesten WHJ, Švedas VK. Resolution of (R,S)-phenylglycinonitrile by penicillin acylase-catalyzed acylation in aqueous medium. Tetrahedron: Asymmetry. 2003; 14: 2613-7.
6.    Stroganov O, Chilov G, Švedas V. Force field parametrization for 6-aminopenicillanic acid. J Mol Struct. 2003; 631: 117-25.
7.    Turutin DV, Kubareva EA, Pushkareva MA, Ullrich V, Sud'ina GF. Activation of NF-kappa B transcription factor in human neutrophils by sulphatides and L-selectin cross-linking. FEBS Lett. 2003; 536: 241-5.
8.    Юшко МИ, Буханов АЛ, Швядас ВК. Изучение связывания нуклеофила в активном центре пенициллинацилазы. Кинетический анализ. Биохимия. 2003; 68: 403-8.
9.    Sergeeva M, Strokin M, Wang H, Ubl JJ, Reiser G. Arachidonic acid in astrocytes blocks Ca2+ oscillations by inhibiting store-operated Ca2+ entry, and causes delayed Ca2+ influx. Cell Calcium. 2003; 33: 283-92.
10.    Youshko MI, Švedas VK. Penicillin acylase - catalyzed solid-state ampicillin synthesis. Adv Synth Cat. 2002; 344: 894-8.
11.    Youshko MI, van Langen LM, de Vroom E, Van Rantwijk F, Sheldon RA, Švedas VK. Penicillin Acylase-Catalyzed Ampicillin Synthesis Employing a pH Gradient: a New Approach to Optimization. Biotechnol Bioeng. 2002; 78: 589-93.
12.    Chilov GG, Švedas VK. Enzymatic hydrolysis of β-lactam antibiotics at low pH in a two-phase “aqueous solution - water-immiscible organic solvent” system. Can J Chem. 2002; 80: 699-707.
13.    Pushkareva MA, Turutin DV, Sud'ina GF. Regulation of leukotriene synthesis by arachidonic acid in human polymorphonuclear leukocyte adhesive interactions is dependent on the presence of albumin. Cell Biol Int Rep. 2002; 26: 993-1001.
14.    Sergeeva M, Strokin M, Wang H, Ubl JJ, Reiser G. Arachidonic acid and docosahexaenoic acid suppress thrombin-evoked Ca2+ response in rat astrocytes by endogenous arachidonic acid liberation. J Neurochem. 2002; 82: 1252-61.
15.    Guranda DT, van Langen LM, van Rantwijk F, Sheldon RA, Švedas VK, Highly efficient and enantioselective enzymatic acylation of amines in an aqueous medium. Tetrahedron: Asymmetry. 2001; 12: 1645-50.
16.    Youshko MI, van Langen LM, de Vroom E, van Rantwijk F, Sheldon RA, Švedas VK. Highly efficient synthesis of ampicillin in an "aqueous solution-precipitate" system. Repetitive addition of substrates in a semi-continuous process. Biotechnol Bioeng. 2001; 73: 426-30.
17.    Youshko MI, van Rantwijk F, Sheldon RA. Enantioselective acylation of chiral amines catalysed by aminocylase I. Tetrahedron: Asymmetry. 2001; 12: 3267-71.
18.    Švedas VK, Guranda DT, Sheldon RA, van Rantwijk F, van Langen LM. Method for the preparation of enantiomerically enriched amines. Patent WO 02/20821 A1, 2002.
19.    Švedas VK, Guranda DT, Khimiouk AJ, Sheldon RA, van Rantwijk F, van Langen LM. Process for the preparation of enantiomerically enriched amines. Patent WO 02/20820 A2, 2002.

Другие сведения об отделе (историческая справка).

Основные результаты за сорок лет работы отдела достигнуты в изучении физико-химических основ биокатализа, специфичности, стереоспецифичности и хемоселективности ферментативных реакций, создании методов стабилизации и превращения ферментов в технологичные катализаторы, разработке научных основ инженерной энзимологии, создании и внедрении в медицинскую промышленность первых в стране промышленных процессов на основе иммобилизованных ферментов, разработке научных основ конверсии энергии биокаталитическими системами, открытии явления биоэлектрокатализа (открытие № 311 «Свойство ферментов участвовать в переносе электронов - биоэлектрокатализ»), исследовании биосинтеза и регуляторной роли простагландинов и лейкотриенов в животных клетках. Результаты исследований, выполненных в отделе биокинетики, вошли в циклы работ, отмеченых Ленинской премией в 1982 г. (И.В. Березин, К. Мартинек), двумя Государственными премиями СССР в 1984 г. (С.Д. Варфоломеев, А.А. Клесов и В.К. Швядас), а также рядом премий для молодых ученых. Создана всемирно известная научная школа, воспитанники которой успешно продолжают фундаментальные и прикладные исследования в как в России (С.Д. Варфоломеев, В.К. Швядас, Г.Ф. Судьина, А.Т. Варфоломеева, П.В. Вржещ, М.Г. Сергеева, Н.Ф. Казанская, А.В. Левашов, Н.И. Ларионова, С.О. Бачурин, А.П. Синицын, С.В. Калюжный, И.Н. Курочкин, А.В. Максименко, А.А. Карякин, С.С.Кормер, Д.А.Мироненко, Э.А.Колованов и др.), так и за рубежом: США (А.М. Клибанов, А.А. Клесов, А.Л. Марголин, А.М. Блинковский, М.Ю. Гололобов, О.Л. Барский, О.К. Мирзоева, В.В. Верхуша, М.М.Вешторт, М.В.Виноградова, А.В.Чельцов), Мексике (А.К. Яцимирский, А.Д. Варфоломеева), Швеции (С.В. Зайцев, И.Ю. Галаев, А.Е.Иванов), Канаде (А.В.Пшежецкий), ФРГ (В.Кошке), Литве (А.А.Пятраускас, Р.И.Диджяпетрис, Р.А.Паулюконис) и ряде других стран. Одной из отличительных характеристик отдела биокинетики является систематическая активная работа со студентами и аспирантами, его популярность среди молодежи. За последние годы в отделе выросли талантливые молодые ученые (М.И. Юшко, Д.Т. Гуранда, Г.Г. Чилов, Т.А. Щербакова, и др.), которые наряду с успешным проведением собственных исследований плодотворно работают с новым поколением студентов, интересующихся биокинетикой и биокатализом.