Биологический факультет
Кафедра биофизики
119991, Москва, ГСП-2, Ленинские горы. Телефон (495) 939-1116, факс 939-1115.
! | Поздравляем старшего научного сотрудника кафедры биофизики Надежду Александровну Браже с победой в конкурсе ?For Women in Science? и премией ЮНЕСКО за 2015 год! |
Сектор информатики и биофизики сложных систем
Комнаты 119, 122, тел. 939-02-89
Сотрудники сектора
Ризниченко Галина Юрьевна
заведуюший сектором, профессор, доктор физико-математических наук
Абатурова Анна Михайловна
научный сотрудник, кандидат биологических наук
Беляева Наталья Евгеньевна
старший научный сотрудник, кандидат биологических наук
Дьяконова Александра Никитична
ассистент
Коваленко Илья Борисович
старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук
Плюснина Татьяна Юрьевна
доцент, кандидат физико-математических наук
Терлова Лада Джураевна
ассистент
Устинин Дмитрий Михайлович
научный сотрудник, кандидат физико-математических наук
Фурсова Полина Викторовна
старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук
Хрущев Сергей Сергеевич
научный сотрудник
О секторе
Научная работа сектора связана с использованием математического моделирования для изучения фундаментальных законов функционирования живой клетки. Модели помогают понять, каким образом свойства элементов системы и механизмы их взаимодействия определяют поведение целостной системы. Биологические объекты ? сложные многоуровневые системы, протекающие в них процессы имеют сложную пространственно-временную иерархию. Компоненты нижнего (например, молекулярного) уровня и их взаимодействия определяют процессы на верхнем (например, клеточном) уровне. Математические и компьютерные модели интегрируют наши представления о компонентах системы и их взаимодействиях, позволяют проверять правильность гипотез об организации системы, проводить идентификацию параметров системы, делать прогнозы и решать задачи оптимизации. Разрабатываемые модели находят прикладное применение в биотехнологии, экологии, медицине.
Основные направления научной работы
- Изучение механизмов регуляции процессов в субклеточных системах методами математического моделирования.
- Моделирование пространственно-временной самоорганизации в субклеточных системах.
Конкретные задачи, решаемые в рамках фундаментальных направлений исследований
- Кинетические модели электронного транспорта и сопряженных процессов в фотосинтетической мембране (Беляева Н.Е.)
- Качественное и количественное представление о ходе процессов во времени и пространстве можно получить с помощью кинетических моделей ? систем обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих процессы во времени, или систем уравнений в частных производных, описывающих процессы во времени и пространстве.
- Кинетические модели процессов в мембране тилакоида
- Кинетические модели процессов в мембране тилакоида
- Прямые многочастичные компьютерные модели взаимодействия белков с учетом диффузии и электростатики (Коваленко И.Б., Абатурова А.М., Дьяконова А.Н., Устинин Д.М.)
- Индивидуальные свойства биомакромолекул, их пространственную структуру и локальные электрические заряды, гетерогенность клеток и клеточных структур невозможно описать с помощью дифференциальных уравнений. Здесь нужны компьютерные, имитационные подходы, которые мы называем прямым многочастичным моделированием. Этот тип моделирования стал возможным недавно благодаря развитию компьютерной техники. Мы начали его использовать для описания наиболее хорошо изученных процессов в фотосинтетической мембране, но, конечно, метод прямого моделирования применим для описания любых процессов в живой клетке, лишь бы мы располагали достаточными сведениями о свойствах элементов системы и их взаимодействиях.
- Прямые многочастичные модели взаимодействия белков
- Многочастичные модели процессов в фотосинтетической мембране
- Модели взаимодействия первичных процессов фотосинтеза с метаболическими системами растительной клетки (Плюснина Т.Ю., Терлова Л.Д.)
- Моделирование пространственно-временной гетерогенности вблизи клеточной мембраны
- Центральный метаболизм и продукция клетками водорода
- Биосинтез каротиноидов
- Функциональное состояние фотосинтетического аппарата
- Анализ распределения особей в популяции по функциональным параметрам
- Вариационное моделирование в экологии сообществ
Методы исследований
- Кинетическое моделирование с использованием систем обыкновенных дифференциальных уравнений
- Многочастичное компьютерное моделирование, броуновская динамика
- Анализ баланса метаболических потоков
Научные контакты
Мы разрабатываем модели в тесном контакте с экспериментальными группами. Постановка задачи моделирования, формулировка модели и идентификация параметров ? предмет совместной работы специалистов в области биологии, математики, программирования и собственно моделирования.
- Астраханский государственный университет, ?Математическое и компьютерное моделирование кластеризации белков в высыхающих биологических жидкостях?
Ключевые слова
Математическая биология и теоретическое моделирование биологических процессов | |
Математические модели биологии | |
Теоретическая и математическая биофизика | |
Численные методы моделирования и анализа | |
Компьютерное моделирование в экспериментальной физике | |
Модели и теории внутриклеточных процессов | |
Моделирование внутриклеточных процессов методом Монте-Карло | |
Прямое многочастичное компьютерное моделирование | |
Молекулярная и броуновская динамика | |
Кинетические модели, системы обыкновенных дифференциальных уравнений (в биологии) | |
Численные модели химической кинетики | |
Химическая кинетика реакций в сложных биологических системах | |
Перенос зарядов в биологических системах | |
Взаимодействие биомолекул между собой и с мембранами |
Учебная работа
Учебная работа сектора включает лекции, семинары, практические занятия по информатике и математическому моделированию в биологии, биофизике, экологии на всех 5-ти курсах обучения на кафедре биофизики. На 2 курсе во 2-м семестре все студенты биологического ф-та изучают курс ?Математические модели в биологии?. Общие лекции читает Ризниченко Г.Ю., семинары и компьютерные занятия по группам ведут все сотрудники сектора.
- Математические модели в биологии (Ризниченко Г.Ю.) Лекции и практические занятия, 2 курс, 4 сем. Общий курс 24 ч. и семинары 24 ч. Отделение биофизики ? лекции и практические занятия ? 72 часа. Экзамен
- Математическое моделирование биологических процессов (Плюснина Т.Ю., 80/60 ч., зачет ? 6 сем.)
- Модели клеточной регуляции (Ризниченко Г.Ю., Плюснина Т.Ю., 42/28 ч., экзамен ? 9 сем.)
- Современные методы компьютерного моделирования белок-белковых взаимодействий (Коваленко И.Б., Дьяконова А.Н., практикум, 48 ч.)
- Программирование (Коваленко И.Б., факультатив, 16 ч.)
- Цикл задач большого практикума ?Кинетические модели Фотосистемы 2. Идентификация параметров по экспериментальным данным? Беляева Н.Е.
- Задача большого практикума Плюснина Т.Ю.
Студенты и аспиранты
- Дьяконова Александра Никитична, аспирант 1 год (2009?2010 учебный год). ?Прямые многочастичные модели регуляции взаимодействия белков в акцепторной части фотосистемы 1? рук. Ризниченко Г.Ю.
- Патрин Максим Михайлович, аспирант 2 год (2009?2010 учебный год). ?Сравнительный анализ кинетических параметров фотосистемы 2 у зеленых водорослей и циановых бактерий по данным экспериментов по флуоресценции и замедленной люминесценции и результатам математического моделирования? рук. Ризниченко Г.Ю.
- Маслаков Алексей, аспирант 1 год (2009?2010 учебный год). ?Алгоритмические модели переноса электрона в фотосинтетическом реакционном центре? рук. Ризниченко Г.Ю.
- Николаев Олег, аспирант 1 год (2009?2010 учебный год). ?Изучение условий потери устойчивости в двухвидовых сообществах водорослей с использованием систем уравнений с запаздыванием? рук. Ризниченко Г.Ю.
- Бабакова Татьяна, студентка 5-го курса (2009?2010 учебный год). ?Распределения потоков электронов в дыхательной и фотосинтетической цепи в клетке Synecchocystis sp.? рук. Плюснина Т.Ю.
- Коваленко Илья Борисович, докторант 3 год (2009?2010 учебный год). ?Диффузия и взаимодействие белков в биологических мембранах? консультанты Ризниченко Г.Ю., Рубин А.Б.
Семинары и конференции
Рабочие семинары сектора информатики и биофизики сложных систем проходят по четвергам в 11:00 в аудитории 124 (компьютерный класс). Более подробную информацию можно найти на web-странице семинара.
Сектор организует ежегодные научно-образовательные конференции ?Математика. Компьютер. Образование?, публикует тезисы и труды этих конференций.Информационные системы
Справочник "Биофизики России"
Динамические модели в биологии
Фотоcинтетическая мембрана
Избранные публикации
Князева О. С. ,Коваленко И. Б. ,Абатурова А. М. ,Ризниченко Г. Ю. ,Грачев Е. А. ,Рубин А. Б. Многочаcтичная модель диффузии и взаимодейcтвия плаcтоцианина c цитоxpомом f в электpоcтатичеcком поле фотоcинтетичеcкой мембpаны // Биофизика, 2010, том 55, вып.2, c.259?268Kovalenko I. B. ,Diakonova A. N. ,Abaturova A. M. ,Riznichenko G. Yu. ,Rubin A. B. Direct computer simulation of ferredoxin and FNR complex formation in solution // Phys. Biol. 7 (2010) 026001 (8pp)Riznichenko G. Yu. ,Kovalenko I. B. ,Abaturova A. M. ,Diakonova A. N. ,Ustinin D. M. ,Grachev E. A. ,Rubin A. B. New direct dynamic models of protein interactions coupled to photosynthetic electron transport reactions // Biophys. Rev. 2010Абатурова А. М. ,Коваленко И. Б. ,Ризниченко Г. Ю. ,Рубин А. Б. Исследование образования комплекса флаводоксина и фотосистемы 1 методами прямого многочастичного компьютерного моделирования // Компьютерные исследования и моделирование, 2009, т. 1, ?1, с. 85-91Коваленко И. Б. ,Абатурова А. М. ,Ризниченко Г. Ю. ,Рубин А. Б. Новый метод компьютерного моделирования образования белок-белковых комплексов // Доклады Академии Наук, 2009, 427 (5), с. 696-698Лаврова А. И. ,Плюснина Т. Ю. ,Украинец А. B. ,Ризниченко Г. Ю. ,Рубин А. Б. Нелинейная динамика трансмембранного потенциала и pH в примембранной области клетки харовых водорослей // Компьютерные исследования и моделирование, 2009, т. 1, ?2, с. 233-239Мятлев В. Д. ,Панченко Л. А. ,Ризниченко Г. Ю. ,Терехин А. Т. Теория вероятностей и математическая статистика. Математические модели М.: Академия, 2009- В учебном пособии изложены преимущественно вопросы анализа биологических данных и в качестве основы использованы методы теории вероятностей и математической статистики; представлено моделирование динамики биологических процессов, основанное на применении математического аппарата дифференциальных управлений. Для студентов учреждений высшего профессионального образования.
Ризниченко Г. Ю. ,Беляева Н. Е. ,Коваленко И. Б. ,Рубин А. Б. Математическое и компьютерное моделирование первичных процессов фотосинтеза // Биофизика, 2009, 54, (1) 16-33Kovalenko I. B. ,Abaturova A. M. ,Riznichenko G. Yu. ,Rubin A. B. A Novel Approach to Computer Simulation of Protein?Protein Complex Formation // Doklady Biochemistry and Biophysics, 2009, Vol. 427, pp. 215?217Rubin A. B. ,Riznichenko G. Yu. Models of primary processes in a photosynthetic membrane // Advances in Photosynthesis and respiration, 2009, 29, 151-176.Коваленко И. Б. ,Абатурова А. М. ,Громов П. А. ,Устинин Д. М. ,Грачев Н. Е. ,Ризниченко Г. Ю. ,Рубин А. Б. Компьютерное моделирование образования комплекса между пластоцианином и цитохромом f в люмене тилакоида Биофизика, 2008, 53 (2) 261-270Фурсова П. В. ,Терлова Л. Д. ,Ризниченко Г. Ю. Математические модели в биологии / Учебное пособие. М.-Ижевск: НИЦ: ?Регулярная и хаотическая динамика?, 2008. 108 с.- Учебное пособие по курсу ?Математические модели в биологии? написано на основании многолетнего опыта ведения семинаров и компьютерного практикума для студентов второго курса Биологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. Материал представлен в виде семинаров, в которых излагаются теоретические положения и методы решения задач с подробным разбором примеров. Предлагаются задачи, которые могут быть использованы как для домашних заданий, так и для контрольных работ. Среди основных тем семинаров можно выделить анализ базовых моделей роста популяций и взаимодействия видов, триггерных и колебательных биологических процессов. Большое внимание уделено построению фазовых и кинетических портретов систем.
Пособие предназначено для преподавателей курса математического моделирования в биологии, а также аспирантов и студентов биологических специальностей, изучающих курс математического моделирования. Оно также может быть использовано при преподавании курса математических моделей в экологии.
Belyaeva N. E. ,Schmitt F.-J. ,Steffen R. ,Paschenko V. Z. ,Riznichenko G. Yu. ,Chemeris Yu. K. ,Renger G. ,Rubin A. B. PS II model-based simulations of single turnover flash-induced transients of fluorescence yield monitored within the time domain of 100ns?10s on dark-adapted Chlorella pyrenoidosa cells // Photosynth. Res., 2008, 98 105?119.Plusnina T. Yu. ,Lavrova A. I. ,Price C. B. ,Riznichenko G. Yu. ,Rubin A. B. Nonlinear Dynamics near the cell membrane of Chara corallina // J. Biological Systems, 2008, 16 (2), 197-217.Коваленко И. Б. ,Абатурова А. М. ,Громов П. А. ,Устинин Д. М. ,Грачев Н. Е. ,Ризниченко Г. Ю. ,Рубин А. Б. Многочастичное компьютерное моделирование процессов электронного транспорта в мембране тилакоида // Биофизика, 2007, 52 (3) 492-502.Belyaeva N. E. ,Pashchenko V. Z. ,Renger G. ,Riznichenko G. Yu. ,Rubin A. B. Application of a Photosystem II Model for Analysis of Fluorescence Induction Curves in the 100 ns to 10 s. Time Domain after Excitation with a Saturating Light Pulse // Biophysics, 2006, Vol. 51, No. 6, pp. 860?872- A mathematical model of photosystem II (PSII) events was used to analyze chlorophyll fluorescence transients in the time domain from 100 ns to 10 s after excitation with a saturating 10-ns flash, applied as a part of specialized illumination protocol, using preparations of a thermophilic strain of the unicellular green alga, Chlorella pyrenoidosa Chick (using both intact and diuron-treated cells). Analysis of simulation results has proven that particular attention should be given to flash-induced recombination processes, including nonradiative recombination in PSII, while subsequent charge transfer along the electron transport chain of thylakoid membrane can be adequately described by a single reaction of quinone reoxidation. The PSII model was extended by taking inhibition by diuron of the electron transport in the acceptor side of PSII into account, which allowed simulation of fluorescence induction curves observed in the presence of this inhibitor. The model parameters were determined (stromal pH, rate constants of nonradiative recombination, and the initial reduction state of the quinone pool) which provided adequate simulation of experimentally observed ratios of the maximal and initial fluorescence levels (Fm/Fo).
Ризниченко Г. Ю. ,Рубин А. Б. Биофизическая динамика продукционных процессов Москва-Ижевск, Изд. ИКИ, 2004, 464 с.- Учебное пособие написано по материалам лекций, читаемых в последние годы на биологическом факультете Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова. В книге обсуждаются основные биофизические закономерности и математические модели биологических продукционных процессов. Модели представляют собой системы обыкновенных дифференциальных уравнений, уравнения с запаздыванием, уравнения в частных производных, а также матричные и стохастические модели. Рассмотрены продукционные процессы в одно-, двух- и многовидовых биологических сообществах, процессы роста и развития микробных популяций, факторы, определяющие продуктивность водных экосистем. Особое внимание уделено изучению закономерностей пространственно-временной самоорганизации продукционных систем. Для студентов и аспирантов биологических специальностей, а также для специалистов, использующих кинетические модели продукционного процесса в научной и практической работе.
Ризниченко Г. Ю. Лекции по математическим моделям в биологии М-Ижевск, Изд. РХД, 2002, 236 с.- Книга представляет собой первую часть лекций по математическому моделированию биологических процессов и посвящена описанию поведения биологических систем во времени. В двенадцати лекциях изложены классификация и особенности моделирования живых систем, основы математического аппарата, применяемого для построения динамических моделей в биологии, базовые модели роста популяций и взаимодействия видов, модели мультистационарных, колебательных и квазистохастических процессов биологических процессов разного уровня. Особое внимание уделено важному для моделирования в биологии понятию иерархии времен, современным представлениям о фракталах и динамическом хаосе. Лекции предназначены для студентов, аспирантов и специалистов, желающих ознакомиться с современными основами математического моделирования в биологии.
Лебедева Г. В. ,Беляева Н. Е. ,Ризниченко Г. Ю. ,Рубин А. Б. ,Демин О. В. Кинетическая модель фотосистемы II высших растений // Журнал физической химии, 2000, том 74, No. 10, с. 1874-1883- На основе новейших физико-химических данных построена детальная кинетическая модель каталитического цикла фотосистемы II (ФС II) высших растений. В соответствии с иерархией времен отдельных фотосинтетических стадий проведсна редукция модели с целью описания процессов миллисекундного диапазона. В рамках полученной системы осуществлен теоретический расчет кривых индукции флуоресценции хлорофилла при разных значениях параметров модели. Для расчета интенсивности флуоресценции предложено соотношение, включающее концентрации флуоресцирующих состояний ФС II и их зависимость от компонентов электрохимического потенциала на мембране тилакоидов. Показано, что в рамках модели, ограничивающейся рассмотрением процессов в пределах ФС II, не могут быть описаны некоторые экспериментально наблюдаемые паттерны нарастающей части кривой индукции флуоресценции хлорофилла. Найдено, что стационарное эначение интенсивности флуоресценции может зависеть от трансмембранного электрического потенциала немонотонным образом.
Lebedeva G. V. ,Belyaeva N. E. ,Riznichenko G. Yu. ,Rubin A. B. ,Demin O. V. Kinetic Model of Photosystem II of Higher Green Plants // Russian Journal of Physical Chemistry, Vol. 74, No. 10.2000, pp. 1702-1710. Translated from Zhurnal Fizicheskoi Khimii. Vol. 74, No. 10, 2000. pp. 18741883.Based on up-to-date physicochemical data, a complete kinetic model of the catalytic cycle of photosystemљII (PS II) for higher green plants was constructed. In compliance with the time hierarchy of photosynthetic stages, the model was reduced in order to describe only processes occurring on the millisecond time scale. In terms of the model, chlorophyll fluorescence induction curves at different values of model parameters were calculated. The fluorescence intensity was determined from an equation for calculating the concentrations of PSљII fluorescence states and their dependence on the components of the electrochemical potential across the tylacoid membrane. The proposed model, which considers only processes occurring within PS II, cannot describe some features of the ascending branch of the chlorophyll fluorescence induction curve. It was found that the steady-state level of the fluorescence intensity may nonmonotonically depend on the transmembrane electric potential.
- Условные обозначения:
- работа представлена в открытый доступ через Internet
- научный журнал