Руководитель: Семенов Алексей Юрьевич
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 Lett. 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].
Проекты:
Гранты:
Ряд грантов РФФИ, Международного научного фонда Сороса, программы "Университеты России", NWO (Нидерланды), INTAS.
Научные достижения отдела отмечены Государственной премией РФ (В.А. Шувалов).