ИНСТИТУТ БИОФИЗИКИ КЛЕТКИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (ИБК РАН)

В нашей лаборатории было положено начало освоению и применению метода лазерной сканирующей (конфокальной) микроскопии для исследований по различным биологическим направлениям в масштабе всего Пущинского научного центра. До сих пор лаборатория обеспечивает консультативное и техническое сопровождение многих работ с применением этого метода.

В нашей лаборатории были разработаны новые подходы на базе метода терагерцовой спектроскопии временного разрешения, позволяющие анализировать структуру и динамику водных растворов на межмолекулярном уровне.

Получены новые данные о динамических гидратных оболочках биомолекул всех типов: белки, фосфолипиды, полисахариды, нуклеиновые кислоты. Показано, что влияние биомолекул на воду распространяется на единицы нанометров (иногда более 5 нм) от поверхности.

Разработаны новые подходы на основе методов динамического светорассеяния и лазерной дифракции, которые успешно применяются для изучения слабоконтрастных субмикронных образований, присутствующих в водных средах с биомолекулами.

Разработан новый метод измерения спектров собственного излучения (без источника возбуждения) в ИК диапазоне.

Впервые показаны акустические спектры действия для ряда ферментов крови пари воздействии модулированных ультразвуковых волн. Спектр действия – зависимость величины и знака биологического эффекта от частоты модуляции при равноэнергетическом воздействии на исследуемую систему. Впервые показаны акустические спектры действия для различных нейронных структур мозга рыб и лабораторных животных.   

Показан механизм генерации фоно ЭДС на бислойных липидных мембранах. 

С использованием клеток различного вида показаны принципы разделения и концентрирования клеток в суспензиях, возможность теоретического расчета параметров разделения и концентрирования клеток в суспензиях.

Впервые показана возможность контрастирования границ неоднородностей в биологических тканях без применения контрастирующих препаратов с использованием ультразвука в ультразвуковой диагностике. 

Разработан самый простой метод визуализации ультразвуковых полей излучателей различного типа. Разработана программа трехмерного представления локальных распределений интенсивностей ультразвука в пучках, генерируемых излучателями различного типа.

В экспериментах на цельной крови млекопитающих и отдельных клеточных субпопуляциях (нейтрофилах) методами активированной хемилюминесценции и флуоресцентной спектроскопии показано усиление генерации свободных радикалов и других активных форм кислорода (АФК) и хлора в результате действия комбинированных постоянных и переменных магнитных полей (КМП) с очень слабой переменной низкочастотной составляющей (менее 1 мкТл). Зарегистрирован праймирующий эффект слабых КМП, который проявляется как более выраженное усиление хемилюминесценции суспензии нейтрофилов, после их предварительной обработки КМП, в ответ на введение бактериального пептида N-формил-Met-Leu-Phe или форболового эфира форбол-12-меристат-13-ацетата в присутствии люминола (усиление респираторного взрыва в нейтрофилах). Показано, что низкие концентрации хелатора внутриклеточного кальция BAPTA AM блокируют этот эффект слабых КМП. При этом уровень внеклеточного кальция практически не влияет на степень выраженности праймирования респираторного взрыва. Из этого следует, что как ключевой момент механизма действия слабых КМП вероятен усиленный выход ионов кальция в цитозоль из внутриклеточных депо.

Напротив, при использовании других параметров  КМП (на частоте переменной составляющей 49,5 Гц) нами была получена деактивация респираторного взрыва нейтрофилов. В целом опыты в КМП свидетельствуют о возможности регуляции интенсивности  ответа нейтрофилов на активаторы.

Показано высокая чувствительность процессов продукции АФК в нейтрофилах к вариациям слабого постоянного магнитного поля, проявляющаяся в широком диапазоне величин (0,01 – 19,5 мкТл) ослабленного геомагнитного поля (ГМП) с нарушением при значении 2,5 мкТл. Инкубация суспензии нейтрофилов в «нулевом» магнитном поле приводит к снижению (приблизительно на 30%) интенсивности их люцигенин-зависимой хемилюминесценции, что свидетельствует о снижении интенсивности продукции супероксидного анион-радикала. Отсутствие влияния дифенилйодония на проявление эффекта «нулевого» поля и устранение этого эффекта разобщителем окислительного фосфорилирования динитрофенолом показывают, что основной мишенью действия этого физического фактора является не НАДФН-оксидазный комплекс, а митохондрии и их ЭТЦ, что подтверждается отсутствием влияния на продукцию  внеклеточных АФК в активированных нейтрофилах.

Доказано, что цвиттерионная структура аминокислот в присутствии воды очень чувствительна к водородо — связыванию и электростатическим взаимодействиям, что дает понимание почему световые или электрические импульсы могут управлять функциональностью белков даже в отсутствии традиционных хромофоров.

В нашей лаборатории установлено, что частично-  и когерентное электромагнитное излучение оптического диапазона (400 – 600 нм) приводит к протонированию СОО- групп биполярных ионов при нейтральном рН, способствует образованию димеров и образованию устойчивых комплексов (зародышей кристаллов). Также показано, что видимый свет влияет на локальную молекулярную геометрию и движение групп с водородными связями в молекулярных комплексах. Это дает определенное понимание относительно роли внешнего или локального электрического поля в управлении колебательной и структурной динамикой водородных связей и образовании нековалентных взаимодействий между мономерами в биологических (водных) растворах аминокислот.

• Исследование структуры и динамики водных растворов на межмолекулярном, нанометровом и субмикронном уровне. Развитие метода терагерцовой спектроскопии временного разрешения для применения к исследованию структуры водных растворов, в том числе изучение динамических гидратных оболочек биологических макромолекул. Изучение физико-химических основ образования нанопузырьков в водных растворах и закономерностей расслоения бинарных растворов с образованием капель субмикронного масштаба, обогащённых одним из компонентов раствора. 
  В лаборатории занимаются адаптацией и внедрением различных современных физико-химических методов для биологических исследований.
• Выяснение молекулярных механизмов биологического действия слабых магнитных полей и гипомагнитных условий.
  Изучение механизмов магниторецепции.
  Разработка научных основ для лечебного и профилактического применения нового класса магнитотерапевтической аппаратуры.
• Биологические эффекты непрерывных и модулированных ультразвуковых волн.
  Исследование акусто-механических свойств биологических объектов (клетки, ткани).
  Исследование процессов тепловыделения в биологических тканях, вызванных ультразвуковым воздействием, в том числе, связанных с трансформацией продольных волн в сдвиговые на границах неоднородностей в тканях и их поглощения на границах неоднородностей.  Исследование процессов разделения и концентрирования клеток и частиц в полях стоячих ультразвуковых волн. Дезинтеграция клеток с использованием ультразвука. Метрологическое обеспечение ультразвуковых исследований.
• Изучение биофизических механизмов взаимодействия электромагнитного излучения с биосистемами.
  Изучение молекулярного механизма трансформации энергии света в бактериородопсине и модельных соединениях/Спектральные исследования поведения аминокислот в воде и пленках.
  Изучение феномена стимулированного видимым светом ИК-излучения и его применения для изучения свойств биомолекул.

• Терагерцовая спектроскопия временного разрешения (THz time-domain spectroscopy)
• Инфракрасная спектроскопия с фурье-преобазованием (FTIR), включая эмиссионную спектроскопию (измерение собственного излучения)
• Вискозиметрия
• Динамическое светорассеяние (DLS)
• Метод лазерной дифракции
• Методы собственной и активированной хемилюминесценции, методы флуоресцентной спектроскопии, методы конфокальной микроскопии, ингибиторный анализ.
• Спектрофотометрия в ближней УФ/видимой области;
• Определение акустических спектров действия для исследуемых биологических систем с использованием модулированных волн.
• Резонаторный акустический метод определения акустических параметров биологических объектов. Метод определения механических свойств  биологических тканей и создание физических моделей биологических тканей с параметрами, соответствующими параметрам тканей. Термовизионный метод определения тепловых эффектов ультразвука на модельных системах.  Методы ультразвуковой диагностики для определения зон и границ нагрева неоднородностей в биологических тканях. Метод ультразвукового контрастирования без применения контрастирующих веществ. Метод выделения и очистки от загрязнений клеток, разделения и концентрирования клеток различного происхождения в поле стоячей ультразвуковой волны. Ультразвуковые методы дезинтеграции клеток в суспензиях. Световая микроскопия.  Методы, включая разработанные автором, визуализации ультразвуковых полей и определения пространственных распределений локальных интенсивностей ультразвука, в полях, генерируемых различного типа ультразвуковых излучателей (терапевтических, фокусирующих и других).

2024

Penkov N.V. Peculiarities of the dynamical hydration shell of native conformation protein using a bovine serum albumin example. Applied Spectroscopy. 78 (10), 1051-1061 (2024). doi:10.1177/00037028241261097

Penkov N.V. Water determines the intramolecular dynamics of proteins. En example of bovine serum albumin. Front. Chem. 12, 1444448 (2024). https://doi.org/10.3389/fchem.2024.1444448

Penkov N.V., Zhmurin V.A., Kobelev A.V., Fesenko E.E. (Jr.), Penkova N.A. Dispersed, optical and concentration characteristics of submicron heterogeneities in aqueous solutions of sugars. J. Mol. Liq. 398, 124281 (2024). https://doi.org/10.1016/j.molliq.2024.124281

Penkov N.V., Zhmurin V.A., Manokhin A.A., Kobelev A.V., Penkova N.A. Capillary effects of submicron heterogeneities in aqueous solutions of sugars. The additional mechanism of microfluidics. J. Mol. Liq. 410, 125638 (2024). https://doi.org/10.1016/j.molliq.2024.125638.

Penkov N.V., Penkova N.A., Zhmurin V.A., Pogorelov A.G. Natural submicron heterogeneities in aqueous solutions of ATP. Phys. Wave Phen. 32, 178–186 (2024). https://doi.org/10.3103/S1541308X24700134

Uteshev V.K., Gakhova E.N., Kramarova L.I., Shishova N.V., Kaurova S.A., Penkov N.V. Refrigerated storage of oviductal oocytes into live females common frog Rana temporaria from 1 to 70 days. Russian Journal of Herpetology. 31 (4), 239 – 245 (2024). doi:10.30906/1026-2296-2024-31-4-239-245

Т. П. Кулагина, И. М. Вихлянцев, А. В. Ариповский, С. С. Попова, А. Б. Гапеев. Сезонные изменения содержания жирных кислот в скелетных мышцах длиннохвостого суслика Urocitellus undulatus. Биологические мембраны. Т. 41, вып. 4. С. 322-332. (2024). https://doi.org/10.31857/S0233475524040041

Fesenko E.E., Yablokova E.V., Novikov V.V. Weak Magnetic Fields Regulate the Ability of High Dilutions of Water to Enhance ROS Production by Neutrophils. Applied Sciences (Switzerland). 14, 3290. (2024). https://doi.org/10.3390/app14083290

Пашовкин Т.Н.  Частотно-зависимые изменения активности ферментов крови под действием модулированного ультразвука.  Физика биологии и медицины, №1, С. 41-54 (2024).    doi:10.7256/2730-0560.2024.1.44003.

Пашовкин Т.Н., Садикова Д.Г.  Действие непрерывного и модулированного ультразвука на нейроны рыб. Физика биологии и медицины. № 1, С. 1-23 (2024). doi:10.7256/2730-0560.2024.1.71004.

Терпугов Е.Л., Дегтярева О.В., Фесенко Е.Е. Исследование методом разностной ИК-Фурье-спектроскопии вторичной структуры мембранного белка бактериородопсина при облучении микроволнами 8-18 ГГц.  БИОФИЗИКА . (2024) том 69, № 5, с. 959-967. DOI: 10.31857/S0006302924050048 (K2 )

2023

Penkov N.V. Influence of the combined magnetic field and high dilution technology on the intrinsic emission of aqueous solutions. Water. 15 (3), 599 (2023). doi: 10.3390/w15030599

Penkov N.V., Penkova N.A. Determination of the number of free water molecules in aqueous solutions on the basis of interrelated consideration of the polarization processes in water in the THz frequency range. Physics of Wave Phenomena. 31 (3), 171 (2023). doi: 10.3103/S1541308X2303007X

Penkov N.V. Application of terahertz time-domain spectroscopy to study the microheterogeneities of solutions: A case study of aqueous sugar solutions. Photonics. 10, 887 (2023). doi: 10.3390/photonics10080887

Penkov N.V. Terahertz spectroscopy as a method for investigation of hydration shells of biomolecules. Biophysical Reviews.  15 (5), 833-849 (2023). doi: 10.1007/s12551-023-01131-z.

Новиков В.В., Яблокова Е.В., Шаев И.А., Новикова Н.И., Фесенко Е.Е. Снижение фоновой продукции активных форм кислорода нейтрофилами после действия гипомагнитного поля не сопровождается нарушением их хемилюминесцентного ответа на активаторы респираторного взрыва. Биофизика. Т. 68, № 6. С. 1180-1187. (2023). https://doi.org/10.31857/S0006302923060091.

Шаев И. А., Новиков В. В. Влияние слабых переменных магнитных полей на нейтрофильные гранулоциты. Аналитический обзор.  Физика биологии и медицины. Т. 1, вып. 1. С. 26-43. (2023). https://doi.org/10.7256/2730-0560.2023.1.40410.

2022

Penkov N.V. Relationships between molecular structure of carbohydrates and their dynamic hydration shells revealed by terahertz time-domain spectroscopy. In: Prime Archives in Molecular Sciences: 4th Edition. Hyderabad, India: Vide Leaf. 2022. ISBN: 978-93-92117-00-8

Литвин Ф.Ф., Микулинская Г.В., Неверов К.В., Пеньков Н.В., Сатина Л.Я., Хатыпов Р.А. Молекулярная спектроскопия. Основы теории и практика. НИЦ ИНФРА-М. 2022. стр. 123-160. ISBN 978-5-16-110382-1

Патент на изобретение №2786047 «Устройство и способ для измерения спектров собственного излучения жидких образцов в инфракрасном диапазоне» Пеньков Н.В., Швирст Н.Э., Яшин В.А.

Патент на изобретение №2786048 «Устройство и способ для измерения спектров собственного излучения жидких образцов в инфракрасном диапазоне при высоком давлении» Пеньков Н.В., Швирст Н.Э., Яшин В.А.

Penkov N.V. Calculation of the proportion of free water molecules in aqueous solutions using the parameters of their dielectric permittivity in the terahertz range, based on the onsager theory. Photonics. 10 (1), 44 (2022). doi:10.3390/photonics10010044

Penkov N.V., Penkova N.A., Lobyshev V.I. Special role of Mg2+ in the formation of the hydration shell of adenosine triphosphate. Physics of Wave Phenomena. 30 (5), 344–350 (2022). doi:10.3103/S1541308X22050090

Bunkin N.F., Bolotskova P.N., Kozlov V.A., Okuneva M.A., Penkov N.V. Dynamics of polymer membrane swelling in an aqueous suspension of amino acids. the role of isotopic composition. Physics of Wave Phenomena. 30 (3), 196–208 (2022). doi: 10.3103/S1541308X22030025.

М.В. Аверин, М.Б. Бородулин, А.Б. Гапеев, Г.И. Грива, Н.С. Захарченко и др. Протекторное действие супернатантов лизатов реликтовых бактерий Bacillus sp. из вечной мерзлоты на ДНК лейкоцитов крови лабораторных мышей (Памяти Потапова В.Д. посвящается). Бактериология. (2022). Т. 7, вып. 4. С. 24-33. https://doi.org/10.20953/2500-1027-2022-4-24-33

А.Б. Гапеев, В.Л. Вакс, Е.Г. Домрачева, М.Б. Черняева, В.А. Анфертьев и др. Применение метода терагерцовой газовой спектроскопии высокого разрешения для исследования состава продуктов термического разложения биологической жидкости (урины) крыс с дисбактериозом.  Журнал радиоэлектроники. (2022). вып. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.12.2

Шаев И.А., Новиков В.В., Яблокова Е.В., Фесенко Е.Е. Краткий обзор современного состояния исследований биологического действия слабых магнитных полей. Биофизика. Т. 67. № 2. С. 319-326 (2022). doi: 10.31857/S0006302922020144.

Novikov V.V., Yablokova E.V. Interaction between Highly Diluted Samples, Protein Solutions and Water in a Controlled Magnetic Field. Applied Sciences (Switzerland). 12, 5185. (2022). https://doi.org/10.3390/app12105185.

Romodin L.A., Lysenko N.P., Pashovkin T.N.  The Use of Quinolizidine Derivatives of Coumarin in the Studies of the Mechanisms of Action of the Cytochrome c – Cardiolipin Complex. Biochem. (Moscow), Supplements Series A:  Membranes and Cell Biology, Vol.16, No 2, pp. 158-166 (2022).  https://doi.org/10.1134/S1990747822020064.

Pashovkin T.N., Sadikova D.G. Control Parameters for Separation and Concentration of Rat Erythrocytes and Limphocytes and Human Erythrocytes In the Field of a Standing Ultrasonic Wave. Biophysics, Vol.67, N 3, pp.445-450 (2022).   doi:10.31857/S0006302922030152.

Кондратьев М.С., Щербаков К.А., Самченко А.А., Дегтярева О.В., Терпугов Е.Л., Хечинашвили Н.Н., Комаров В.М., Кремниевые аналоги L-аминокислот: Свойства «Кирпичиков» чужой биосферы.  Биофизика. (2022) Т. 67. № 2. С. 213-221. DOI: 10.31857/S0006302922020016

Terpugov E.L.,  Degtyareva O.V., Savranskii V.V., Spectroscopic observation of the forward and backward IR emission of bacteriorhodopsin under broadband optical pumping, Laser Physics Letters. (2022). V.19, N. 10/ DOI 10.1088/1612-202X/ac89f2

2021

Penkov N.V. Relationships between molecular structure of carbohydrates and their dynamic hydration shells revealed by terahertz time-domain spectroscopy. Int. J. Mol. Sci. 22 (21), 11969-11988 (2021). doi: 10.3390/ijms222111969.

Penkova N.A., Sharapov M.G., Penkov N.V. Hydration shells of DNA from the point of view of terahertz time-domain spectroscopy. Int. J. Mol. Sci. 22 (20), 11089-11104 (2021). doi:10.3390/ijms222011089.

Penkov N.V., Penkova N.A. Infrared emission spectroscopy for investigation of biological molecules in aqueous solutions. Physics of Wave Phenomena. 29 (2), 164-168 (2021). doi:10.3103/S1541308X21020102.

Penkov N.V., Goltyaev M.V., Astashev M.E., Serov D.A., Moskovskiy M.N., Khort D.O., Gudkov S.V. The application of terahertz time-domain spectroscopy to identification of potato late blight and fusariosis. Pathogens. 10 (10), 1336-1350 (2021). doi:10.3390/pathogens10101336.

Penkov N.V. Antibodies processed using high dilution technology distantly change structural properties of IFNγ aqueous solution. Pharmaceutics. 13 (11), 1864-1877 (2021). doi:10.3390/pharmaceutics13111864.

Penkov N.V., Penkova N. Key differences of the hydrate shell structures of ATP and Mg·ATP revealed by terahertz time-domain spectroscopy and dynamic light scattering. Journal of Physical Chemistry B. 125, 4375-4382 (2021). doi: 10.1021/acs.jpcb.1c02276.

Penkov N.V., Penkova N.A. Effective medium model applied to biopolymer solutions. Applied Spectroscopy. 75 (12), 1510-1515 (2021). doi: 10.1177/00037028211042027.

Slatinskaya O.V., Pyrkov Yu.N., Filatova S.A., Guryev D.A., Penkov N.V. Study of the effect of europium acetate on the intermolecular properties of water. Front. Physics. 9, 641110 (2021). doi:10.3389/fphy.2021.641110.

Penkov N.V., Yashin V.A., Belosludtsev K.N. Hydration shells of DPPC liposomes from the point of view of terahertz time-domain spectroscopy. Applied Spectroscopy. 75 (2), 189-198 (2021). doi:10.1177/0003702820949285.

Новиков В.В., Яблокова Е.В., Шаев И.А., Фесенко Е.Е. Кинетика продукции активных форм кислорода нейтрофилами после инкубации в гипомагнитном поле. Биофизика. Т. 66. № 3. С. 511-515. (2021). doi: 10.31857/S0006302921030121.

Новиков В.В., Яблокова Е.В., Кадырков А.П., Фесенко Е.Е. Влияние импульсных магнитных полей на продукцию активных форм кислорода нейтрофилами. Биофизика. Т. 66. № 4. С. 724-733. (2021).  doi: 10.31857/S0006302921040128.

Novikov V.V., Yablokova E.V., Shaev I.A. Decrease of reactive oxygen species (ROS) production by neutrophils after incubation in hypomagnetic conditions. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. Vol. 853, pp. 012008. (2021). DOI:10.1088/1755-1315/853/1/012008.

Терпугов Е.Л., Удальцов С.Н., Дегтярева О.В. Исследование спектральных характеристик L-лизина и L-аргинина с помощью адсорбционной, стационарной и синхронной флуоресцентной спектросокпии // Биофизика. – Т. 66. — №5. – С. 856–864. doi: 10.31857/S0006302921050033./Terpugov E.L.,  Udaltsov S.N., Degtyareva O.V.  Study of the Spectral Characteristics of L-Lysive and L-Arginine using UV-VIS Spectroscopy and Steady-state and Synchronous Fluorescence Spectroscopy // Biophysics, 2021; 66(5) pp.726-732. doi: 10.1134/S0006350921050250

2020

Penkov N., Fesenko E. Development of terahertz time-domain spectroscopy for properties analysis of highly diluted antibodies. Applied Sciences. 10 (21), 7736 (2020). doi:10.3390/app10217736.

Gudkov S.V., Penkov N.V., Baimler I.V., Lyakhov G.A., Pustovoy V.I., Simakin A.V., Sarimov R.M., Scherbakov I.A. Effect of mechanical shaking on the physicochemical properties of aqueous solutions. Int. J. Mol. Sci. 21 (21), 8033 (2020). doi:10.3390/ijms21218033.

Penkov N., Penkova N. Measurement of the emission spectra of protein solutions in the infrared range. Description of the method and testing using solution of human interferon gamma as an example. Frontiers in Physics. 8, 615917 (2020). doi:10.3389/fphy.2020.615917.

Penkov N., Penkova N. Analysis of emission infrared spectra of protein solutions in low concentrations. Frontiers in Physics. 8, 624779 (2020). doi:10.3389/fphy.2020.624779.

Penkov N.V. Temporal dynamics of the scattering properties of deionized water. Physics of Wave Phenomena. 28 (2), 135–139 (2020). doi:10.3103/S1541308X20020132.

А.Б. Гапеев, Е.С. Жукова, Т.Г. Щербатюк. Оценка уровня повреждений ДНК и эффективности систем репарации ДНК при воздействии различных доз озона in vitro. Биорадикалы и антиоксиданты. (2020). Т. 7, вып. 3. С. 110-117.

Novikov V.V., Yablokova E.V., Fesenko E.E. Stimulation and inhibition of respiratory burst in neutrophils as a result of action of  weak combined magnetic fields adjusted to ICR of protonated water forms. Electromagnetic Biology and Medicine. 39:4, 364-373 (2020). doi:10.1080/15368378.2020.1813158.

Novikov V.V., Yablokova E.V., Fesenko E.E. The role of water in the effect of weak combined magnetic fields on production of reactive oxygen species (ROS) by neutrophils. Applied Sciences (Switzerland). 10, 3326 (2020). doi:10.3390/app10093326.

Terpugov E.L., Kondratyev M.S., Degtyareva O.V.  Light-induced effects in glycine aqueous solution studied by Fourier transform infrared-emission spectroscopy and ultraviolet-visible spectroscopy// Journal of Biomolecular Structure and Dynamics. (2020) doi:10.1080/07391102.2020.1717628 (Q2)

Терпугов Е.Л. Эмиссионная ИК-Фурье спектроскопия в исследовании биологических молекул БИОФИЗИКА. (2020). том 65, № 1, с. 5–16. DOI: 10.31857/S0006302920010019 (E. L. Terpugov. Fourier Transform Infrared Emission Spectroscopy in the Study of Biological Molecules, Biophysics, 2020, 65(1), pp. 1-11.)