Сайт в стадии разработки [Старая версия сайта]
Самый цитируемый биологический институт РФ *

Отдел математических методов в биологии

В 1965 году  И.М. Гельфандом (http://www.israelmgelfand.com/) при поддержке ректора МГУ  И.Г. Петровского в лабораторном корпусе А была создана Межфакультетская лаборатория математических методов в биологии.  Идея создания лаборатории состояла в том, чтобы свести под одной крышей сильных математиков и сильных биологов для плодотворного научного общения и совместной работы. 

 В 1976 г. лаборатория вошла в состав НИИ физико-химической биологии имени А.Н.Белозерского МГУ в качестве отдела математических методов в биологии. Руководил отделом (ранее межфакультетской лабораторией)  ее организатор, академик И.М.Гельфанд, вплоть до своей кончины в 2009 году.  В настоящее время обязанности заведующего исполняет к.ф.-м.н. А.В. Алексеевский.

Основные направления исследований

(1) Клеточная биология. Окислительный стресс регулирует многие функции клетки, включая клеточную пролиферацию и дифференцировку. Повышенная продукция свободных радикалов кислорода в митохондриях, по-видимому, играет важную роль в патологических процессах, в том числе в процессе неопластической трансформации. Мы исследуем механизмы морфологической дифференцировки нормальных клеток в культуре и фенотипической реверсии трансформированных клеток при действии митохондриально-направленных антиоксидантов. Изучаются морфо-функциональные и молекулярные механизмы этих важных клеточных процессов.

Исследование роли межклеточных коммуникаций через щелевые контакты в процессах неопластической трансформации и в эмбриональных и индуцированных плюрипотентных стволовых клетках. Исследование межклеточных и внутриклеточных взаимодействий в растущих вегетативных гифах дикого штамма и мутантных линий плесневого гриба Neurospora crassa в зависимости от условий среды. Исследование роли локальных изменений проницаемости мембраны и участия коннексиновых каналов в молекулярном механизме фагоцитоза. Исследование нового класса генов щелевых контактов, паннексинов, у позвоночных и человека

Роль биологически активных молекул в функционировании клеток и тканей животных и человека. Исследование свойств биологически активных молекул методом гетерологической экспрессии в ооцитах лягушки.

(2) Теоретическая математика. Наши интересы связаны с теоретическими проблемами томографии, функциональным анализом (Д.А.Попов), ведутся исследования римановых поверхностей и связанных с ними вопросов (С.М.Натанзон, А.В. Алексеевский).

(3) Биоинформатика. Наши интересы связаны с анализом пространственных структур белков; разработкой новых алгоритмов сравнительного анализа пространственных структур белков и последовательностей белков, ДНК и РНК; изучением ряда систем, например, прокариотических систем рестрикции-модификации, третьей транспортной системы бактерий; изучением полных геномов и семейств белков.

(4) Геномика. Изучение базовых особенностей полных геномов, таких как частоты слов, частоты и характер мутаций в геномах, сравнение родственных полных геномов прокариот. Сборка геномов.

(5) Медицинская информатика. Совместно с врачами ведутся исследования в акушерстве-гинекологии и кардиологии.

(6) Принципы управления ритмическими движениями. Исследование локомоции виноградной улитки.

Основные научные достижения отдела

(i) Нейрофизиология

На примере локомоции виноградной улитки впервые исследованы и описаны базовые механизмы прямого управления эффективностью работы гладкой мускулатуры четырьмя нейротрансмиттерами. [Pavlova 2001]. На примере беспозвоночных (моллюск), низших позвоночных (минога) и высших позвоночных (кролик) описаны и изучены базовые принципы организации и работы нейронных сетей, ответственных за стабилизацию позы в пространстве [Deliagina, Orlovsky 2002; Deliagina et al. 1998]. Открыто новое семейство генов щелевых контактов у позвоночных животных и человека (паннексины); разработана модельная система для изучения избирательного формирования ЭС между идентифицированными нейронами in vitro. Открыт новый ген, блокирующий работу калиевых каналов, и который, по-видимому, является также раковым супрессором.

(ii) Клеточная биология

Впервые показано приобретение фибробластами под действием таксола эпителиоидной формы при наличии циркулярного варианта пучков актиновых филаментов [Pletjushkina et al. 1994]. Исследовано Rho-зависимое образование эпителиоцитов-“лидеров” при заживлении раны [Omelchenko et al. 2003]. Открыта фрагментация митохондриального ретикулума как стадия митоптоза и апоптоза [Skulachev et al. 2004].

Разработаны теоретические представления и получены экспериментальные доказательства энергетической кооперации между клетками в трихомах сине-зеленых водорослей [Потапова и др. 1986], гифах грибов [Potapova et al. 1988; Потапова и Бойцова 1997] и монослойных культурах клеток млекопитающих [Асланиди и др. 1991]. Проведен математический анализ процессов в эквивалентном электрическом кабеле с пространственно разделенными генераторами и потребителями мембранного потенциала [Смолянинов и Потапова 2003]. Разработана экспериментальная модель гифального мини-дерева для исследования роли энергетической кооперации в поляризованном верхушечном росте Neurospora crassa [Потапова 2004]. Получены принципиально новые данные о роли локальных межклеточных взаимодействий в механизме регуляции синтеза раково-эмбрионального белка альфа-фетопротеина [Gleiberman et al. 1989] и механизме промоторного действия канцерогенных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) [Шаровская и др. 2004]. Выявлены различия в проявлении контактного торможения движения и диффузионной межклеточной связи у нормальных и опухолевых клеток аденокарциномы толстого кишечника человека [Шаровская и др. 2001]. На основе исследования механизмов метаболической регуляции проводимости межклеточных контактов выдвинуто предположение о “липофильном” компоненте разобщающего действия слабых кислот [Dunina-Barkovskaya 1998]. Получены важные данные о молекулярной структуре и регуляции плотных контактов [Turin et al. 1991], механизмах вирус-индуцированного слияния билогических мембран [Frolov et al. 2003] и молекулярных механизмах эндоцитоза и фагоцитоза [Дунина-Барковская 2004].

(iii) Теоретическая математика

Получены основополагающие результаты в теории бесконечномерных представлений групп, теории обобщенных гипергеометрических функций [Гельфанд и др. 1992], интегральной геометрии [Гельфанд и др. 2000], теории многомерных детерминантов [Gelfand et al. 1994] и других областях. Более подробную информацию о результатах И.М. Гельфанда с соавт. в математике см. на сайте http://www.israelmgelfand.com/.

Решена задача оценки неслучайности перекрывания плоских фигур; полученный результат использован для анализа склонности клеток к адгезии в культурах тканей [Васильев и др. 1987].

Описана топологическая структура пространств модулей римановых поверхностей и близких к ним пространств: вещественных алгебраических кривых, пространств отображений и соответствующих суперпространств [Натанзон 2003].

Решены задачи обращения двумерного обобщенного преобразования Радона и математическая задача оптоакустической томографии [Попов 1998; Попов 2001].

Выявлены связь некоммутативных двумерных топологических теорий поля с обобщенными числами Гурвица и структурными алгебрами [Алексеевский, Натанзон, 2006].

(iv) Медицинская информатика

На основе многочисленных работ с высококвалифицированными врачами ряда специальностей (нейрохирурги, кардиологи, инфекционисты, реаниматологи, нефрологи и др.), И.М.Гельфандом с сотрудниками нашего отдела и других научных организаций разработана методика проведения исследований в области клинической медицины [И.М.Гельфанд, Б.Розенфельд, М.А.Шифрин, “Очерки совместной работы математиков и врачей”, 2е изд.].

(v) Биоинформатика

Построена топологическая классификация структурных доменов архитектуры “β-сэндвич” [Chiang et al., 2007]. Создана база данных NPIDB структур комплексов белков с нуклеиновыми кислотами [Spirin et al., 2007]. Создан информационный портал “Sequences&Structures”, включающий, помимо NPIDB, такие оригинальные сервисы, как CluD – программа для определения гидрофобных ядер и других кластеров неполярных молекул в структурах белков и на интерфейсе белок-ДНК [Karyagina et al., 2005, Пеков с соавт., 2011]; Proton – программа для автоматического детектирования архитектур белков на основе целостного описания бета-листов в пространственных структурах белков [Aksianov, Alexeevski, 2012, in press]; SVETKA – программа для анализа филогенетических деревьев последовательностей белков и другие.

 

Участие в научно-исследовательских проектах и грантовая поддержка

Проекты “Молодежные исследовательские группы” Россия – Германия:

Федеральные целевые программы:

  • (2010-2011) "Разработка программного комплекса для выравнивания биологических символьных последовательностей, возникающих в теоретической и прикладной геномике, с оценкой значимости и адекватности", код 2011-1.4-514-008-004, головная организация - ИМБ РАН;
  • “Идентификация бактериальных макромолекул, ответственных за развитие хронической инфекции, для создания мишень-специфических антибактериальных лекарственных средств”, код 2007-2-1.2-05-02-071, головная организация - НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Н.Ф. Гамалеи;

Гранты РФФИ:

  • "Развитие биоинформатического портала НИИ ФХБ имени А.Н.Белозерского МГУ", 10-07-00685-а;
  • "Развитие биоинформационного портала для поддержки исследований в области молекулярной и системной биологии", 06-07-89143-а;
  • "Поиск и оптимизация мишень-специфических ингибиторов факторов вирулентности грамотрицательных патогенных бактерий с целью разработки лекарственных препаратов для лечения социально значимых хронических инфекций", 09-04-12107-офи_м, головная организация - НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Н.Ф. Гамалеи;
  • "Изучение механизмов межмолекулярных взаимодействий и образования сложных макромолекулярных комплексов методами структурной биологии и биоинформатики", 06-04-49558-а.

Другие международные гранты:

  • (2006-2008) INTAS 05-1000008-8028, “Comparative genomics of bacteria: functional annotation, metabolic reconstruction, evolution of metabolic pathways and regulatory systems”;
  • (2001-2006) Projects of Ludwig Institute for Cancer Research“: Developing bioinformatic methodologies and software and using them in gene and protein families description” , CRDF GAP RB0-1277.

Сотрудничество с российскими и зарубежными научными организациями

Отдел работает по научным проектам совместно с различными организациями:

  • НИИ канцерогенеза Онкологического научного центра РАМН (группа Васильева)
  • Институт проблем передачи информации им. А. А. Харкевича (группа Алексеевского)
  • НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Н.Ф. Гамалеи (группа Алексеевского)
  • Институт молекулярной биологии имени В. А. Энгельгардта РАН (группа Алексеевского)
  • Лейденским университетским медицинским центром (Голландия) (группа Алексеевского)
  • Институтом теоретической и экспериментальной биологии РАН
  • Институтом биохимии им. А.Н. Баха
  • Институтом машиноведения РАН
  • Штутгартским университетом (Германия)
  • Университетами Амстердама и Утрехта (Голландия)
  • Университетом Марселя (Франция)
  • Университетским Колледжем Лондона (Англия)
  • Йоркским университетом (Канада)

Научные премии

Научные достижения И.М.Гельфанда в области математики отмечены многочисленными премиями и наградами. Среди них премия Вольфа (Израиль), премия города Киото (Япония), премия МакАртура (США), премия Лероя Стила (США), две Государственные премии СССР, Ленинская премия, и Госудурственная премия России (совместно с С.Г.Гиндикиным и М.И. Граевым).

В.Б. Дугина – лауреат премии Европейской Академии для молодых ученых. М.Л. Извекова - лауреат премии мэрии Москвы.

Педагогическая деятельность

А.В.Алексеевским и С.А. Спириным совместно с М.С.Гельфандом и А.А.Мироновым разработана программа курса биоинформатики для факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ. По этой программе сотрудниками отдела и аспирантами читаются лекции и проводятся компьютерные практикумы в течении двух семестров на трех курсах.

Сотрудниками отдела и аспирантами ежегодно проводятся миникурсы по биоинформатике для студентов кафедры вирусологии биофака МГУ.

Т.В.Потапова разработала и ведет курс биоэтики на факультете биоинженерии и биоинформатики МГУ, кроме того она организует дошкольное экологическое образование на базе ряда детских садов Москвы.

Д.А.Попов разработал и читает семестровый курс “Математические методы обработки экспериментальных данных“ для студентов факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ.

Многие сотрудники отдела являются научными руководителями аспирантов и студентов факультета биоинженерии и биоинформатики и биофака МГУ.

Подразделения отдела

Все сотрудники отдела

Штатные сотрудники

Бывшие сотрудники

  • Gelfand, Izrael академик РАН, профессор, доктор физико-математических наук, профессор
Все статьи
  1. Rusinov I., Ershova A., Karyagina A., Spirin S., Alexeevski A. (2015) Lifespan of restriction-modification systems critically affects avoidance of their recognition sites in host genomes. BMC Genomics, 16: . >>

  2. Popov Y.V., Galitsyna A.A., Alexeevski A.V., Karyagina A.S., Spirin S.A. (2015) StructAlign, a program for alignment of structures of DNA-protein complexes. Biochem.-Moscow, 80 (11): 1465-1468. >>

  3. Goryunov D.V., Nagaev B.E., Nikolaev M.Y., Alexeevski A.V., Troitsky A.V. (2015) Moss phylogeny reconstruction using nucleotide pangenome of complete Mitogenome sequences. Biochem.-Moscow, 80 (11): 1522-1527. >>

  4. Ershova A.S., Rusinov I.S., Spirin S.A., Karyagina A.S., Alexeevski A.V. (2015) Role of restriction-modification systems in prokaryotic evolution and ecology. Biochem.-Moscow, 80 (10): 1373-1386. >>

  5. Prunotto M., Bruschi M., Gunning P., Gabbiani G., Weibel F., Ghiggeri G.M., Petretto A., Scaloni A., Bonello T., Schevzov G., Alieva I., Bochaton-Piallat M.L., Candiano G., Dugina V., Chaponnier C. (2015) Stable incorporation of -smooth muscle actin into stress fibers is dependent on specific tropomyosin isoforms. Cytoskeleton, 72 (6): 257-267. >>

  6. Romaschenko V.P., Zinovkin R.A., Galkin I.I., Zakharova V.V., Panteleeva A.A., Tokarchuk A.V., Lyamzaev K.G., Pletjushkina O.Y., Chernyak B.V., Popova E.N. (2015) Low concentrations of uncouplers of oxidative phosphorylation prevent inflammatory activation of endothelial cells by tumor necrosis factor. Biochem.-Moscow, 80 (5): 610-619. >>

  7. Prikhodko A.S., Shabanov A.K., Zinovkina L.A., Popova E.N., Aznauryan M.A., Lanina N.O., Vitushkina M.V., Zinovkin R.A. (2015) Pure mitochondrial DNA does not activate human neutrophils in vitro. Biochem.-Moscow, 80 (5): 629-635. >>

  8. Manskikh V.N., Gancharova S., Nikiforova I., Krasilshchikova S., Shabalina I.G., Egorov M.V., Karger E.M., Milanovsky G.E., Galkin I.I., Skulachev V.P., Zinovkin R.A. (2015) Age-associated murine cardiac lesions are attenuated by the mitochondria-targeted antioxidant SkQ1. Histol. Histopath., 30 (3): 353-360. >>

  9. Fetisova E.K., Antoschina M.M., Cherepanynets V.D., Izumov D.S., Kireev I.I., Kireev R.I., Lyamzaev K.G., Riabchenko N.I., Chernyak B.V., Skulachev V.P. (2015) Radioprotective Effects of Mitochondria-Targeted Antioxidant SkQR1. Radiat. Res., 183 (1): 64-71. >>

  10. Brett K., Kordyukova L.V., Serebryakova M.V., Mintaev R.R., Alexeevski A.V., Veit M. (2014) Site-specific S-Acylation of Influenza Virus Hemagglutinin THE LOCATION OF THE ACYLATION SITE RELATIVE TO THE MEMBRANE BORDER IS THE DECISIVE FACTOR FOR ATTACHMENT OF STEARATE. J. Biol. Chem., 289 (50): 34978-34989. >>

  11. Lechuga S., Baranwal S., Li C., Naydenov N.G., Kuemmerle J.F., Dugina V., Chaponnier C., Ivanov A.I. (2014) Loss of gamma-cytoplasmic actin triggers myofibroblast transition of human epithelial cells. Mol. Biol. Cell, 25 (20): 3133-3146. >>

  12. Panchin A.Y., Tuzhikov A.I., Panchin Y.V. (2014) Midichlorians - the biomeme hypothesis: is there a microbial component to religious rituals?. Biol. Direct, 9: . >>

  13. Potapova T.V. (2014) Structural and Functional Organization of Growing Tips of Neurospora crassa Hyphae. Biochem.-Moscow, 79 (7): 593-607. >>

  14. Konarev P.V., Kachalova G.S., Ryazanova A.Y., Kubareva E.A., Karyagina A.S., Bartunik H.D., Svergun D.I. (2014) Flexibility of the Linker between the Domains of DNA Methyltransferase SsoII Revealed by Small-Angle X-Ray Scattering: Implications for Transcription Regulation in SsoII Restriction-Modification System. PLoS One, 9 (4): . >>

  15. Krivozubov M., Goebels F., Spirin S. (2014) Estimation of relative effectiveness of phylogenetic programs by machine learning. J. Bioinform. Comput. Biol., 12 (2): . >>

  16. Mintaev R.R., Alexeevski A.V., Kordyukova L.V. (2014) Co-evolution analysis to predict protein-protein interactions within influenza virus envelope. J. Bioinform. Comput. Biol., 12 (2): . >>

  17. Galkin I.I., Pletjushkina O.Y., Zinovkin R.A., Zakharova V.V., Birjukov I.S., Chernyak B.V., Popova E.N. (2014) Mitochondria-targeted antioxidants prevent TNF alpha-induced endothelial cell damage. Biochem.-Moscow, 79 (2): 124-130. >>

  18. Pavlova G.A. (2014) Serotonin Does Not Enhance Locomotor Activity in the Great Pond Snail Lymnaea stagnalis in Winter. J. Evol. Biochem. Physiol., 50 (1): 88-90. >>

  19. Vyssokikh M.Y., Chernyak B.V., Domnina L.V., Esipov D.S., Ivanova O.Y., Korshunova G.A., Symonyan R.A., Skulachev M.V., Zinevich T.V., Skulachev V.P. (2013) SkBQ - Prooxidant addressed to mitochondria. Biochem.-Moscow, 78 (12): 1366-1370. >>

  20. Severina I.I., Severin F.F., Korshunova G.A., Sumbatyan N.V., Ilyasova T.M., Simonyan R.A., Rogov A.G., Trendeleva T.A., Zvyagilskaya R.A., Dugina V.B., Domnina L.V., Fetisova E.K., Lyamzaev K.G., Vyssokikh M.Y., Chernyak B.V., Skulachev M.V., Skulachev V.P., Sadovnichii V.A. (2013) In search of novel highly active mitochondria-targeted antioxidants: Thymoquinone and its cationic derivatives. FEBS Lett., 587 (13): 2018-2024. >>

  21. Arnoldi R., Hiltbrunner A., Dugina V., Tille J.C., Chaponnier C. (2013) Smooth muscle actin isoforms: A tug of war between contraction and compliance. Eur. J. Cell Biol., 92 (6): 187-200. >>

  22. Medvedeva S.A., Panchin A.Y., Alexeevski A.V., Spirin S.A., Panchin Y.V. (2013) Comparative Analysis of Context-Dependent Mutagenesis Using Human and Mouse Models. Biomed Res. Int., 2013: . >>

  23. Medvedeva S.A., Panchin A.Y., Alexeevski A.V., Spirin S.A., Panchin Y.V. (2013) Comparative Analysis of Context-Dependent Mutagenesis in Humans and Fruit Flies. Int. J. Genomics, 2013: . >>

  24. Vasiliev J.M., Samoylov V.I. (2013) Regulatory functions of microtubules. Biochem.-Moscow, 78 (1): 37-40. >>

  25. Arutyunova E.I., Domnina L.V., Chudinova A.A., Makshakova O.N., Arutyunov D.Y., Muronetz V.I. (2013) Localization of non-native D-glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase in growing and apoptotic HeLa cells. Biochem.-Moscow, 78 (1): 91-95. >>

  26. Kirsanov D.D., Zanegina O.N., Aksianov E.A., Spirin S.A., Karyagina A.S., Alexeevski A.V. (2013) NPIDB: nucleic acid-protein interaction database. Nucleic Acids Res., 41: 0-0. >>

  27. Shagieva G.S., Domnina L.V., Chipysheva T.A., Ermilova V.D., Chaponnier C., Dugina V.B. (2012) Actin isoforms and reorganization of adhesion junctions in epithelial-to-mesenchymal transition of cervical carcinoma cells. Biochem.-Moscow, 77 (11): 1266-1276. >>

  28. Ershova A.S., Karyagina A.S., Vasiliev M.O., Lyashchuk A.M., Lunin V.G., Spirin S.A., Alexeevski A.V. (2012) Solitary restriction endonucleases in prokaryotic genomes. Nucleic Acids Res., 40 (20): 10107-10115. >>

  29. Chernyak B.V., Antonenko Y.N., Galimov E.R., Domnina L.V., Dugina V.B., Zvyagilskaya R.A., Ivanova O.Y., Izyumov D.S., Lyamzaev K.G., Pustovidko A.V., Rokitskaya T.I., Rogov A.G., Severina I.I., Simonyan R.A., Skulachev M.V., Tashlitsky V.N., Titova E.V., Trendeleva T.A., Shagieva G.S. (2012) Novel mitochondria-targeted compounds composed of natural constituents: Conjugates of plant alkaloids berberine and palmatine with plastoquinone. Biochem.-Moscow, 77 (9): 983-995. >>

  30. Sekerina S.A., Grishin A.V., Ryazanova A.Y., Artyukh R.I., Rogulin E.A., Yunusova A.K., Oretskaya T.S., Zheleznaya L.A., Kubareva E.A. (2012) Oligomerization of site-specific nicking endonuclease BspD6I at high protein concentrations. Russ. J. Bioorg. Chem., 38 (4): 376-382. >>

More articles