«Это крайне востребованное направление» – президиум РАН заслушал доклады молодых ученых

Сообщения молодых российских ученых – лауреатов вручавшейся накануне премии Президента РФ в области науки и инноваций за 2021 год – открыли заседание президиума РАН 9 февраля. В День российской науки на президентском Совете по науке и образованию 8 февраля их представил президент РФ Владимир Путин.

«Сегодня мы пригласили новых лауреатов государственной премии выступить перед нами. Я думаю, что это будет и подарок для них, и подарок для нас всех. Надо сказать, что конкурс в этом году был очень серьезным. Было представлено много работ, и составлены шорт-листы на основании экспертиз нескольких организаций, потом были еще и шорт-листы шорт-листов, голосование. И в результате определены три победителя», – сказал, открывая приуроченное к Дню российской науки заседание президиума глава РАН Александр Сергеев.

Молодого ученого из Владивостока – к.б.н. с.н.с. лаборатории биотехнологии ФНЦ Биоразнообразия ДВО РАН Александру Дубровину – членам президиума представил вице-президент РАН, заместитель председателя Дальневосточного отделения РАН Андрей Адрианов: «Работа Александры Сергеевны направлена на изучение интерференционных РНК: как с помощью этих агентов проводить направленную регуляцию генов растений. Это крайне востребованное сейчас направление, причем являющееся достаточно безопасным, поскольку здесь нет прямого вмешательства в геном и нет какой-либо трансформации собственно генома растений».

Тезисы доклада А.С. Дубровиной «Индукция РНК интерференции и направленная регуляция генов растений с помощью экзогенных РНК».

«Разработка новых экологически чистых и безопасных подходов для изменения различных свойств растений без модификации генома является чрезвычайно актуальной задачей. Исследования Дубровиной А.С. посвящены изучению влияния внешней обработки растений растворами РНК на экспрессию генов обрабатываемого растения с целью индукции процессов РНК интерференции (РНКи) или так называемого замолкания генов и изменения свойств растений в желаемом направлении.

Известно, что в процессе РНКи двухцепочечные РНК (дцРНК) подвергаются расщеплению специализированными ферментами и нарезаются на короткие интерферирующие РНК (киРНК), которые затем включаются в работу РНК-индуцируемого комплекса белков, обеспечивающего деградацию молекул РНК схожих с дцРНК и снижению экспрессии соответствующих генов. Дубровиной А.С. с коллегами показана возможность направленного снижения экспрессии трансгенов и собственных генов растения с целью изменения свойств растений с помощью применения экзогенных дцРНК и киРНК. Разработана и оптимизирована оригинальная методика внешней обработки поверхности растений растворами дцРНК и киРНК для специфичного подавления активности трансгенов зеленого флуоресцентного белка (EGFP) и неомицинфосфотрансферазы II (NPTII) в геноме трансгенных растений Arabidopsis thaliana L. Трансгены были выбраны в качестве модельной системы для ингибирования как более склонные последовательности к замолканию. Установлена высокая важность определенного возраста растений, времени суток и степени увлажненности почвы в момент внешней обработки растений для эффективности подхода.

Исследование влияния экзогенных дцРНК и киРНК на экспрессию трансгенов позволило перейти на направленную регуляцию собственных генов растения с помощью экзогенных дцРНК и киРНК. Доказана возможность специфичного ингибирования экспрессии ряда генов биосинтеза антоцианов у A. thaliana и направленной регуляции содержания антоцианов с помощью экзогенных дцРНК и киРНК. Антоцианы – окрашенные вторичные метаболиты, ценные для медицины, косметологии и пищевой промышленности. Экзогенное применение геноспецифичных дцРНК и киРНК приводило к эффективному подавлению экспрессии гена халкон синтазы AtCHS и подавляло накопление антоцианов у A. thaliana, а применение экзогенных дцРНК против генов транскрипционных репрессоров биосинтеза антоцианов AtMYBL2 и AtANAC032 снизило уровни мРНК этих генов и привело к выраженной активации гена AtCHS и биосинтеза антоцианов. Далее разработанный подход был апробирован на растениях томата (Solanum lycopersicum L.). Внешняя обработка растений томата геноспецифичными дцРНК привела к значительному снижению уровня мРНК генов SlMYB1, SlMYBL76 и SlTRY (негативные регуляторы биосинтеза антоцианов) и достоверному увеличению содержания антоцианов. Данные высокопроизводительного секвенирования фракций малых РНК в растениях A. thaliana, обработанных дцРНК против гена AtCHS, показали, что снижение уровня мРНК гена AtCHS в обработанных растениях связано с появлением большой фракции малых РНК против этого гена (с высокой долей малых РНК длиной 21 и 24 нуклеотида), что свидетельствует об индукции процессов РНК интерференции.

Таким образом, установлено, что обработка поверхности растений растворами дцРНК и киРНК может влиять на уровень активности трансгенов и собственных генов растений, что открывает новые возможности для направленной регуляции свойств растений без модификации генома растения. Применение подобных новых подходов будет способствовать переходу к высокопродуктивному и экологически чистому сельскому хозяйству, а также к созданию более качественных продуктов питания».

Индукция РНК интерференции и направленная регуляция генов растений с помощью экзогенных РНК

* * *

Работающего в Гатчине к.ф.-м.н. с.н.с. Лаборатории квантовой химии Отделения перспективных разработок НИЦ «Курчатовский институт»-ПИЯФ Леонида Скрипникова представил Президент РАН Александр Сергеев: «Это работа по теоретической физике, причем по самой серьезной физике, связанной с изучением нарушения Стандартной модели. Наверное, многие знают, что основной принцип, который заложен в создание Стандартной модели и других моделей, объединяющих разные типы взаимодействий, - то, что дает единый взгляд на природу мироздания, - связан с предположением о наличии различных типов симметрии. Зарядовой симметрии, пространства, времени и так далее. И поэтому поиски нарушения базируются на том, чтобы в каких-то экспериментах найти нарушение такой симметрии, и большой слой теоретических работ именно связан с оценками малости этих нарушений, начиная с которых можно подозревать, что теория не работает. И у Леонида Владимировича есть очень интересные идеи, каким образом это можно было бы диагностировать».

Президент РАН Александр Сергеев и академик-секретарь Отделения физических наук РАН Иван Щербаков пригласили молодого коллегу из Петербургского института ядерной физики им. Б. П. Константинова сделать доклад на общем собрании ОФН РАН 29 апреля.

Тезисы доклада Л.В.Скрипникова «Развитие теории электронной структуры соединений тяжелых элементов для поиска новой физики и исследования структуры ядра».

Ненулевое значение постоянного электрического дипольного момента электрона (еЭДМ) предполагает проявление взаимодействий, нарушающих симметрии инверсии пространства и обращения времени. Наблюдение еЭДМ на уровне, значительно превышающем величину 10^-38 е*см, указывало бы на наличие “новой физики” за пределами стандартной модели элементарных частиц; популярные расширения стандартной модели предсказывают величину еЭДМ на десять порядков больше. В 1970-х годах было показано, что двухатомные молекулы, содержащие атомы тяжелых элементов, очень перспективны для подобных экспериментов. В этих системах достижимы очень сильные эффективные электрические поля (E_эфф), взаимодействующие с еЭДМ, что приводит к усилению эффекта по сравнению с прямыми экспериментами на одиночном электроне в лабораторных условиях. Однако интерпретация экспериментов в терминах еЭДМ требует знания величины E_эфф, которую невозможно измерить, и это является задачей теории. В нашей лаборатории разработан метод, позволяющий вычислять такие характеристики как E_эфф и др. свойства молекул, содержащих атомы тяжелых элементов. Этот подход был применен к ряду наиболее перспективных молекул, на которых ведутся эксперименты по поиску еЭДМ. Полученные результаты для молекулы монооксида тория [1,2] были использованы коллаборацией ACME [3] для извлечения ограничения на электрический дипольный момент электрона из их экспериментальных данных. Это ограничение является наиболее строгим на сегодняшний день и устанавливает новые ограничения на параметры моделей “новой физики”. Используемые подходы позволяют решать и другие задачи. В частности, недавно нами была решена так называемая “загадка” сверхтонкой структуры висмута [4], которая состояла в противоречии между теоретическими предсказаниями ученых из СПбГУ [5] и экспериментальными данными немецких ученых [4] по сверхтонкому расщеплению в ионах висмута. Мы показали, что эта проблема была связана с неправильным значением магнитного момента ядра висмута, которое приводится в справочных таблицах. Для этого мы развили теоретический подход [6] к вычислению констант экранирования в соединениях тяжелых элементов и применили его к данным ЯМР эксперимента на молекуле, содержащей висмут. Полученное новое значение магнитного момента [6] привело к разрешению противоречий между теорией [5] и экспериментом [4] и уже внесено в последнее издание международных справочных таблиц Стоуна по магнитным моментам ядер.

1. L.V. Skripnikov, J. Chem. Phys. 145 214301 (2016).

2. L.V. Skripnikov, A.N. Petrov, A.V. Titov, J. Chem. Phys. 139, 221103 (2013).

3. ACME Collaboration, Nature, 562, 355 (2018).

4. J. Ullmann et al, Nature Communications, 8, 15484 (2017).

5. V.M. Shabaev et al, Phys. Rev. Lett. 86, 3959–3962 (2001).

6. L.V. Skripnikov et al, Phys. Rev. Lett., 120, 093001 (2018).

Развитие теории электронной структуры соединений тяжелых элементов для поиска новой физики и исследования структуры ядра

* * *

С вступительным словом к докладу представителя школы спутниковой океанологии из Севастополя – к.ф.-м.н., заведующего лабораторией инновационных методов и средств океанологических исследований Морского гидрофизического института РАН Арсения Кубрякова – выступил вице-президент РАН Валерий Бондур.

«Главное направление его деятельности связано с изучением физических процессов в океане и того, как они влияют на биологические характеристики морских экосистем. То есть он исследовал поля течений, уровень мирового океана, вихри, причем не только в Черном море, но и в Северной Атлантике, изучал эстуарии наших больших сибирских рек», – сказал председатель Научного совета РАН по комплексной проблеме «Гидрофизика».

Александр Сергеев также отметил выступление ученого в ходе совещания с главой государства: «Я должен сказать, что вчера Арсений Александрович на встрече с президентом нашей страны в рамках Совета по науке и образованию как раз в своем выступлении заострил вопрос, что больше надо уделять внимание «сверху» – при составлении различных проектов и программ – вопросу, каким образом происходит взаимодействие физических, гидрофизических атмосферных факторов с фитопланктоном. Это важно для депонирования углерода, это важно для старта пищевых цепочек и так далее».

Тезисы доклада А.А. Кубрякова «Влияние физических факторов на биологические характеристики морских экосистем».

«Концентрация фитопланктона – первого трофического звена морских экосистем – во многом зависит от физических условий: освещенности, необходимой для фотосинтеза, и потоков питательных веществ в эвфотический слой, которые используются для построения клеток. Эти факторы влияют не только на рост фитопланктона, но и на его таксономический состав, что в конечном итоге определяет развитие высших трофических уровней и биопродуктивность океана в целом.

Развитие современных методов исследования океана – измерений спутниковых приборов и профилирующих буев Био-Арго – дает возможность получить новые данные о многообразии физических процессов, оказывающих влияние на биологические характеристики морских экосистем.

Анализ этих данных показывает, что условия освещенности являются основным фактором, который контролирует изменчивость вертикального положения фотосинтетических слоев, и демонстрирует наличие универсальной связи между распределением фотосинтетически активной радиации и положением максимума концентрации хлорофилла «а». Величина этого максимума зависит от горизонтальных и вертикальных потоков биогенных элементов. Вертикальный обмен, обусловленный ветровым, конвективным перемешиванием, сдвиговой турбулентностью, вертикальной адвекцией на разных масштабах, является основным внутренним источником биогенных веществ. Горизонтальный обмен вод, связанный с неустойчивостью крупномасштабных течений, вихревой динамикой и дрейфовыми течениями, перераспределяет питательные элементы между богатыми ими шельфовыми районами и более бедными водами центральной части акваторий, имея особо важное значение для окраинных и внутренних морей. Увеличение потоков биогенных элементов приводит к ухудшению условий освещенности, обуславливая комплексное влияние этих факторов на морские экосистемы.

Отклик различных типов фитопланктона на изменения физически условий морской среды имеет свои существенные особенности, причины которых связаны с физиологическими особенностями строения водорослей и до конца не ясны. Описание таких связей позволит в конечном итоге развить качественные физико-биогеохимические модели, которые дадут возможность контролировать и прогнозировать изменения в морских экосистемах, эффективнее и безопаснее использовать морские ресурсы в условиях меняющегося климата».

Влияние физических факторов на биологические характеристики морских экосистем

Фото – ФНЦ Биоразнообразия ДВО РАН, НИЦ «Курчатовский институт»-ПИЯФ, МГИ РАН.