КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-74-01038

НазваниеКооперативное взаимодействие белков толстых нитей запирательных мышц двустворчатых моллюсков с актином и их роль в запирательном тонусе

РуководительВятчин Илья Геннадьевич, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Национальный научный центр морской биологии им. А.В. Жирмунского" Дальневосточного отделения Российской академии наук, Приморский край

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2023 - 06.2025 

Конкурс№84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-202 - Протеомика; структура и функции белков

Ключевые словаЗапирательный тонус, модель сократительного аппарата, миозин, миород

Код ГРНТИ34.15.45

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на изучение механизма запирательного тонуса мышц-замыкателей двустворчатых моллюсков, состояния, в котором низкие затраты потребляемой мышцей энергии сочетаются с высоким значением развиваемой ею силы. Это явление исследуется вот уже более 100 лет. За это время были предложены и опровергнуты около десятка научных гипотез, объясняющих механизм запирательного тонуса, однако конкретный механизм, ответственный за формирование запирательного тонуса так и не был найден. Недавно нами была опровергнута остававшаяся актуальной на протяжении полутора десятка лет гипотеза формирования запирательного тонуса – гипотеза твитчиновых сшивок. Вместе с тем образовался идейный вакуум, потому как руководствуясь прежней парадигмой исследований установить механизм запирательного тонуса, очевидно, не удалось. В рамках данного проекта мы предлагаем совершенно иной подход к изучению запирательного тонуса. Он основывается на изучении кооперативного действия белков сократительного аппарата. Планируется изучать не возможность формирования запирательного тонуса отдельными белками запирательной мышцы, а изучить их кооперативный эффект на состояния, развиваемые сократительным аппаратом. Для этого будет изучено взаимодействие с актином различных полимеров и сополимеров белков толстых нитей. Для управления взаимодействием белков входящих в состав полимеров планируется не только использование ранее описанные методов их модификации фосфорилированием/дефосфорилированием, но и разработка нового подхода. В его основе будет лежать неодинаковая устойчивость полимеров и сополимеров миозина, миорода и парамиозина к нуклеозидфосфатам, а также разница во влиянии последних на взаимодействие белков толстых нитей с актином. Предложенный подход позволит нам проверить тезис, что способность к запирательному тонусу является интегральным свойством если не всего сократительного аппарата в целом, то как минимум толстых нитей запирательной мышцы, как единой белковой структуры.

Ожидаемые результаты
Наиболее важным результатом, имеющим большую значимость для фундаментальной науки станет проверка последней актуальной гипотезы объясняющей механизм запирательного тонуса мышц замыкателей створки двустворчатых моллюсков. Понимание устройства этого механизма является одной из главных проблем биологической подвижности. Соответственно, выяснение механизма, лежащего в основе запирательного тонуса так или иначе повлияет на восприятие биологической подвижности в целом. Особенно, серьезный пересмотр может случиться, если будет подтверждено именно кооперативное участие в формировании запирательного тонуса многих (или даже всех) белков толстых нитей. Кроме того, правильная интерпретация механизмов, действующих в запирательной мышце, фактически откроет путь к реконструкции механизма, подобного по эффективности, энегрозатратности и автономности, например, в робототехнике и биомедицине. Что касается прочих результатов, то в рамках работы будет изучен механизм, лежащий в основе деполимеризации миозина воздействием избытка АТФ (до 5 мМ). Будет изучена устойчивость миозина, и его сополимеров с миородом, и/или парамиозином вообще к нуклеозитфосфатам. Будет подтверждена устойчивость к высоким концентрациям фосфатных соединений синтетических толстых нитей, включающих парамиозин. Знание подхода, позволяющего преодолеть ограничения в количестве вводимой в сократительный аппарат АТФ весьма актуально как для дальнейшего исследования запирательного тонуса мышц моллюсков, так и при разработке сократительных моделей других мышц, а также искусственных сократительных систем. Связано это с тем, что, во-первых, эффект избытка АТФ, видимо, является универсальным для всех мышечных миозинов. А, во-вторых, с тем, что от количества введенного в сократительный аппарат АТФ напрямую зависит его автономность и, в некоторых случаях, максимальное развиваемое им усилие. Кроме того, полученные данные могут помочь при исследовании динамической структуры толстых нитей, актуализации гипотезы «разборных толстых нитей» и исследовании запасной компактной формы миозина (активирование которой, как считается, связано с достижением АТФ определённой концентрации в среде). Что касается дальнейшего исследования запирательной мышцы, то наибольшей важностью для этого направления будут отличаться результаты по фундаментальным свойствам миозина моллюсков. В частности, влияния АДФ и АМФ на его АТФазный цикл. В виде АДФ мы планируем получить инструмент для внешнего стимулирования миозина к остановке его активного «АТФазирования». С помощью него мы сможем растянуть фазу перехода от активного «сокращения» модели к «запирательному тонусу». Это позволит подробно изучить момент смены сократительным аппаратом своих состояний (сокращения/запирательного тонуса/расслабления). Подобные данные и результаты приближают возможность реконструкции полнофункциональной модели запирательной мышцы, полностью контролируемо и обратимо переключающейся из одного состояния в другое. Наличие такой модели фактически может послужить, фактически, готовой инструкцией к созданию невероятно энергоэффективных синтетических запирательных мышц. Нет сомнений, что для биоробототехники будущего способность синтетических мышц к формированию подобия запирательного тонуса станет выгодным приобретением, одним из свойств, выделяющих такие структуры на фоне обычных механических моторов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Был проведен первый этап исследования, ставящего целью выяснение молекулярного механизма лежащего в основе явления запирательного тонуса. Запирательный тонус – это особое дополнительное состояние мышц двустворчатых моллюсков, перейдя в которое мышца, удерживающая створки раковины моллюска сомкнутыми, не расходует на поддержание развитого ей усилия энергии в форме АТФ. Данное явление исследуется вот уже более 100 лет, однако механизм его до сих пор не ясен. В нашей работе мы пытаемся проверить наиболее актуальную, «синергетическую» гипотезу, объясняющую механизм данного явления. Эта гипотеза предполагает, что функцию формирования запирательных сшивок внутри сократительного аппарата, удерживающих его в состоянии сокращения, выполняет уникальный для запирательных мышц белок – миород. Однако, в формировании этих сшивок, модулировании их работы вероятно задействованы все основные белки толстых нитей – миозин, парамиозин и твитчин. На данном этапе работы нами были реконструированы полимеры из белков толстых нитей, отличающиеся соотношением слагающих их белков и описаны их свойства. В первую очередь речь идет об их устойчивости к высоким количествам АТФ в экспериментальной среде. АТФ – является классическим модулятором взаимодействия ключевых сократительных белков - актина и миозина. Ее количество в среде может определять функциональное состояние сократительного аппарата – «сокращение» и «расслабление». Ранее, мы уже сообщали, что при определенных условиях состояние «расслабления» на самом деле оказывается состоянием разрушения миозинового полимера. Как удалось показать в данной работе, защитить миозин от деполимеризации позволяет создание сложных сополимеров миозина с миородом и парамиозином. Такие полимеры более нативны, чем чистый миозин, и, более того, позволяют привычным образом (с помощью АТФ) модулировать состояния «сокращения» и «расслабления» сократительной модели. Кроме того, в работе проведено полное сравнение эффектов, оказываемых АТФ и АДФ на актомиозиновые модели и полимерный миозин. Самостоятельное влияние АДФ на указанные модели изучалось впервые. В результате получены свидетельства того, что миозин не только гладкой запирательной мышцы двустворчатых моллюсков, но и их поперечнополосатых мышц, а также скелетных мышц позвоночных обладают способностью к гидролизу АДФ до АМФ и неорганического фосфата. Эффективность гидролиза АДФ находится в обратной зависимости от скорости работы миозина исследованной мышцы. Вероятно, такая способность может быть востребована достаточно медленными гладкими мышцами моллюсков, особенно в условиях стресса. Учитывая устойчивость предложенных в работе сложных сополимеров белков толстых нитей к деполимеризации под действием нуклеозидфосфатов, использование АДФ в качестве ингибитора актин-миозинового взаимодействия представляется не эффективным. На предстоящем этапе исследования для этих целей будут задействованы альтернативные подходы. Кроме того, в работе впервые получен и идентифицирован гельзолин-подобный белок двустворчатых моллюсков, способный регулировать формирование в мышце актинового полимера. В целом данный этап работы заложил основу, необходимую для проверки «синергетической» гипотезы запирательного тонуса.

 

Публикации

1. Вятчин И.Г., Шевченко У.В. Gelsolin from mussel's catch muscle Biochemical and Biophysical Research Communications, Vol. 688, P. 149221. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2023.149221

2. Вятчин И.Г., Шевченко У.В., Дячук В.А. Does muscle-type myosin have ADPase activity? Biochemical and Biophysical Research Communications, Vol. 693, P. 149371. (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2023.149371