Відділ фізики біологічних систем

Відділ фізики біологічних систем було створено в Інституті фізики у 1995 році для проведення досліджень біологічних об'єктів з використанням методів теоретичної та експериментальної фізики. Засновником відділу був видатний фізик-теоретик, доктор фіз.-мат. наук, професор Валерій Миколайович Харкянен (28.06.1946 — 01.08.2013).

Основним напрямком досліджень є вивчення фізичних механізмів функціонування біологічних макромолекул (білки, ДНК), надмолекулярних систем (біологічні мембрани) та наноструктур (наноструктуровані поверхні та наночастинки), що містять біологічні молекули. Особлива увага приділяється вивченню проявів нелінійних динамічних (синергетичних) ефектів та нелінійної стохастичної динаміки.

Для експериментальних досліджень використовуються методи підсиленої ІЧ та комбінаційної спектроскопії. Активно використовуються методи чисельного моделювання (молекулярна динаміка, квантова хімія). Розробляються оригінальні методики комп’ютерного моделювання та оригінальне програмне забезпечення.

Дослідження фізичних механізмів функціонування біологічних макромолекул у нерівноважних умовах

  • Моделювання структурних та динамічних властивостей асиметричних біологічних мембран та процесів проникнення біологічних молекул крізь мембрани.
  • Моделювання транспорту іонів та біологічних молекул крізь штучні нанопори та вуглецеві нанотрубки.
  • Розвиток теорії багаточастинкової дифузії у вузьких порах.
  • Розробка теоретичних основ дослідження дихотомічних сигналів від поодиноких біомакромолекул, що відображають процеси їх функціонування.
  • Теоретичні та експериментальні дослідження явищ динамічної самоорганізації у фотореакційних центрах пурпурових бактерій.
  • Дослідження явищ самоорганізації в іонних каналах біологічних мембран.
  • Розвиток методів ідентифікації та дослідження динаміки білкових доменів.

Підсилена спектроскопія біологічних молекул

  • Дослідження конформаційних перебудов в біологічних молекул під впливом слабких доз електромагнітного випромінювання, при взаємодії з лікарськими препаратами та з наноструктурами різної природи в експериментах in vivo та in vitro.
  • Дослідження структурних особливостей нуклеїнових кислот та ліпідів з чутливих та резистентних штамів пухлинних клітин до і після дії протипухлинних препаратів.
  • Розробка методичних аспектів нового методу аналізу малої кількості біологічних молекул на основі ефекту SEIRA та SERS. Створення наноструктурованих металічних поверхонь для отримання максимального підсилення.
  • Виявлення наночастинок оксидів важких металів в повітрі за допомогою SEIRA спектроскопії.
  • Дослідження процесів конденсації ДНК полівалентними іонами металів.

Розробка програмного забезпечення

  • Розробка програмного забезпечення для аналізу експериментальних даних методом максимальної ентропії (МЕМ), geocities.ws/memfit_group/.
  • Створення бібліотеки для високоефективного аналізу даних молекулярної динаміки Pteros, sourceforge.net/projects/pteros/.
  • Розроблено теорію багаточастинкової однорядної дифузії у вузьких порах у нерівноважних умовах. Теорію успішно застосовано до опису реального іонного каналу KcsA.
  • Створено концепцію динамічних доменів у білках, які є великомасштабними одиницями їх колективної дифузійної динаміки. Створено методи ідентифікації динамічних доменів та моделювання їх великомасштабних рухів. Досліджено динамічні домени у великій кількості білків з відомою просторовою структурою.
  • Досліджено кінетику рекомбінації фотомобілізованого электрону у бактеріальному фотосинтетичному реакційному центрі. Виявлено ряд компонент релаксації, кінетика яких відповідає дробово-степеневому закону і може пояснюватися формуванням "таксономичних" конформаційних станів у фотореакційному центрі з розділеними зарядами.
  • Відпрацьовано методику виділення поодиноких вуглецевих нанотрубок з пучків, їх характеризацію та створення гібридів різноманітних біологічних молекул з нанотрубками.
  • Розроблено експериментальні методики спектроскопічних досліджень біологічних макромолекул та нанокомплексів на їх основі з використанням ефектів підсилення на металевих наноструктурованих поверхнях.
  • Побудовано модель взаємодії протипухлинних препаратів з нуклеїновими кислотами.
  • За допомогою методу SEIRA (Surface Enhanced Infrared Absorption) було досліджено структурні особливості нуклеїнових кислот з пухлинних тканин. Вивчаються конформаційні властивості біологічних макромолекул при взаємодії з вуглецевими та металевими наноструктурами. Показано, що взаємодія ДНК з одностінними нанотрубками індукує конформаційні зміни в молекулі ДНК.

2013

  • Leonid N. Christophorov, Valeriy N. Kharkyanen, Nataliya M. Berezetskaya. Molecular self-organization: A single molecule aspect // Chemical Physics Letters 583 (2013) 170–174
  • O. Posudievsky, O. A. Khazieieva, V. V.Cherepanov, G. I. Dovbeshko, A. G. Shkavro, V. G. Koshechko and V. D. Pokhodenko, J. Mater. Chem. C, 2013, DOI:10.1039/C3TC30856A.
  • V.V. Boiko, O.M. Fesenko, V.F. Gorchev, S.O. Karakhim, L. Dolgov, V. Kiisk, I. Sildos, V.S. Gorelik, G.I. Dovbeshko. Luminescent imaging of biological molecules and cells on the photonic crystal surface, In Book: Nanomaterials Imaging Techniques, Surface Studies, and Applications, Ed.: Olena Fesenko, Leonid Yatsenko, Mikhaylo Brodin, Springer, 2013. pp. 253-262.
  • Galyna Dovbeshko, Olena Fesenko , Olena Gnatyuk, Anna Rynder and Oleg Posudievsky. Comparative Analysis of the IR Signal Enhancement of Biomolecules Adsorbed on Graphene and Graphene Oxide Nanosheets, In Book: Nanomaterials Imaging Techniques, Surface Studies, and Applications, Ed.: Olena Fesenko, Leonid Yatsenko, Mikhaylo Brodin, Springer, 2013. pp. 25-34.
  • Yesylevskyy, S.O., Kraszewski, S., Picaud, F., and Ramseyer, C. (2013). Efficiency of the monofunctionalized C60 fullerenes as membrane targeting agents studied by all-atom molecular dynamics simulations. Molecular Membrane Biology 30, 338–345.
  • Yesylevskyy, S.O., Demchenko, A.P., Kraszewski, S., and Ramseyer, C. (2013). Cholesterol Induces Uneven Curvature of Asymmetric Lipid Bilayers. The Scientific World Journal 2013.

2012

  • S.O. Yesylevskyy, Pteros: Fast and easy to use open-source C++ library for molecular analysis // Journal of Computational Chemistry, - 33(19). - P. 1632–1636. Yesylevskyy, S.O., and Demchenko, A.P. (2012). How cholesterol is distributed between monolayers in asymmetric lipid membranes. Eur Biophys J 41, 1043–1054.
  • G. Dovbeshko, O.Fesenko, O. Gnatyuk, A. Rynder, O. Posudievsky "Enhancement of infrared absorption of biomolecules absorbed on single-wall carbon nanotubes and graphene nanosheets", J. Nanophotonics, 6(1), 061711 (Oct 22, 2012). http://dx.doi.org/10.1117/1.JNP.6.061711
  • Dovbeshko, G.; Fesenko, O.; Boyko, V.; Romanyuk, V.; Moiseyenko, V.; Gorelik, V.; Dolgov, L.; Kiisk, V.; Sildos, I. Vibrational spectra of opal-based photonic crystals // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 38, (012008-1) - (012008-6) (2012).
  • G.I.Dovbeshko, O.M.Fesenko, V.V.Boyko, V.R.Romanyuk, V.S.Gorelik, V.N.Moiseyenko, V.B.Sobolev, V.V. Shvalagin. Secondary emission from synthetic opal infiltrated by colloidal gold and glycine // Ukrainian Journal of Physics. – 2012. – Vol. 57, №2. – P. 154-158.
  • G.I. Dovbeshko, O.M.Fesenko, V.V.Boyko, V.F. Gorchev, S.O. Karakhin, N.Ya. Gridina, V.S. Gorelik, V.N. Moiseenko. Novel photoluminescence-enhancing substrates for image formation of biological objects. UJP – 2012. V. 57, №7. P.732-739)
  • М.А. Заболотний, А.І. Момот, Г.І. Довбешко, О.П. Гнатюк, Г.І. Соляник, О.П. Дмитренко, М.П. Куліш, К.В. Федіна. Модифікація структури алкалоїдів препарату Conium фулеренами C60 // УФЖ – 2012. – т.57, №7. – с. 739-745

2011

  • A.P. Demchenko, S.O. Yesylevskyy, Interfacial Behavior of Fluorescent Dyes // Advanced fluorescence reporters in chemistry and biology III: Applications in sensing and imaging. - 2011. - N 10. - P. 3-64.
  • S.O. Yesylevskyy, A.P. Demchenko, Fluorescence probing in structurally anisotropic materials // Advanced fluorescence reporters in chemistry and biology III: Applications in sensing and imaging. - 2011. - N 10. - P. 119-160.
  • Jaroslaw J. Panek, Aneta Jezierska, Aleksander Koll, Galina Dovbeshko, Olena Fesenko. p-Nitrobenzoic acid adsorption on nanostructured Au surface investigated by combined experimental and computational approaches // ChemPhysChem. – 2011. – Vol.12, P. 1 – 12.
  • V. Cherpak, P. Stakhira, S. Khomyak, D. Volynyuk, Z. Hotra, L. Voznyak, G. Dovbeshko, O. Fesenko, V. Sorokin, A. Rybalochka, O. Oliynyk. Properties of 2,6-di-tert.-butyl-4-(2,5-diphenyl-3,4-dihydro-2H-pyrazol-3-yl)-phenol as hole-transport material for life extension of organic light emitting diodes // Optical Materials. – 2011. – Vol.33, №11. – P. 1727-1731.
  • G.Dovbeshko O.Gnatyuk, K. Yakovkin, M.V. Shuba, S.A. Maksimenko. Enhancement of the infrared absorption by biomolecules adsorbed on single wall carbon nanotubes. In Book: “Physics, chemistry and application of nanostructures” Ed. V.E.Borisenko, S.V.Gaponenko, V.S.Gurin, C.H.Kam., Word Scientific, New Jersey- London- Singapore, 2011, p.291-298.
  • С.Д. Ісаєв, Г.І. Довбешко, Г. Жалніна, О.П. Гнатюк, П.А. Іванченко. Застосування методу SEIRA для визначення малих концентрацій забруднювачів у повітрі // Наукові записки НАУКМа: Хімічні науки і технології. – 2011. – Том 118, с. 40-48.
  • Anthony J. Manzo, Alexander O. Goushcha, Nataliya M. Berezetska, Valery N. Kharkyanen and Gary W. Scott. Charge Recombination Time Distributions in Photosynthetic Reaction Centers Exposed to Alternating Intervals of Photoexcitation and Dark Relaxation. The Journal of Physical Chemistry B. 115(26), P. 8534-8544.
  • Valeriy N. Kharkyanen, Yuri M. Barabash, Nataliya M. Berezetskaya, Eugene P. Lukashev, Peter P. Knox, Leonid N. Christophorov. Peculiarities of light-induced slow protein dynamics in the photosynthetic reaction center. Chemical Physics Letters. 512 (2011) P. 113–117. 2010
  • V.N. Kharkyanen, S.O. Yesylevskyy, N.M. Berezetskaya, Approximation of super-ions for single-file diffusion of multiple ions through narrow pores // Phys. Rev. E. - 2010. - V. 82. - N 5. - P. 051103.
  • S.O. Yesylevskyy, L.V. Schafer, D. Sengupta, S.-J. Marrink, Polarizable water model for the coarse-grained MARTINI force field // PLoS Comput. Biol. - 2010. - V. 6. - N 6. - P. E1000810.
  • Arakawa H. G. Dovbeshko, S.Diamantoglou, Heidar-Ali Tajmir Riahi Oxovanadium ions transfer RNA at multiple sites. DNA and cell biology. – 2010. -Vol. 29, №8. — P. 459-464.
  • G. Dovbeshko, O. Fesenko, O. Gnatyuk, Ya. Shtogun, L. Woods, S. Bertarione, A. Damin, D. Scarano, Adriano Zecchina, Nucleic acid interaction and interfaces with single-walled carbon nanotubes, “Carbon Nanotubes”, 2010, Ed. By Jose Mauricio Marulanda, In-Tech., 2010. pp.697-719.
  • G.I Dovbeshko, E. M. Fesenko, V.R.Romanyuk, V.I.Perekrestov, Yu.).Kosminska, S.I.Kshnyakina, Porous Al and Cu structures as infrared signal enhancers, Functional materials, 17, No1, 2010, p.1-5.
  • M. A. Zabolotny, E. S. Kobus, O. P. Dmitrenko, N. P. Kulish, N. M. Belyi, E. V. Stasyuk, Yu. M. Barabash, G. I. Dovbeshko, E. M. Fesenko, Yu. P. Piryatinskii, D. A. Grin’ko, Nonlinear optical properties of poly( N -vinylcarbazole)-C 60 nanocomposites, PHYS SOLID STATE , vol. 52, no. 4, pp. 884-888, 2010.
  • V.N. Kharkyanen, Yu.М. Barabash, N.М. Berezetskaya, М.V. Olenchuk, P.P. Knox, L.N. Christophorov. Deceleration of the electron transfer reaction in the photosynthetic reaction centre as a manifestation of its structure fluctuations. Biopolymers & Cell. 26, #4, 286-294 (2010)

2009

  • V.N. Kharkyanen, S.O. Yesylevskyy, Theory of single-file multiparticle diffusion in narrow pores. // Phys. Rev. E. - 2009. - V. 80. - P. 031118.
  • S.O. Yesylevskyy, S.-J. Marrink, A.E. Mark, Alternative mechanisms for the interaction of the cell-penetrating peptides penetratin and the TAT peptide with lipid bilayers. // Biophys. J. - 2009. - V. 97. - N 1. - P. 40-49.
  • G. Dovbeshko, O. Fesenko, K. Allahverdiev, A. Kaya. Conformational analysis of nucleic acids and proteins adsorbed on single walled carbon nanotubes. Journal of Structural Chemistry. – 2009. – Vol.50, №5. – P.991-999.
  • D.Kosenkov, Ya. Kholod, L.Gorb, O.Shishkin, G.M.Kuramshina, G.I.Dovbeshko, J.Leszczynsky Effect of a pH Change on the Conformational Stability of the Modified Nucleotide Queuosine Monophosphate. J. Phys. Chem. A. – 2009. –Vol. 113(33). –P. 9386–9395
  • G. Dovbeshko1, L. Woods, Ya. Shtogun, O. Fesenko. Modeling of DNA base interactions with carbon nanotubes: ab initio calculations and SEIRA data //AIP 2009. – Vol.2, №8.-рр. 416-420.
  • Anthony J. Manzo, Alexander O. Goushcha, Yuri M. Barabash, Valery N. Kharkyanen, Gary W. Scott. Equilibration kinetics in isolated and membrane-bound photosyntethic reaction centers upon illumination: a metod to determane the photoexcitation rate. Photosynth Res. DOI 10.1007/s 11120-009-9502-7.

2008

  • G. Dovbeshko, O. Fesenko, K. Yakovkin, S. Bertrione, A. Damin, D. Scarano, A. Zecchina, E. Obraztsova. The poly-A interaction and interfaces with carbon nanotubes. Molecular Crystals Liquid Crystals. – 2008. – Vol 496, №345331 – P. 170-185.
  • G. Dovbeshko, O. Fesenko, V. Moiseyenko, V. Gorelik, V. Boyko and V. Sobolev. Multiscaled Ordered Carbon Nanotubes As a Model of Photonic Crystals. // Semiconductor physics, quantum electronics and optoelectronics. – 2008. -Vol.11, №4.-рр. 392-395.
  • D. Chubich, G. Dovbeshko, O. Fesenko, R. Fedorovich, T. Gavrilko, V. Cherepanov, A. Marchenko, A. Naumovets, V. Nechitaylo, G. Puchkovska, L. Viduta and A. Vitukhnovskii. Light-Emitting Diode of Planar Type Based on Nanocomposites Consisting of Island Au Film and Organic Luminofore Tb(thd)3 // Molecular Crystals Liquid Crystals. – 2008. – Vol 497, №346433. – pp. 186-195.
  • S. L. Bravina, N. V. Morozovsky, G. I. Dovbeshko, O. M. Fesenko, and E. D. Obraztsova. Carbon nanotubes based black absorbing coatings for pyroelectric and other thermal detector application. // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. – 2008. – Т.4, 112-120.
  • D. Chubich, G. Dovbeshko, O. Fesenko, R. Fedorovich, T. Gavrilko, V. Cherepanov, A. Marchenko, A. Naumovets, V. Nechitaylo, G. Puchkovska, L. Viduta and A. Vitukhnovskii. Light-Emitting Diode of Planar Type Based on Nanocomposites Consisting of Island Au Film and Organic Luminofore Tb(thd)3 // Molecular Crystals Liquid Crystals. – 2008. – Vol 497, №346433. – pp. 186-195.
  • Maryna Olenchuk, Nataliya Berezetska. Study of the Recombination Process of Light-Induced Charge Separation in Reaction Centers of Purple Bacteria Under Long-Term Exposition. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2008, Vol. 497, pp. 121.

2007

  • Shtogun Ya.V. Woods L. M., Dovbeshko G.I. Adsorption of Adenine and Thymine and Their Radicals on Single-Wall Carbon Nanotubes. J. Phys. Chem. C. – 2007. – Vol. 111. –P. 18174–18181.
  • Ostapenko N.I. G. Dovbeshko, N. Kozlova, S. Suto, A. Watanabe Conformation change of nanosized silicon-organic polymer oriented into ordered nanoporous silicas. Thin Solid Films. –2007. TSF. – P.24204.
  • Christophorov, V.N. Kharkyanen. Discrete versus continuous schemes of conformational regulation. Chem. Phys. Res. J. 2007, 1, #1-3, pp. 1-14.
  • M.V. Olenchuk, Yu.M. Barabash, L.N. Christophorov, V.N. Kharkyanen. Peculiarities of light propagation through the media of molecules with long-lived photoexcited states. Chem.Phys.Letters. 2007. vol. 447, pp.358-363.

2006

  • Ю.М. Барабаш, Н.М. Березецька, В.М. Харкянен, Л.М. Христофоров. Синергетичні механізми структурної регуляції реакцій біологічних макромолекул. Фундаментальні орієнтири науки. 2006 р. 239-260.
  • Yesylevskyy, S.O., V.N. Kharkyanen, and A.P. Demchenko, Dynamic protein domains: identification, interdependence and stability. . Biophys. J., 2006. 91: p. 670-685.
  • Yesylevskyy, S.O., V.N. Kharkyanen, and A.P. Demchenko, The change of protein intradomain mobility on ligand binding, is it a commonly observed phenomenon? Biophys J, 2006. 91: p. 3002-3013.
  • Колективне фото відділу