В данной работе описана модульная компьютерная информационная система SNP-MED, предназначенная для оценки влияния однонуклеотидных полиморфизмов (ОНП) на функцию генов, связанных с развитием социально значимых заболеваний, включающая программные компоненты «Геномика», «Протеомика», «Генные сети» и базу данных «Информационный ресурс» (БДИР).

Каждый из 6 регуляторных SNPs (Single nucleotide polymorphisms) генов APC и MLH1 человека (rs75996864, rs76241113, rs78037487, rs80112297, rs80313086 и rs1800734) был оценен по созданной ранее технологии rSNP_Guide на значимость изменения связывания каждого из 40 факторов транскрипции с соответствующими районами ДНК. В результате для каждого SNP все анализируемые белки были ранжированы по убыванию уровня статистической значимости α (t-тест Стьюдента) изменения их сродства к аллельным вариантам указанной ДНК. Установлено, что самыми вероятными проявлениями SNPs rs75996864, rs76241113, rs78037487, rs80112297 и rs80313086 гена APC, а также SNP rs1800734 гена MLH1 человека являются изменения в связывании именно тех транскрипционных факторов (NF-Y, NFkB, c-Myb, RAR, YY-1, Sp-1), для которых ранее было показано участие в развитии рака толстого кишечника. Полученные результаты служат новым основанием для исследований ассоциации SNPs rs75996864, rs76241113, rs78037487, rs80112297, rs80313086 гена APC с раком толстого кишечника общепринятыми медико-генетическими методами.

Исследование проявления полиморфизма регуляторных районов генов на уровне их экспрессии имеет важное фундаментальное и прикладное значение. Создан Web-сервис SNP_TATA_Comparator для применения оценки in silico на основе уравнения равновесия ТВР/ТАТА-комплекса (ТВР, ТАТА-связывающий белок), экспериментально доказанного для биохимических проявлений in vitro, к связанным с болезнями SNP (Single nucleotide polymorphism) кор-промоторов генов человека.В результате обеспечен свободный доступ в режиме «реального времени» к анализу имеющейся персонифицированной информации об отклонениях индивидуальных геномов от так называемого референсного генома человека (Вып. 68, Flicek et al., 2011), т. е. варианта генома, который общепринят в качестве стандарта для сравнительного анализа). При этом автоматически учитываются все доказанные транскрипты гена (база данных GENCODE, Вып. 17). Web-сервис SNP_TATA_Comparator предназначен для диагностики, мониторинга, профилактики и лечения заболеваний с учетом индивидуальных геномов пациентов в рамках персонифицированной медицины.

Представлена компьютерная система BioUniWA, предназначенная для автоматической генерации Web-сервисов для унифицированного доступа к ресурсам в области биоинформатики. Система BioUniWA изначально разрабатывалась как развитие системы BioInfoWF для поддержки доступа к вычислительным модулям и конвейерам посредством Web-сервисов.

Система BioUniWA способна автоматически генерировать Web-сервисы для вычислительных модулей и конвейеров, формальные описания которых определяются посредством языка XML. Данные Web-сервисы в дальнейшем могут использоваться как в различных биоинформационных системах, таких как Taverna, Galaxy, так и непосредственно в программном коде разрабатываемых приложений. Разработанный нами инструмент существенно упрощает аннотацию вычислительных модулей и конвейеров, а также их публикацию в сети Интернет.

Система BioUniWA распространяется под свободной лицензией GNU GPL. Дистрибутив и пользовательская документация системы BioUniWA доступны на сайте http://bioinfowf.bionet.nsc.ru.

В работе представлен пакет компьютерных программ для анализа структурно-функциональной организации и эволюции во времени биологических, социальных и других сетей. Пакет позволяет исследовать как глобальную архитектуру сетей, так и их локальные свойства, при этом выявлять ключевые регуляторы и структурно-функциональные модули, а также проследить развитие сетей во времени. Работа пакета иллюстрирована на примере нескольких генных сетей, сети соавторства научных публикаций в области биологии и медицины, а также сети терминов и ключевых слов из этой же области знаний.

Синаптические нейрональные контакты являются одним из основных элементов, обеспечивающих пластичность нервной системы, а изменение эффективности синаптической передачи ответственно за такие реакции, как восприятие, проведение возбуждения, обучение и память. Дендритные шипики представляют постсинаптическую часть возбуждающих синапсов высших отделов мозга млекопитающих. Белок-белковые сети микродоменов шипиков формируют функциональную систему синапсов нейрона. Проведена реконструкция концептуальной модели межмолекулярных взаимодействий, обеспечивающих изменение эффективности синаптической передачи вслед за активацией синапса, интеграцию возбуждения в локальной дендритной сети нейрона и длительное поддержание нового уровня нейротрансмиссии.

В последние годы происходит стремительное расширение фронта нейробиологических исследований, сопровождающееся бурным ростом объема экспериментальных данных по структуре, функции и эволюции нервной системы на различных уровнях ее иерархической организации. Использование технологий высокопроизводительного секвенирования и микрочипов позволяет проводить сравнительный статистический анализ экспрессии тысяч генов одновременно, учитывая при этом пространственное расположение клеток в структурах мозга. Дан краткий обзор основных подходов анализа экспрессии генов в клетках мозга. Проанализированы особенности структуры генов, имеющих дифференциальную экспрессию в клетках мозга. Оценивалось число экзонов, альтернативных транскриптов и его соотношение с уровнем экспрессии. Показано статистическое различие числа альтернативных транскриптов для генов, активных в структурах головного мозга и других органов. Найдены гены, экспрессия которых повышена в структурах мозга и связана с нейродегенеративными заболеваниями.

Определение эффективности экспрессии генов организма является актуальной и важной задачей современной биологии. Особый интерес представляют микроорганизмы, паразитирующие на человеке и домашних животных. В работе был проведен биоинформатический анализ геномов 62 штаммов бактерий, принадлежащих к роду Mycoplasma. Показано, что эффективность трансляции генов у этих организмов зависит от количества потенциальных вторичных структур в них и не зависит от кодонного состава. Обнаружены виды с пониженным содержанием локальных инвертированных повторов в генах. Анализ филогении показал возможную связь этой особенности со средой обитания данных организмов. Обнаружена не свойственная остальным микоплазмам высокая концентрация локальных инвертированных повторов в районе старт-кодона трансляции в генах M. haemofelis.

В работе проведено исследование свойств бактериальной микрофлоры ряда термальных источников Северного Прибайкалья (Байкальская рифтовая зона), характеризующихся широким диапазоном природных условий (рН, температур, органического компонента). Проведена таксономическая идентификация бактерий, показано, что липолитической активностью обладают изоляты, относящиеся к видам Geobacillus stearothermophilus, Anoxybacillus flavithermus и Thermoactinomyces vulgaris. Исследованы их морфологические, биохимические и физиологические свойства. Показано, что в целом полученные штаммы Geobacillus stearothermophilus растут при температурах до 70 °С и широком диапазоне значений рН (5–10). Штаммы, отнесенные к роду Anoxybacillus flavithermus, росли при температурах 60–70 °С и до рН 11, а Thermoactinomyces vulgaris Gus-2-1 имел более узкий диапазон роста при 50–60 °С и рН 7–10. В целом из выделенных штаммов, обладающих липолитической активностью, наиболее интересными для изучения свойств продуцируемых липаз являются представители Geobacillus stearothermophilus.

Новый штамм Geobacillus stearothermophilus 22 был выделен из термального источника Гарга, расположенного в Баргузинской долине Прибайкалья. Были проанализированы морфологические и биохимические особенности G. stearothermophilus 22, проведено полногеномное секвенирование с последующим биоинформатическим анализом. Показана высокая степень сходства нуклеотидных последовательностей (контигов) анализируемого штамма с геномом бактерии-термофила G. kaustophilus  Y412MC52. Охарактеризован протеом выделенной бактерии. Обнаружены ферменты,  относящиеся к гемицеллюлазам (эндоксиланаза, бета-ксилозидаза, арабинофуранозидаза), и фермент эндоксиланаза.

В работе проведен анализ свойств термостабильных липаз бактерий рода Geobacillus. Проведена классификация ферментов по группам термостабильности. Показано наличие согласованных аминокислотных замен у группы липаз с высокой термостабильностью (со временем полуинактивации свыше 1000 мин): V198A, Q203E, V204I, Q217E и V294I, P306A, T307A, D312S, R313H, E316G, V324I, S334N, A343T. Наибольшее достоверное влияние на термостабильность ферментов оказывал гидрофильный момент α-спиралей, который коррелировал с зарядом и полярностью аминокислотных остатков данных регионов. Показано, что у липаз с наибольшей термостабильностью происходит стабилизация «lid»-домена на структурном уровне в районе 198А-217Е.

Термофильные бактерии находят все более широкое применение в биотехнологии. Одними из наиболее перспективных термофилов являются представители рода Geobacillus. В статье рассмотрены известные на данный момент методики генетической и метаболической инженерии этих микроорганизмов, а также примеры их использования в различных отраслях биотехнологии.

В работе представлена разработанная и адаптированная к имеющимся экспериментальным данным математическая модель биосинтеза биоэтанола и молочной кислоты в клетках Geobacillus sрp. Показано, что математическая модель позволяет осуществлять in silico планирование экспериментов с бактерией Geobacillus sрp. методами молекулярно-генетической инженерии, предсказывать динамику изменения концентрации синтезируемых биоэтанола и молочной кислоты в зависимости от молекулярно-генетических манипуляций с активностью ферментов метаболической системы.

Представлены классы сегрегационных моделей, описывающих характер наследования количественного признака, для расширенных нереципрокных диаллельных скрещиваний рекомбинантных инбредных линий. Отличительной особенностью данной работы являются использование многолокусного подхода и учет эпистатических взаимодействий групп локусов между собой. В построенных классах моделей производится поиск решений, которые с точностью до средовых шумов описывают экспериментальные данные. Далее выполняется анализ сцепления, т. е. определение положения модельных локусов найденных решений на генетической карте хромосом. Апробация процедуры поиска в пространстве моделей и подхода к анализу сцепления проводилась на реальных данных, где в качестве количественного признака выступала масса мозжечка лабораторных мышей. Дано краткое описание реализованного программного обеспечения.

Одним из способов изучения изменчивости биологических объектов является геометризация задачи: представление объектов точками в многомерном пространстве таким образом, чтобы расстояния между точками как можно лучше соответствовали различиям между объектами. Если различия между объектами являются евклидовыми расстояниями, то эта задача (с точностью до переноса, поворота и отражения) решается методами метрического шкалирования. Рассмотрены метрические свойства некоторых широко известных эволюционных дистанций для нуклеотидных последовательностей. Показано, что расстояния Джукса–Кантора и Кимуры не являются метриками. Введено новое расстояние, аналог расстояния Кимуры, – PQ-дистанция. Показано, что p-дистанция и PQ-дистанция являются квадратами евклидовых метрик, названных в статье Ep-дистанцией и EPQ-дистанцией соответственно. Применимость EPQ-дистанции проиллюстрирована на взятом из GenBank множестве нуклеотидных последовательностей цитохрома b 12 видов мышевидных грызунов Западной Сибири и Алтая и сравнена с результатами использования LogDet-расстояния.

В статье дан краткий обзор пакета COMSOL Multiphysics; показаны способы построения модели и спецификации задачи в пакете COMSOL; продемонстрированы возможности пакета при изучении нескольких конкретных проблем биомеханики и морфодинамики растений.

Экспериментальные данные, полученные к настоящему времени, привели к определенным представлениям о регуляции ниши стволовых клеток в апикальной меристеме побега. Для проверки непротиворечивости этих представлений и их согласованности с экспериментальными данными применяется математическое моделирование. В статье рассматриваются математические модели регуляции ниши стволовых клеток в апикальной меристеме побега, предложенные разными авторами; анализируются экспериментальные основания и рабочие гипотезы, формализованные в этих моделях, и выявляются методические различия в подходах к построению этих моделей.

Потребность в быстрых и точных методах идентификации микроорганизмов является насущной проблемой для самых различных сфер человеческой деятельности. Прежде всего это, конечно, касается клинической диагностики, но данные методы востребованы также в экологическом мониторинге, фармацевтической и пищевой промышленности, научных исследованиях и т. д. На сегодняшний день существует множество методов идентификации микроорганизмов (фенотипические, генотипические, хемотаксономические методы, прямое белковое профилирование и др.). В данной работе авторы оценивают влияние различных условий культивирования, таких как температура, время роста и тип питательной среды, на воспроизводимость результатов идентификации микроорганизмов методом МАЛДИ времяпролетной масс-спектрометрии на примере трех штаммов Geobacillus stearothermоphilus.

В последнее десятилетие наряду с классическими и молекулярно-биологическими методами идентификации микроорганизмов, все чаще применяется метод идентификации микроорганизмов по их белковым профилям, или прямое белковое профилирование. Данный метод не уступает по таким показателям, как точность и специфичность идентификации, однако его выгодно отличают быстрота проведения и более низкая себестоимость анализов. В данном обзоре приведены современные представления о возможностях данного метода, а также дано сравнение с используемыми методами идентификации микроорганизмов.

Мискантус сорт Сорановский внесен в Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию, в 2013 г. Методами фенотипирования и анализа ДНК новая техническая культура отнесена к виду Miscanthus sacchariflorus. На основе биомассы мискантуса ведется разработка методов получения сахаросодержащего субстрата для биотехнологий. Для выполнения этой задачи было изучено влияние механической и химической обработок в сочетании с ферментативным гидролизом на получение сахаров из биомассы мискантуса. Наилучший результат получен при использовании помола до размера частиц ~100 мкм с последующей обработкой гидроксидом кальция. После ферментативного гидролиза таких образцов были получены субстраты с концентрацией восстанавливающих сахаров от 10 до 15 г/л.