Сектор математического моделирования радиационно-индуцированных эффектов

Задача изучения биологического действия тяжелых ионов высоких энергий требует не только наличия уникальных экспериментальных установок, но и всесторонней теоретической проработки. Проблемами математического моделирования в ЛРБ занимается соответствующий сектор.

Основная научная задача сектора состоит в математическом моделировании радиационно-индуцированных эффектов на молекулярном и клеточном уровне.

Совместными усилиями математиков, биофизиков и специалистов в области компьютерных расчетов проводится целый ряд междисциплинарных теоретических исследований в области моделирования энерговыделения в треках заряженных частиц методами Монте-Карло, расчета молекулярных повреждений в чувствительных структурах клетки, в особенности, повреждений ДНК. На более высоких уровнях биологической организации это анализ нелинейной динамики сложных биохимических регуляторных и репарационных систем, моделирование активности нейронных сетей в структурах головного мозга.

Ключевые направления исследований:

• моделирование процессов энерговыделения в треках заряженных частиц и механизмов возникновения повреждения биомолекул в результате действия излучений с различными характеристиками;
• разработка математических моделей индукции и репарации ключевых типов повреждений ДНК в клетках млекопитающих и человека;
• количественный расчет мутагенного воздействия ионизирующих излучений с различной линейной передачей энергии;
• моделирование процессов внутриклеточного и межклеточного транспорта сигналов и молекул в нервной системе при действии ионизирующих излучений;
• математическое моделирование нарушений синаптической передачи сигналов и синаптической пластичности при действии ионизирующих излучений;
• разработка математических моделей, характеризующих функциональную активность нейронных систем различных участков головного мозга при действии ионизирующих излучений.
  

Сотрудниками сектора была выполнена серия работ по моделированию мутационного процесса, индуцированного излучениями с различными характеристиками. При этом удалось количественно описать всю сложнейшую цепочку молекулярных событий, начиная с возникновения повреждения, их распознавания и репарации в ходе работы систем белковых комплексов вплоть до возникновения мутаций.

Расчет частоты УФ-индуцированных мутаций в бактериальных клетках E. coli, имеющих дефекты в системе эксцизионной репарации в uvrA-гене и polA-гене, а также в клетках дикого типа.

Действие тяжелых ионов имеет свою специфику, приводя к сложным (кластерным) повреждениям цепи ДНК. Сотрудники сектора занимаются расчетом энерговыделения в треках тяжелых ионов, моделированием возникновения и путей репарации таких повреждений в клетках млекопитающих и человека.

Расчет кинетики репарации двунитевых разрывов ДНК, выраженных в количестве γ-H2AX-фокусов, в фибробластах кожи человека при действии различных ионизирующих излучений в дозе 1 Гр.

Однако, наиболее сложной и актуальной проблемой современной радиобиологии, своеобразным вызовом для теоретиков, является совсем недавно возникший вопрос о механизмах нарушения деятельности ЦНС под действием ионизирующих излучений различного качества на молекулярном и клеточном уровне.

Расчет треков тяжёлых ионов углерода ¹²С с энергией 500 МэВ/нуклон в пирамидном нейроне области CA1 гиппокампа крыс (а) и соответствующее пространственное распределения энергии (б).

Для решения поставленной сверхзадачи нами проводятся расчеты энерговыделения в треках, попадающих в популяцию нервных клеток со сложной морфологией, анализируются ключевые типы радиационных повреждений и возникающие нарушения работе ионных каналов и синапсов на уровне отдельных нейронов. Но как они скажутся на осуществлении когнитивных функций, может дать ответ только моделирование изменений в активности нейронных сетей различных отделов головного мозга. В итоге, такая многоуровневая схема расчетов позволит оценить вероятность сбоев в работе, например, различных видов памяти и обучения, что критически важно для задач космической радиобиологии.