Scientific Group of Prof.Dr. Rapoport

Laboratory of Chemical Physics, Department of Chemical Physics, Fock Institute of Physics, St.Petersburg State University

ГРУППА ФОТОФИЗИКИ И ФОТОХИМИИ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Основным направлением научной работы группы является исследование фотофизических и фотохимических процессов в компонентах нуклеиновых кислот. Интерес к изучению этих процессов связан с тем, что облучение живых клеток ультрафиолетовым светом приводит к важным биологическим явлениям. Эти явления начинаются с поглощения кванта света молекулами ДНК, что приводит затем к различным фотохимическим реакциям, продукты этих реакций ответственны за биологический эффект. Все фотопроцессы изучаются, в основном, в модельных системах: в растворах мономерных и полимерных компонентов ДНК, их комплексах с биологически активными молекулами (БАМ). При образовании комплексов ДНК с БАМ меняются направления и вероятности всех фотопроцессов, что даёт возможность управлять ими и искать эффективные методы защиты живых клеток от действия излучений. Основным методом исследования является люминесцентный, который обладает уникальной чувствительностью и позволяет проследить за судьбой электронного возбуждения. ДНК крайне слабо люминесцирует при физиологических условиях (квантовый выход составляет 0,00001), поэтому были построены специальные установки с высокой чувствительностью и малым вкладом рассеянного света в возбуждающий, в том числе установка с регистрацией по счёту фотонов. Имеется высококлассный автоматизированный японский спектрофлуориметр "Hitachi-850". В области люминесценции ДНК и её компонентов В.Л. Рапопортом и его учениками было получено несколько фундаментальных результатов: предложен механизм эффективного тушения люминесценции мономеров водородной связью с водой, для динуклеотидов и полинуклеотидов впервые через спектры возбуждения люминесценции обнаружены спектры поглощения экситонного типа с большим давыдовским расщеплением. Полученные результаты позволили В.Л. Рапопорту обосновать новую экситон-эксимерную модель первичных фотопроцессов в ДНК вместо общепринятой эксимерной.

В группе была собрана установка для регистрации Штарк-спектров молекул красителей и нуклеиновых оснований в спектральной области 220-650 нм. С её помощью впервые были получены данные о поляризуемости и дипольных моментах возбуждённых состояний нуклеиновых оснований. Эта работа сопровождалась квантовыми расчётами, которые дали результаты, близкие к экспериментальным.

В 1991 г. В.Л. Рапопорт обосновал применимость ДНК для записи информации фотохимическим способом на основе обратимой фотодимеризации тимина, которая приводит к изменению его спектра поглощения. Использование биомолекул для записи информации является одним из перспективных направлений в молекулярной электронике. Экспериментальные исследования обратимой фотодимеризации тимина в слоях на кварце в последнее время ведутся В.Л. Рапопортом и В.М. Малкиным.

В последние годы начаты работы в новом направлении: моделирование первичных стадий молекулярной эволюции. Изучается самосборка стопок нуклеиновых оснований и нуклеотидов, что моделирует образование первичных биополимеров и самозарождение жизни. Люминесцентным методом обнаружены стопочные димеры азотистых оснований (цитидин и аденин) в воде, сохраняющиеся даже при 90 °С, когда рвутся уотсон-криковские связи (В.Л. Рапопорт, С.В. Зорина, С.М. Комаров). Эти димеры можно рассматривать как первые биополимеры (про-РНК). Предложена схема размножения этих димеров при чередовании циклов нагрева и охлаждения. Результаты этих работ были доложены на двух европейских конференциях в 1995 г.

Работа ведётся в контакте с кафедрами генетики и квантовой химии СПбГУ, институтом Молекулярной биологии РАН (Москва), Центром фотохимии (Москва), НЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова", Международным Сольвеевским институтом физики и химии (Брюссель, Бельгия).

Студенты принимают активное участие в исследованиях. Результаты, полученные в дипломных работах, публикуются в ведущих отечественных и зарубежных журналах, докладываются на международных конференциях. При выполнении дипломных работ студенты осваивают различные спектральные методики, поэтому выпускники группы могут работать в области молекулярной биофизики, молекулярной спектроскопии и фотохимии.