Ученые «Курчатовского геномного центра ИЦиГ СО РАН» Федерального исследовательского центра Института цитологии и генетики СО РАН (ФИЦ ИЦиГ СО РАН) установили, что в результате воздействия терагерцового излучения на бактерии E.coli происходит изменение активности целых систем генов, которые связаны с агрегацией клеток, клеточной подвижностью, подавляется деление клеток, по-другому ведут себя клеточные мембраны. Эксперименты проводились на Новосибирском лазере на свободных электронах (ЛСЭ) Сибирского центра синхротронного и терагецового излучения (СЦСТИ) Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН). Результаты опубликованы в высокорейтинговом журнале Scientific Reports.
Генерация и применение электромагнитного излучения ТГц диапазона частот стало быстро развиваться с конца прошлого века. Однако исследования его влияния на биологические объекты составляют малую часть от общего числа научных работ в этой области. Между тем, ТГц излучение от естественных источников почти полностью поглощается атмосферой, и эволюция организмов в биосфере Земли происходила при почти полном отсутствии воздействия этого типа излучения.
Поэтому именно генетические и другие биологические исследования оказываются важными для адекватной оценки биобезопасности технологий, основанных на терагерцовом излучении. Дать ответ на этот вопрос невозможно без знания характера и параметров его воздействия на живые организмы на самых разных уровнях, включая генетический.
Именно такую работу проводит коллектив ученых ФИЦ ИЦиГ СО РАН и ИЯФ СО РАН, подвергая живые системы различного уровня организации воздействию мощного терагерцового излучения с помощью уникальной научной установки «Новосибирский лазер на свободных электронах», а потом оценивая – какие изменения это вызвало в системах, контролируемых геномом.
В новом исследовании, результаты которого опубликованы в Scientific Reports, изучались последствия воздействия электромагнитных волн ТГц диапазона на бактерии E. coli на молекулярно-генетическом и клеточном уровнях.
«В результате воздействия излучения целый ряд значимых для жизнедеятельности клеток процессов начинает протекать иначе. В своей работе мы показали, что происходит изменение активности целых систем генов, которые связаны с агрегацией клеток, клеточной подвижностью, подавляют деление клеток, по-другому ведут себя клеточные мембраны», – рассказал главный научный сотрудник ИЦиГ СО РАН, к.б.н. Сергей Пельтек.
Эксперименты на пользовательской станции ЛСЭ длились около года и включали в себя несколько сеансов облучения клеток по 15 минут. «Для проведения биологических исследований c использованием терагерцового излучения лазера на свободных электронах оборудована специальная экспериментальная станция, которая позволяет проводить работы с живыми объектами, - рассказывает координатор работ пользователей Новосибирского ЛСЭ, старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Василий Попик. - Оборудование рабочей станции позволяет регулировать и контролировать интенсивность, и равномерность облучения биологических образцов, а также их температуру - с точностью до нескольких сотых градуса. Все это обеспечивает повторяемость экспериментов с живыми объектами. Сотрудничество с Институтом цитологии и генетики СО РАН продолжается уже более 15 лет, и помимо E. coli, с помощью Новосибирского ЛСЭ изучаются и другие биологические объекты».
Новосибирский ЛСЭ – уникальная научная установка (УНУ), построенная на базе специального ускорителя-рекуператора. Лазер терагерцового диапазона – один из трёх ЛСЭ, входящих в состав УНУ. Его запуск состоялся ещё в 2003 году. Этот ЛСЭ использует электроны с энергией 12 МэВ и даёт излучение с длиной волны, плавно перестраиваемой в диапазоне от 90 до 340 микрон, и средней мощностью до 0,5 кВт, что является мировым рекордом средней мощности монохроматического излучения в этом диапазоне. Второй лазер, запущенный в 2009 году, использует электронные пучки с энергией 22 МэВ, а его излучение находится уже в инфракрасном диапазоне (длины волн от 35 до 80 микрон). Третий лазер, запущенный в 2015 году, работает на энергии 42 МэВ в диапазоне от 5 до 15 мкм. Излучение всех лазеров выводится в один оптический канал - это дает возможность использовать его на одних и тех же станциях, однако наибольшей популярностью в настоящее время пользуется именно терагерцовый лазер. Каждый из трех лазеров позволяет менять длину волны и мощность излучения, в зависимости от пожелания пользователей - химиков, физиков и биологов.
Работа поддержана «Курчатовским геномным центром ИЦиГ СО РАН» (№ 075-15-2019-1662) и проектом Министерства науки и высшего образования (№ 0259-2021-0010).
Подготовлено ИЦиГ СО РАН и ИЯФ СО РАН.