«Где есть жизнь, там есть и микробы», – писал американский микробиолог Карл Ричард Вёзе, создатель молекулярной филогенетики и первооткрыватель архей (одноклеточные микроорганизмы, не имеющие ядра). Микроорганизмы обитают во всех средах, в любой точке мира. И одним из мест их обитания, причем красивейшим, служит камчатская Долина гейзеров. Гейзеры – явление настолько же красивое, насколько и редкое. Помимо Камчатки крупные гейзеры есть только в Исландии, Иеллоустонском парке США и Новой Зеландии, небольшие – в Калифорнии, Японии и на Тибете.
Бактерии, живущие в гейзерах Камчатки, относятся к древним термофильным микроорганизмам и способны выживать при температурах в 60-80 °С. Поэтому именно они являются практически идеальным объектом для изучения воздействия на живые организмы электромагнитных волн терагерцового диапазона.
Ученые Федерального исследовательского центра «Институт цитологии и генетики СО РАН» (ИЦиГ СО РАН) и Института ядерной физики СО РАН (ИЯФ СО РАН) провели серию экспериментов по облучению термофильных микроорганизмов мощным терагерцовым излучением. Эксперименты проводились на уникальной научной установке – лазере на свободных электронах (ЛСЭ). В отличие от обычных лазеров ЛСЭ могут генерировать электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от 0,1 нм (рентгеновское излучение) до 1 мм, что открывает широкие возможности для их применения в химии, биологии, физике твердого тела. Лазер на свободных электронах представляет собой сложный источник излучения, начинающийся с так называемой «электронной пушки» (упрощенный аналог такой пушки – электронно-лучевая трубка телевизоров прежних поколений). Генерируемые там электроны после ускорения до нужной энергии проходят сквозь ряд расположенных специальным образом магнитов – ондулятор, заставляющий электроны двигаться по синусоидальной траектории, где происходит преобразование части энергии электронного потока в свет.
Лазер терагерцового диапазона – один из трех ЛСЭ, входящих в состав установки, построенной в ИЯФ СО РАН. Этот ЛСЭ, запущенный в 2003 году, использует электроны с энергией 12 МэВ и дает 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 таком 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 предпочтений пользователей – химиков, физиков и биологов.
Для проведения биологических исследований c использованием терагерцового излучения ЛСЭ в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения (ЦКП СЦСТИ) оборудована специальная экспериментальная станция, которая позволяет проводить безопасные работы с живыми объектами. С помощью специального оборудования регулируются и контролируются интенсивность и равномерность облучения биологических образцов, а также их температура – с точностью до нескольких сотых градуса, что обеспечивает повторяемость экспериментов с живыми объектами.
Надо сказать, сотрудники ИЦиГ СО РАН давно используют преимущества экспериментальной станции. Сначала объектом исследований стала любимица генных инженеров Escherichia coli (попросту – кишечная палочка), которой шутники-микробиологи предлагают поставить памятник в натуральную величину. Первые эксперименты показали, что кроме ожидаемых температурных эффектов под воздействием терагерцового излучения живые объекты дают еще и специфические ответы различных генетических систем.
– На этапе работ с E.coli мы составили подробные карты экспрессии (активности) генов в ответ на однократное воздействие ТГц-излучением, – рассказывает заместитель директора ИЦиГ СО РАН, кандидат биологических наук Сергей Пельтек. – Затем мы выдвинули гипотезу о том, что в разных организмах, геномы и свойства которых довольно сильно отличаются друг от друга, регистрируется изменение экспрессии похожих белков. В процессе в первую очередь задействованы энергетические компоненты, которые отвечают за транспортировку протонов и электронов в клетках.
Чтобы подробнее изучить ответы генетических систем на излучение, требовался объект, более устойчивый к воздействию высоких температур, чем кишечная палочка. Биологи выбрали новый термофильный микроорганизм, способный вести жизнедеятельность при температурах 50-80 °С. Специалисты выделили его из образцов микробных сообществ, отобранных во время экспедиционных работ в зонах геотермальной активности Камчатки и Прибайкалья. Новый штамм был назван Geobacillus icigianus – в честь ИЦиГ СО РАН.
Облучив новый штамм и сравнив полученные результаты, специалисты пришли к выводу, что, несмотря на существенные различия в геноме и в строении клеток, в обоих случаях терагерцовое излучение запускает похожие процессы. При этом степень влияния на термофильные организмы в целом оказывается ниже – прежде всего за счет их термоустойчивости. По словам С.Пельтека, специфический стрессовый ответ на влияние излучения у микроорганизмов может быть разным. Кишечная палочка, например, формирует защитные пленки. Geobacillus icigianus более устойчив к воздействию внешних факторов и имеет другую клеточную структуру, так что его реакция отличается. Но в обоих случаях в ответе микроорганизмов наверняка будут задействованы энергетические системы клеток. Цель дальнейших исследований – более детальное изучение и сравнение различных клеточных реакций. Это необходимо, чтобы лучше понять механизм воздействия электромагнитных волн терагерцового диапазона на живые организмы.
Источник: https://www.poisknews.ru/themes/genetics/zakalennye-gejzerom-bakteriyam-s-kamchatki-ne-strashno-dazhe-teragerczovoe-izluchenie/
