Ученые ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» (ИЦиГ СО РАН) и Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) провели серию экспериментов по облучению термофильных (живущих при относительно высоких температурах – от 45°С) микроорганизмов мощным терагерцовым излучением. Ранее аналогичные исследования проводились на бактерии E.Coli (кишечной палочке). Сравнив полученные результаты, специалисты пришли к выводу, что, несмотря на существенные различия в геноме, а также в строении клеток, в обоих случаях ТГц-излучение запускает похожие процессы. При этом степень влияния на термофильные организмы в целом оказывается ниже – прежде всего за счет их термоустойчивости. Данные исследования необходимы для понимания механизмов воздействия электромагнитных волн терагерцового диапазона на живые организмы. Эксперименты проводились на уникальной научной установке «Новосибирский лазер на свободных электронах» (Новосибирский ЛСЭ). Результаты представлены в сборнике научных трудов VI съезда биофизиков России (том 2).
Работы по изучению влияния терагерцового излучения на различные микроорганизмы ИЦиГ СО РАН проводит уже довольно давно. Сначала объектом исследований стала широко изученная бактерия E.Coli (кишечная палочка). Тогда эксперименты показали, что кроме ожидаемых температурных эффектов, под воздействием ТГц-излучения живые объекты дают еще и специфические ответы различных генетических систем. Для того, чтобы подробнее изучить эти ответы, требовался объект, более устойчивый к воздействию высоких температур – ученые выбрали новый термофильный микроорганизм, который способен 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.
«На этапе работ с E.Coli, мы составили для нее 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. Прежде всего, задействованы энергетические компоненты, которые отвечают за транспортировку протонов и электронов в клетках».
По словам Сергея Пельтека, специфический стрессовый ответ на влияние излучения у организмов может быть разным, как пример, бактерия E.Coli формируют его в виде защитных пленок. В то же время, ответ Geobacillus icigianus, который имеет другую клеточную структуру и более устойчив к воздействию внешних факторов, будет другим. Но в обоих случаях наверняка будут задействованы энергетические системы клеток. Цель дальнейших исследований ученых – более детальное изучение и сравнение различных клеточных реакций. Все это необходимо для того, чтобы лучше понять механизм воздействия терагерцового излучения на живые организмы.
«Для проведения биологических исследований c использованием терагерцового излучения Лазера на свободных электронах в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения (ЦКП СЦСТИ) оборудована специальная экспериментальная станция, которая позволяет проводить безопасные 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.
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.