Основная информация по исследованиям

Известно, что возбужденная ДНК испускает СВЧ[5]-волны . Было сделано предположение, что ДНК, обладающая собственной частотой крутильных колебаний в СВЧ-диапазоне, способна и поглощать СВЧ-излучение на резонансной частоте. Следующее предположение состояло в том, что резонансное воздействие ЭМП СВЧ на ДНК может привести к нарушению подготовки клетки к митозу и ее гибели.

Следовательно, имея данные о ДНК клеток, можно, воздействуя ЭМП СВЧ собственных частот ДНК, тормозить развитие бактерий, или вовсе привести к их полной гибели. Проверить данную гипотезу предлагалось путем воздействия СВЧ-излучения различных частот на простейшие микроорганизмы.

В опытах было исследовано воздействие СВЧ в диапазоне от 8,82 до 10,4 ГГц при плотности потока мощности 0,2 мВт/см2 на клетки мутантного штамма E. colihcr’ exr’ и дикого штамма E. coli WP2. Авторы получили достоверное снижение выживаемости E. colihcr’ exr’ более чем на 50% при экспозиции 150 мин. на частоте 10,14 ГГц (рис. 1).

Рисунок 2: Зависимость выживаемости E. colihcr’ exr’ от времени экспозиции

При проведении экспериментов с диким штаммом достоверного изменения выживаемости выявлено не было. Авторы объясняют это тем, что у дикого штамма системы репарации не нарушены, при наличии повреждений они активируются, и, вероятно, происходит компенсация повреждений за счет ускорения процесса метаболизма.

Если же принять, что выживаемость снижается именно из-за действия СВЧ на ДНК, то отрицательный результат с диким штаммом может объясняться двумя факторами: во-первых, авторы либо обошли резонансную частоту, либо ее не достигли. Во-вторых, кольцевая ДНК кишечной палочки сверхспирализуется (суперспирализуется). Перед репликацией ДНК клетка разворачивает сверхспираль, в том числе для того, чтобы «проверить» целостность макромолекулы, налипло ли на ней что-либо ненужное и т.п. Если ДНК повреждена, клетка «откладывает» деление и залечивает ДНК. Если же начинает действовать ЭМП СВЧ, ДНК начинает сворачиваться обратно в сверхспираль. Таким образом, СВЧ препятствует разведению сверхспирали, репликация задерживается, и клетка откладывает деление до лучших времен. Откладывать деление бесконечно невозможно, потому клетка погибает после некоторого характерного времени, превышающего время деления. Следовательно, нужно: а) увеличить время экспозиции, б) найти резонансную частоту.

ДНК E. coli – кольцевая, размножение происходит путем амитоза, морфологически сохраняется интерфазное состояние ядра, веретено деления не образуется, спирализации хроматина не происходит. Репликация ДНК предшествует делению и начинается в точке прикрепления кольцевой хромосомы к цитоплазматической мембране. При репликации кольцо ДНК разрывается, затем ДНК-лигаза сшивает новые кольца.

Методика, по которой выполнялась работа, из которой были взяты данные, (Работа выполнена для человеческого гнеома)

 

В свете вышесказанного очевидно, что элементарный расчет момента инерции молекулы ДНК относительно оси, проходящей по ее длине, исходя из координат атомов, даст ложный результат. Для упрощения системы предлагается ввести некую эффективную длину и рассчитать собственную частоту крутильных колебаний ДНК как упругого стержня. То, что ДНК при скручивании ведет себя именно как стержень.

Очевидно, что воздействие СВЧ ЭМП на диполи цепи ДНК, ввиду ее длины, имеет классический характер. Поэтому вместо уравнения Шредингера, чтобы получить выражение для собственной частоты, можно использовать лагранжев формализм. Уравнения Лагранжа имеют вид:

(1)

где L – функция Лагранжа системы с n степенями свободы, определяемая через кинетическую энергию Т и потенциальную энергию U следующим образом:

(2)

Здесь - векторы обобщенных координат и обобщенных скоростей соответственно.

Рассмотрим стержень с двумя дисками на концах. Такая модель соответствует закручиванию спирали ДНК. Обозначим жёсткость стержня на кручение через G; моменты инерции дисков относительно продольной оси системы – через J1 и J2. В качестве обобщённых координат принимаем углы поворотов дисков φ1 и φ2 относительно некоторого начального положения, в котором стержень не закручен. Функция Лагранжа (2) для рассматриваемой модели примет вид

. (3)

Подставляя (3) в (1), получим систему дифференциальных уравнений:

(4)

Решение системы (4) ищется в виде

(5)

Подстановка (5) в уравнения (4) приводит к однородной системе алгебраических уравнений для определения коэффициентов , которая имеет решения только при определенных значениях частоты ω. Последняя должна определяться из условия

(6)

Биквадратное уравнение (6) имеет решения:

(7)

Нулевая частота в силу вырожденности системы соответствует решению, которое описывает равномерное вращение всей системы как жёсткого целого (без закручивания стержня). Второе значение частоты в (7) и есть искомая собственная частота. Предполагая молекулу симметричной, т.е. полагая , окончательно получим для линейной частоты выражение, аналогичное выражению для частоты крутильных колебаний пружинного маятника

, (8)

где J - момент инерции спирали ДНК относительно оси, проходящей через центры ее витков. Из формулы (8) следует чрезвычайно важный для последующих рассуждений вывод. Дело в том, что величина J пропорциональна длине молекулы, т.е. пропорциональна числу пар нуклеотидов N. Таким образом, резонансная частота ЭМП должна быть обратно пропорциональна корню квадратному из N:

. (9)

Или

, (10)

где коэффициент k, через который можно найти коэффициент жесткости ДНК для крутильных колебаний, определяется эмпирически. Это общая формула для частоты крутильных колебаний любых ДНК.

В работе был проведен анализ графиков, полученных в предыдущих опытах, который позволил установить следующее: на временах экспозиции до 60 мин. изменение выживаемости незначительно для всех частот. Однако при временах от 90 до 150 мин. максимальная ингибирующая эффективность облучающего воздействия (минимум выживаемости) достигается при частоте 10,14 ГГц, при дальнейшем увеличении частоты наблюдается рост выживаемости.

Рисунок 3: Зависимость выживаемости E. colihcr’ exr’ от частоты ЭМП при различных временах экспозиции

Этот факт и указывает на резонансный характер действия СВЧ.

По формуле (10) можно оценить значения резонансных частот молекул ДНК человека, если известна величина коэффициента k. Для штамма, исследованного в исследованиях других лабораторий, число пар нуклеотидов примерно 4,6 млн, а экспериментально установленная резонансная частота равна 10,14 ГГц. Подставляя эти числа в формулу (10), находим значение эмпирического коэффициента k:

. (11)

Таблица 2: Оценочные значения некоторых молекул ДНК человека

Тип хромосомы	2 Nh	Оценка резонансной частоты ДНК, ГГц
Y-хромосома	59 373 566	4,00
Х-хромосома	155 270 560	2,46
1-я хромосома	249 250 621	1,91
6-я хромосома	171 115 246	2,37

 

Для проверки работоспособности предложенного метода облучению ЭМП СВЧ был подвергнут штамм E. сoli АТСС 25922 (Приложение 1), количество пар нуклеотидов в котором больше, чем в штамме E. colihcr’ exr’. В ДНК АТСС 25992 содержится 5 130 767 пар нуклеотидов, следовательно, в соответствии с (10), (11) резонансная частота ДНК для штамма АТСС 25992 должна составлять 9,6 ГГц. В качестве источника ЭМП СВЧ был использован генератор Г4-156 на диоде Ганна, обеспечивающий генерацию плоскопараллельных волн. Плотность потока мощности – нетепловая, не выше 2,5 мВт/см2 с потерями не более 20%. Время экспозиции – 180 мин. Пробирки изолировались черной бумагой с отсутствием тяжелых металлов в черной краске, чтобы не экранировать СВЧ ЭМП. Температура окружающей среды контролировалась термометром и изменялась при проведении каждого опыта не более чем на 0,5 °С. В разные дни проведения экспериментов температура составляла от 19 до 24 °С. При обработке данных изменения температуры не учитывались. Результаты Результаты трех серий экспериментов изложены в сторонних опытах. Проведение дополнительных экспериментов позволило получить следующие уточненные данные (табл. 2, 3).

Таблица 3: Зависимость выживаемости штамма E. сoli 25922 АТСС от частот воздействующих на штам излучения

Частота, ГГц	9,2	9,4	9,6	9,8	10,0
КОЕ/1 мл, от начального числа, %	42,5 ± 54,7	60,0 ± 74,4	22,5 ± 31,8	70,5 ± 95,3	110,5 ± 82,6

 

Таблица 4: Зависимость выживаемости штамма E. сoli 25922 АТСС от комбенированного воздействия дневного света и СВЧ

Частота, ГГц	9,2	9,4	9,6	9,8	10,0
КОЕ/1 мл, от начального числа, %	72,0 ± 12,7	187 ± 236	76,5 ± 6,4	170 ± 89	134 ± 45

 

Отклонения от математических ожиданий получены стандартным образом, гауссово распределение данных содержится в рассчитанных интервалах с вероятностью Р = 0,95.

Видим, что на расчетной частоте 9,6 ГГц наблюдается резкое снижение выживаемости, значительно превышающее 50%. При экспозиции 120 мин. на той же частоте снижение выживаемости не наблюдалось.

Также был получен побочный результат – резкое увеличение числа микроорганизмов под воздействием дневного света в сравнении с культурами в защищенных от света пробирках. В опытах получено лишь незначительное повышение выживаемости при красном свете и отсутствие изменений при воздействии зеленого света. Авторы объясняют эффект повышения выживаемости тем, что при поглощении красного света молекулами супероксиддисмутазы может происходить изменение их активности. При облучении прокариотических клеток, а именно бактерий E. coli М17, фотоакцепторами могут служить терминальные ферменты дыхательных цепей. В работе же получено, что красный и синий свет снижают выживаемость E. coli.

---

Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 264; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!