vavilovВавиловский журнал генетики и селекцииVavilov Journal of Genetics and Breeding2500-3259Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS10.18699/VJ16.205vavilov-863Research ArticleЭкспериментальная системная биологияExperimental systems biologyИсследование влияния электромагнитного излучения терагерцового диапазона на протеом экстремофильной археи Halorubrum saccharovorumThe impact of terahertz radiation on an extremophilic archaean Halorubrum saccharovorum proteomeГорячковскаяТ. Н.GoryachkovskayaT. N.

Новосибирск, Россия

Novosibirsk, Russia

tanago@bionet.nsc.ruКонстантиноваС. Г.KonstantinovaS. H.

Новосибирск, Россия

Novosibirsk, Russia

МещеряковаИ. А.MeshcheriakovaI. A.

Новосибирск, Россия

Novosibirsk, Russia

БанниковаС. В.BannikovaS. V.

Новосибирск, Россия

Novosibirsk, Russia

ДемидовЕ. А.DemidovE. A.

Новосибирск, Россия

Novosibirsk, Russia

БрянскаяА. В.BryanskayaA. V.

Новосибирск, Россия

Novosibirsk, Russia

ЩегловМ. А.ScheglovM. A.

Новосибирск, Россия

Novosibirsk, Russia

СеменовА. И.SemenovA. I.

Новосибирск, Россия

Novosibirsk, Russia

ОщепковД. Ю.OshchepkovD. Yu.

Новосибирск, Россия

Novosibirsk, Russia

ПопикВ. М.PopikV. M.

Новосибирск, Россия

Novosibirsk, Russia

ПельтекС. Е.PeltekS. E.

Новосибирск, Россия

Novosibirsk, Russia

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук»РоссияInstitute of Cytology and Genetics SB RASRussian FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наукРоссияBudker Institute of Nuclear Physics SB RASRussian Federation201602022017206869875Copyright © Горячковская Т.Н., Константинова С.Г., Мещерякова И.А., Банникова С.В., Демидов Е.А., Брянская А.В., Щеглов М.А., Семенов А.И., Ощепков Д.Ю., Попик В.М., Пельтек С.Е., 20172017Горячковская Т.Н., Константинова С.Г., Мещерякова И.А., Банникова С.В., Демидов Е.А., Брянская А.В., Щеглов М.А., Семенов А.И., Ощепков Д.Ю., Попик В.М., Пельтек С.Е.Goryachkovskaya T.N., Konstantinova S.H., Meshcheriakova I.A., Bannikova S.V., Demidov E.A., Bryanskaya A.V., Scheglov M.A., Semenov A.I., Oshchepkov D.Y., Popik V.M., Peltek S.E.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/863

В последние десятилетия в связи с появлением новых источников терагерцового излучения и разработкой приборов на его основе проводятся исследования воздействия излучения этого диапазона на живые объекты. Использование терагерцового излучения в системах безопасности контроля и досмотра, диагностическом медицинском оборудовании и научных исследованиях теоретически обусловлено малой энергией кванта этого излучения, не вызывающей негативных последствий при контакте с живыми системами, как это происходит при применении излучения более высокоэнергетичных диапазонов. В этой связи изучение эффектов нетермического воздействия терагерцового излучения на живые объекты представляет актуальную задачу. Целью настоящей работы была идентификация комплекса белков, участвующих в ответе клеток археи Halorubrum saccharovorum H3, выделенной из природной экстремальной среды обитания, на электромагнитное излучение терагерцового диапазона. Для облучения терагерцовым излучением бактериальных и архейных культур нами разработана микрофлюидная система. Проведено 5-часовое облучение галофильной термостабильной археи H. saccharovorum терагерцовым излучением с длиной волны 130 мкм при плотности мощности излучения 0.8 Вт/см2. Методами протеомного анализа, включающими двумерный электрофорез с последующей MALDI-TOF масс-спектрометрией, проведена идентификация белков, изменяющих уровень экспрессии в результате нетермического воздействия терагерцового излучения. Выявлено 16 белковых фракций, которые достоверно различаются по уровню концентрации белка (более чем в полтора раза). Полученные данные свидетельствуют о том, что клетки Halorubrum реагируют на нетермическое воздействие терагерцового излучения путем изменения экспрессии генов, контролирующих регуляцию системы трансляции.

Nonthermal effects of terahertz radiation on living objects are currently intensely studied, as more sources of this radiation type and devices employing it are being constructed. Terahertz radiation is increasingly used in security and inspection systems, medical and scientific appliances due to its low quant energy, which does not cause severe effects on organisms as other radiation types with higher quant energies do. The aim of this study was the identification of protein complexes participating in the response of the archaea Halorubrum saccharovorum H3 isolated from an extreme natural environment to terahertz radiation. We developed a microfluidic system for irradiation of bacterial and archaeal cultures with terahertz radiation and performed a 5-hour-long exposure of H. saccharovorum to terahertz radiation at a wavelength of 130 μm and a power density of 0.8 Wt per cm2 for 5 h. We identified under- or overexpressed proteins in response to terahertz radiation using 2D electrophoresis with subsequent MALDI-TOF mass spectrometry. A total of 16 differentially expressed protein fractions with at least 1.5-fold changes in expression level were detected. The obtained data suggest that Halorubrum cells respond to exposure to terahertz radiation by expression changes in gene products involved in translation regulation.

лазер на свободных электронахтерагерцовое излучениемикрофлюидная системагалофильная термостабильная архея.free electron laserterahertz radiationmicrofluidic systemhalophilic thermotolerant archaea.ReferencesAbu-Qarn M., Eichler J., Sharon N. Not just for Eukarya anymore: protein glycosylation in Bacteria and Archaea. Curr. Opin. Struct. Biol. 2008;18:544-550.Abu-Qarn M., Eichler J., Sharon N. Not just for Eukarya anymore: protein glycosylation in Bacteria and Archaea. Curr. Opin. Struct. Biol. 2008;18:544-550.Betskiy O.V. On the mechanisms of the interaction between low-intensity millimeter waves and biologic objects. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Radiofizika = News of Institutes of Higher Education. Radiophysics. 1994;37:30-41. (in Russian)Betskiy O.V. On the mechanisms of the interaction between low-intensity millimeter waves and biologic objects. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Radiofizika = News of Institutes of Higher Education. Radiophysics. 1994;37:30-41. (in Russian)Betskiy O.V., Lebedeva N.N. Present-day notions of the action of lowintensity millimeter waves on biologic objects. Millimetrovye volny v biologii i meditsine = Millimeter waves in biology and medicine. 2001;24:5-19. (in Russian)Betskiy O.V., Lebedeva N.N. Present-day notions of the action of lowintensity millimeter waves on biologic objects. Millimetrovye volny v biologii i meditsine = Millimeter waves in biology and medicine. 2001;24:5-19. (in Russian)Bogomazova A.N., Vassina E.M., Goryachkovskaya T.N., Popik V.M., Sokolov A.S., Kolchanov N.A., Lagarkova M.A., Kiselev S.L., Peltek S.E. No DNA damage response and negligible genome-wide transcriptional changes in human embryonic stem cells exposed to terahertz radiation. Sci. Rep. 2015;5:7749.Bogomazova A.N., Vassina E.M., Goryachkovskaya T.N., Popik V.M., Sokolov A.S., Kolchanov N.A., Lagarkova M.A., Kiselev S.L., Peltek S.E. No DNA damage response and negligible genome-wide transcriptional changes in human embryonic stem cells exposed to terahertz radiation. Sci. Rep. 2015;5:7749.Cho C.-W., Lee S.-H., Choi J., Park S.-J., Ha D.-J., Kim H.-J., Kim C.- W. Improvement of the two-dimensional gel electrophoresis analysis for the proteome study of Halobacterium salinarum. Proteomics. 2003;3:2325-2329.Cho C.-W., Lee S.-H., Choi J., Park S.-J., Ha D.-J., Kim H.-J., Kim C.- W. Improvement of the two-dimensional gel electrophoresis analysis for the proteome study of Halobacterium salinarum. Proteomics. 2003;3:2325-2329.Demidova E.V., Goryachkovskaya T.N., Malup T.K., Bannikova S.V., Semenov A.I., Vinokurov N.A., Kolchanov N.A., Popik V.M., Peltek S.E. Studying the non-thermal effects of terahertz radiation on E. coli/pKatG-GFP biosensor cells. Bioelectromagnetics. 2013;34: 15-21.Demidova E.V., Goryachkovskaya T.N., Malup T.K., Bannikova S.V., Semenov A.I., Vinokurov N.A., Kolchanov N.A., Popik V.M., Peltek S.E. Studying the non-thermal effects of terahertz radiation on E. coli/pKatG-GFP biosensor cells. Bioelectromagnetics. 2013;34: 15-21.Demidova E.V., Goryachkovskaya T.N., Mescheryakova I.A. Malup T.K., Semenov A.I., Vinokurov N.A., Kolchanov N.A., Popik V.M., Peltek S.E. Impact of terahertz radiation on stress-sensitive genes of E. coli cell. IEEE Transact. Terahertz Sci. Technol. 2016;6(3):435- 441.Demidova E.V., Goryachkovskaya T.N., Mescheryakova I.A. Malup T.K., Semenov A.I., Vinokurov N.A., Kolchanov N.A., Popik V.M., Peltek S.E. Impact of terahertz radiation on stress-sensitive genes of E. coli cell. IEEE Transact. Terahertz Sci. Technol. 2016;6(3):435- 441.Fröhlich H. What are non-thermal electric biological effects? Bioelectromagnetics. 1982;3(1):45-46.Fröhlich H. What are non-thermal electric biological effects? Bioelectromagnetics. 1982;3(1):45-46.Gapeev A.B., Chemeris N.K. The model-based approach to the analysis of the action of modulated electromagnetic radiation on animal cells. Biofizika = Biophysics. 2000;45:299-312. (in Russian)Gapeev A.B., Chemeris N.K. The model-based approach to the analysis of the action of modulated electromagnetic radiation on animal cells. Biofizika = Biophysics. 2000;45:299-312. (in Russian)Mi H., Poudel S., Muruganujan A., Casagrande J.T., Thomas P.D. PANTHER version 10: expanded protein families and functions, and analysis tools. Nucl. Acids Res. 2016;44:D336- D342. DOI 10.1093/nar/gkv1194.Mi H., Poudel S., Muruganujan A., Casagrande J.T., Thomas P.D. PANTHER version 10: expanded protein families and functions, and analysis tools. Nucl. Acids Res. 2016;44:D336- D342. DOI 10.1093/nar/gkv1194.Kandiba L., Aitio O., Helin J., Guan Z., Permi P., Bamford D.H., Eichler J., Roine E. Diversity in prokaryotic glycosylation: an archaeal- derived N-linked glycan contains legionaminic acid. Mol. Microbiol. 2013;84:578-593.Kandiba L., Aitio O., Helin J., Guan Z., Permi P., Bamford D.H., Eichler J., Roine E. Diversity in prokaryotic glycosylation: an archaeal- derived N-linked glycan contains legionaminic acid. Mol. Microbiol. 2013;84:578-593.Kulipanov G.N., Bagryanskaya E.G., Chesnokov E.N., Choporova Yu. Yu., Gerasimov V.V., Getmanov Ya.V., Kiselev S.L., Knyazev B.A., Kubarev V.V., Peltek S.E., Popik V.M., Salikova T.V., Scheglov M.A., Seredniakov S.S., Shevchenko O.A., Skrinsky A.N., Veber S.L., Vinokurov N.A. Novosibirsk Free Electron Laser – facility description and recent experiments. IEEE Transact. Terahertz Sci. Technol.2015;5:798-809.Kulipanov G.N., Bagryanskaya E.G., Chesnokov E.N., Choporova Yu. Yu., Gerasimov V.V., Getmanov Ya.V., Kiselev S.L., Knyazev B.A., Kubarev V.V., Peltek S.E., Popik V.M., Salikova T.V., Scheglov M.A., Seredniakov S.S., Shevchenko O.A., Skrinsky A.N., Veber S.L., Vinokurov N.A. Novosibirsk Free Electron Laser – facility description and recent experiments. IEEE Transact. Terahertz Sci. Technol.2015;5:798-809.Kulipanov G.N., Gavrilov N.G., Knyazev B.A., Kolobanov E.I., Kotenkov V.V., Kubarev V.V., Matveenko A.N., Medvedev L.E., Miginsky S.V., Mironenko L.A., Ovchar V.K., Popik V.M., Salikova T.V., Scheglov M.A., Serednyakov S.S., Shevchenko O.A., Skrinsky A.N., Tcheskidov V.G., Vinokurov N.A. Research highlights from the Novosibirsk 400 W average power THz FEL. Terahertz Sci. Technol. 2008;1(2):107-125.Kulipanov G.N., Gavrilov N.G., Knyazev B.A., Kolobanov E.I., Kotenkov V.V., Kubarev V.V., Matveenko A.N., Medvedev L.E., Miginsky S.V., Mironenko L.A., Ovchar V.K., Popik V.M., Salikova T.V., Scheglov M.A., Serednyakov S.S., Shevchenko O.A., Skrinsky A.N., Tcheskidov V.G., Vinokurov N.A. Research highlights from the Novosibirsk 400 W average power THz FEL. Terahertz Sci. Technol. 2008;1(2):107-125.Kuryshev G.L., Kovchantsev A.P., Vainer B.G. Medical thermal imager based on matrix photodetector 128 × 128 operating in the spectral range 2.8–3.05 μm. Avtometriya. 1998;4:5-12. (in Russian)Kuryshev G.L., Kovchantsev A.P., Vainer B.G. Medical thermal imager based on matrix photodetector 128 × 128 operating in the spectral range 2.8–3.05 μm. Avtometriya. 1998;4:5-12. (in Russian)Leonova G.A., Bogush A.A., Bobrov V.A., Bychinskiy V.A., Trofimova L.B., Malikov Yu.I. Ecogeochemical assessment of salt lakes of Altai Kray. Geografiya i prirodnye resursy = Geography and Natural Resources. 2007;1:51-59. (in Russian)Leonova G.A., Bogush A.A., Bobrov V.A., Bychinskiy V.A., Trofimova L.B., Malikov Yu.I. Ecogeochemical assessment of salt lakes of Altai Kray. Geografiya i prirodnye resursy = Geography and Natural Resources. 2007;1:51-59. (in Russian)Rozanov A.S., Bryanskaya A.V., Malup T.K., Kotenko A.V., Peltek S.E. Draft genome sequence of a Halorubrum H3 strain isolated from the Burlinskoye salt lake (Altai Krai, Russia). Genome Announc. 2015;3(3):e00566-15.Rozanov A.S., Bryanskaya A.V., Malup T.K., Kotenko A.V., Peltek S.E. Draft genome sequence of a Halorubrum H3 strain isolated from the Burlinskoye salt lake (Altai Krai, Russia). Genome Announc. 2015;3(3):e00566-15.Schäffer C., Messner P. Surface-layer glycoproteins: an example for the diversity of bacterial glycosylation with promising impacts on nanobiotechnology. Glycobiology. 2004;14:31R- 42R.Schäffer C., Messner P. Surface-layer glycoproteins: an example for the diversity of bacterial glycosylation with promising impacts on nanobiotechnology. Glycobiology. 2004;14:31R- 42R.Sergeeva S., Demidova E., Sinitsyna O., Goryachkovskaya T., Bryanskaya A., Semenov A., Meshcheryakova I., Dianov G., Popik V., Peltek S. 2.3 THz radiation: Absence of genotoxicity/mutagenicity in Escherichia coli and Salmonella typhimurium. Mutat. Res. Genet. Toxicol. Environ. Mutagen. 2016;803-804:34-38.Sergeeva S., Demidova E., Sinitsyna O., Goryachkovskaya T., Bryanskaya A., Semenov A., Meshcheryakova I., Dianov G., Popik V., Peltek S. 2.3 THz radiation: Absence of genotoxicity/mutagenicity in Escherichia coli and Salmonella typhimurium. Mutat. Res. Genet. Toxicol. Environ. Mutagen. 2016;803-804:34-38.Weightman P. Prospects for the study of biological systems with high power sources of terahertz radiation. Phys. Biol. 2012;9:053001.Weightman P. Prospects for the study of biological systems with high power sources of terahertz radiation. Phys. Biol. 2012;9:053001.Wilmink G.J., Grundt J.E. Invited review article: Current state of research on biological effects of terahertz radiation. J. Infrared Milli. Terahz. Waves. 2011;32:1074-1122.Wilmink G.J., Grundt J.E. Invited review article: Current state of research on biological effects of terahertz radiation. J. Infrared Milli. Terahz. Waves. 2011;32:1074-1122.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.