Исследование влияния электромагнитного излучения терагерцового диапазона на протеом экстремофильной археи Halorubrum saccharovorum

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.

1. 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.

2. 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)

3. 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)

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Fröhlich H. What are non-thermal electric biological effects? Bioelectromagnetics. 1982;3(1):45-46.

9. 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)

10. 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. https://doi.org/10.1093/nar/gkv1194.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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)

15. 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)

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. Weightman P. Prospects for the study of biological systems with high power sources of terahertz radiation. Phys. Biol. 2012;9:053001.

20. 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.