Электромагнитные волны в миллиметровом диапазоне были освоены в 1965?1966 гг. Именно в эти годы в России под руководством акад. Н.Д. Девяткова и М.Б. Голанта были разработаны и стали серийно выпускаться генераторы на основе широкополосных ламп обратной волны. Ряд исследований показал эффективность использования электромагнитных полей низкой интенсивности в диапазоне 4,6–8,5 мм (КВЧ-излучение) для использования в биотехнологических процессах.
Проблема воздействия низкоинтенсивного КВЧ-излучения на живые организмы является частью общей проблемы воздействия слабых внешних факторов разной физической природы. Воздействие радиоволн КВЧ диапазона успешно изучается и применяется в исследовательской и практической медицине. Исследования проводились также на объектах биотехнологии, которые показывают большие перспективы [18].
Биотехнология сейчас определяется как промышленное использование биологических процессов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами. Например, установлена зависимость жизнедеятельности микроорганизмов от облучения миллиметровыми волнами.
Получаемые при облучении микроорганизмов эффекты в дальнейшем могут явиться основой новых методов получения вакцин, увеличения продуктивности методов получения антибиотиков [8].
Особенно использование КВЧ-излучения интересно тем, что по сравнению с химическими агентами оно не имеет побочных эффектов (аккумуляция метаболитов и образование новых биохимических цепочек в метаболизме организма).
Приложение КВЧ-излучения в производстве биофармацевтических препаратов
Исследование действия КВЧ-излучения на микроорганизмы показало, что оно оказывает влияние на морфологию клеток, процесс клеточного деления, ряд биологических свойств бактерий, скорость роста (выход биомассы), выход ферментов в среду. При этом отсутствовал мутагенный эффект [17].
Н.И. Синицыным установлено, что эти особенности воздействия КВЧ-излучения на водосодержащие среды, приводящие к появлению биологических эффектов, проявляются только в том случае, если водная среда структурирована. При ее отсутствии происходит лишь её обычный тепловой нагрев [15].
Исследования процессов клеточного деления микроорганизмов при воздействии ЭМИ показали, что это влияние сказывается лишь в узких полосах частот. А биологические эффекты облучения могут запоминаться организмами на длительное время [16].
В настоящее время основным, наиболее изученным и наиболее широко используемым объектом биофармацевтики является E. coli. В отношении данной бактерии выявлены стимуляция роста, возрастание устойчивости к деградации на длинах волн 5,6–7,2 [4].
Известно, что проводились исследования воздействия ЭМИ в промышленных условиях на Московском экспериментальном пивоваренном заводе ВНИИ безалкогольной промышленности и продуктов брожения совместно с биофаком МГУ им. М.В. Ломоносова и НПО «Исток» в конце 70-х и начале 80-х годов прошлого века [17]. Целью проведенных исследований было изучение возможности использования КВЧ-излучений на клетки дрожжей для интенсификации процесса пивоварения и улучшения качества получаемого продукта. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что облучение инокулята дрожжей миллиметровыми волнами приводит к интенсификации производственного процесса, улучшению вкусовых качеств и питательности пива, при этом сокращая длительность брожения, увеличивается флокуляционная способность, снижается количество диацетила и альдегидов (токсичные вещества), увеличивается содержание гликогенов, т.е. повышаются питательные свойства пива. Экспериментально были обнаружены еще два важных эффекта КВЧ-излучения: ослабление действия факторов, отрицательно влияющих на функции клеток, а также восстановление репрессированной различными способами биосинтетической активности дрожжевых культур (подобные результаты наблюдались при воздействии и на другие культуры). Эти данные говорят о повышении резистентности исследованных клеток к повреждающим факторам среды.
Это очень важное свойство КВЧ-излучения, так как при производстве пробиотиков, вакцин или других биофармацевтических продуктов культура используется многократно, т.е. применяется для нескольких циклов ферментации (причем, производственная генерация включает более 100 циклов размножения). В экспериментах было обнаружено еще одно очень важное свойство миллиметровых волн: оказалось, что возможно многократное использование однажды облученной культуры при сохранении ею высокой биосинтетической активности и сокращении длительности ферментации, т.е. имел место эффект пролонгации (более 70 циклов).
Свойства среды и эффекты под воздействием КВЧ-излучения
Известно, что КВЧ-излучение очень сильно поглощается водой. В работе [5] рассмотрено поглощение КВЧ-излучения в водных растворах без ограничения на их толщину и продемонстрирована возможность появления гидродинамической неустойчивости в виде термогравитационной конвекции. Также в работе [1] показано, что при облучении тонких слоев водных растворов (не более 2,0 мм) гидродинамическая неустойчивость имеет иной характер, при котором преимущественно имеет место термокапиллярный эффект [21]. При этом в тонком слое появляется градиент температуры, что не наблюдается в опытах, где облучаемые слои водных растворов более 2 мм. При облучении наблюдались нестационарные и колебательные течения даже при небольших уровнях плотности падающей мощности (5–10 мВт/см2). Появление градиента температуры в конечном счете влияет на поверхностное натяжение и, следовательно, вызывает движение жидкости в поверхностном слое [1]. Межфазная конвекция приводит к обогащению кислородом слоев воды и ускорению газообмена раствора с воздухом по всей границе раздела фаз при излучении низкой интенсивности (0,5 мВт/см2).
В работе [9] представлены данные о том что КВЧ-излучение мощностью более 0,2 мВт/см2 ускоряет биохимические реакции. Необходимо отметить, что эффект КВЧ-излучения наблюдался при всех исследованных длинах волн (4,0…7,1 мм).
При изучении влияния КВЧ-излучения на структурно-динамическое состояние модельных биомембран в работе [10] было выяснено, что если при 61,8 ГГц объем воды, ассоциированной с полярными группами фосфолипидов липосом, возрастает, то при 62,6 ГГц наблюдается обратная картина, свидетельствующая об уменьшении поверхностного водно-липидного слоя. Таким
образом, при облучении на частоте 61,8 ГГц происходит разрыхление (разупорядочивание) водного окружения фосфолипидов, а при 62,6 ГГц, наоборот, увеличение слоя пограничной воды. И в обоих случаях эти изменения происходят на фоне возрастающей, по сравнению с контролем, плотности упаковки фосфолипидных головок.
Механизмы воздействия ЭМИ
Механизм действия низкоинтенсивных излучений на клетки остается актуальной проблемой в современной молекулярной биологии и биофизике, тем не менее, экспериментальные и теоретические данные говорят в пользу того, что молекулы воды [2] и водные кластеры [12] являются важными при изучении влияния физических факторов на биологические объекты и являются первичным акцептором ЭМИ.
При комнатной температуре кванты КВЧ-излучения могут влиять, в основном, только на кинетическую энергию вращения полярных молекул (например, ДНК, РНК, белки, вода) [17], это означает, что КВЧ-излучение способно оказывать влияние на нативную агрегацию. Согласно В.В. Матвееву [23] нативная агрегация – это обратимая высокоспецифичная агрегация белков, находящаяся под генетическим контролем, в результате которой формируются временные структуры. Методологической основой данной гипотезы являются результаты исследований научных школ Д.Н. Насонова [11] и Г. Линга [20].
Смысл гипотезы в интерпретации воздействия КВЧ-излучения на живые объекты подразумевает, что в клетке под действием излучения образуются временные структуры, которые носят сигнальную функцию. Первопричиной любых функциональных изменений в клетке является появление в результате нативной агрегации сигнальных структур, непрерывно возникающих и распадающихся в процессе ее жизнедеятельности.
Сигнальные структуры могут обладать разнообразными свойствами: (1) могут быть центрами связывания ионов, молекул и белков; (2) могут обладать ферментативной активностью; (3) могут образовывать каналы и межклеточные контакты; (4) могут служить матрицей, организующей взаимодействие молекул в синтетических и транспортных процессах; (5) могут служить рецепторами сигнальных молекул; (6) могут служить основой для построения еще более сложных надмолекулярных структур. Эти структуры «вспыхивают» в пространстве клетки подобно сигнальным огням, выполняют свою роль и исчезают, чтобы появится вновь в другом месте и в другое время. Смысл существования структурных «вспышек» в том, что при переходе в активное состояние клетке необходимы новые ресурсы, функции, механизмы, регуляторы и сигналы. Как только клетка переходит в состояние покоя, необходимость в этих структурах исчезает, и они разбираются.
Помимо этого преимущественное большинство полярных молекул в живом организме находятся на высоком энергетическом уровне [6], за счет этого при малом воздействии внешнего или внутреннего раздражителя возбуждение перемещается по специфическим путям, структуру которых определяет белковый матрикс клетки. КВЧ-излучение влияет на кинетическую энергию вращения полярных молекул и, соответственно, на движение возбуждения по слоям пограничной воды. Состояние макромолекул может синхронизироваться как в микрообъемах, так и в объеме всей клетки. Вода в клетке и в модельных системах более упорядочена, чем объемная [20], поэтому встраивание молекулы растворенного вещества в растворитель с более жесткими связями энергетически невыгодно, и они вытесняются из системы.
Несмотря на все разнообразие белков, все они имеют абсолютно одинаковый полипептидный остов, различия между белками обусловлены лишь боковыми цепями. Расположение указанных диполей вдоль полипептидного остова оказывается в структурном отношении комплементарным структуре воды. Другая особенность групп пептидной связи состоит в том, что они образуют водородные связи либо друг с другом (во вторичных структурах), либо с водой (развернутые участки полипептидной цепи) [19].
Важное свойство дипольных молекул состоит в том, что их дипольный момент не является величиной постоянной, а зависит от их взаимодействий с другими дипольными молекулами [24].
Однако все начинает меняться, если развернутый полипептид, адсорбировавший воду, начинает сворачиваться с образованием вторичных структур. В этом процессе пептидные группы отказываются от водородных связей с водой и образуют их между собой. Прежде связанная вода десорбируется и приобретает свойства объемного растворителя [22].
Правомерность такого взгляда на взаимодействие полипептидов и других гидрофильных полимеров с водой получило убедительное экспериментальное подтверждение [25].
В работе [14] обсуждается новый физический механизм высокой чувствительности водосодержащих биологических объектов к слабым ЭМИ в КВЧ-диапазоне. Этот эффект связан с открытием собственных резонансных частот у водных кластеров, лежащих в диапазоне частот примерно
50–70 ГГц. При облучении биологических объектов КВЧ-излучением имеет место захват молекулярными водными осцилляторами (кластерами) частоты внешнего сигнала и усиление по типу синхронизированной генерации или регенеративного усиления. Волны возбуждения на этих частотах распространяются в водных средах с очень малыми потерями, почти как в случае давыдовских солитонов [7], и, тем самым, могут проникать на большую глубину облучаемого объекта, вовлекая глубинные структуры в процесс взаимодействия со слабым внешним сигналом.
При совпадении частоты излучения с частотой вращения полярных молекул возможна перекачка энергии излучения молекуле, сопровождающаяся увеличением вращательной кинетической энергии, что влияет на ее реакционную способность [3] и определяет её селективное взаимодействие с другими молекулами, что говорит о перспективности использования КВЧ-излучения в качестве физического стимулятора для усиления разнообразных функций белков в живой клетке и практического использования в производстве биофармацевтических препаратов. Когда происходит совпадение частот с молекулами, вода и биообъекты становятся значительно более «прозрачными» для ЭМИ [13].
Заключение
Показана перспективность использования КВЧ-излучения в биофармацевтическом производстве в качестве средства оптимизации биотехнологических процессов. Однако все же остаются проблемы с глубоким пониманием механизмов воздействия и, соответственно, разработки новых производственных установок, которые бы позволили масштабировать лабораторные исследования до промышленного уровня с сохранением значимого биологического эффекта КВЧ-излучения на процессы ферментации. Выявленные особенности процесса ферментации, испытывающего влияние миллиметрового излучения, накладывают дополнительные трудности из-за существующего уровня техники.