Модулирование свойств биологических макромолекул низкоинтенсивным терагерцовым излучением О.П. Черкасова, В.И. Федоров, Е.Ф. Немова, С.С. Попова, А.С.Погодин, А.Г. Хамоян Институт лазерной физики СО РАН Россия, г. Новосибирск, пр-т Академика Лаврентьева 13/3, Тел.: (383) , факс: (383) , ИЛФ СО РАН III ТРОИЦКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА И ИННОВАЦИИ В МЕДИЦИНЕ»

Интерес к терагерцовому излучению обусловлен следующими его свойствами: - это неионизирующее излучение (энергия фотонов 0,04 – 0,004 эВ); - это область вращательных спектров молекул, колебаний биологически важных коллективных мод ДНК и белков - это область водородных связей и сил межмолекулярного взаимодействия Ц ель - изучени е влияния терагерц о вого излучения на конформацию и биологическую активность белков и нуклеиновых кислот.

Осциллограф Пироприемник Субмиллиметровый лазер NH 3, 81,5 μm Оптическая накачка N 2 O лазер, 10,8 мкм 3 Вт 19 мВт веществаКварцевый делитель 20 мВт 5 % Стенд для проведения экспериментов по облучению субмиллиметровым лазером биологических объектов Грачев Г.Н., Захарьяш В.Ф., Клементьев В.М., Хамоян А.Г. Квантовая электроника Т. 28, 2. С

Альбумин 607 аминокислотных остатков Молекулярная масса Альбумин – важнейший транспортный белок, который на 67% состоит из - спиралей

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – длинный полимер, содержащий миллионы нуклеотидов, состоит из двух антипараллельных цепей, образующих двойную спираль.

Терагерцовое излучение влияет на УФ поглощение ДНК Частота - 3,6 TГц, мощность - 15 мВт, время облучения - 60 мин 1-после облучения 2-до облучения 3-разностный спектр (A1-A2) Облученный образец ДНК имеет несколько меньшую оптическую плотность в области нм и большую - в области нм. Профиль разностного спектра отличается от профиля исходных спектров. Это свидетельствует об изменении конформации части доменов биополимера.

Терагерцовое излучение вызывает изменение спектра кругового дихроизма ДНК Частота - 3,6 TГц, мощность - 15 мВт, время облучения - 60 мин 1-после облучения, 2-до облучения, 3-разностный спектр Форма спектров КД характерена для В-формы ДНК. В спектре имеются две сопоставимые по интенсивности полосы: положительная с максимумом вблизи нм и отрицательная вблизи нм. Эллиптичность близка к нулю вблизи максимума оптической плотности в УФ спектре (~260 нм). Форма разностного спектра КД отличается от формы исходных спектров ДНК. Таким образом, эти данные подтверждают, что терагерцевое излучение приводит к появлению устойчивых изменений конформации высокополимерной ДНК. [Θ], mdeg·cm2·dmoles-1

Терагерцовое облучение приводит к увеличение поглощения альбумина в УФ области спектра УФ спектр поглощения БСА (0,1 М Трис-НСL рН 8.0, 2,5 мкМ) Частота - 3,6 TГц, мощность - 10 мВт, время облучения - 60 мин ---облученный ---необлученный нм

Эффект зависит от времени облучения Частота - 3,6 TГц, мощность - 10 мВт, время облучения 15, 30 и 60 мин Unirradiated 15 мин 30 мин 60 мин необл Поглощение при 220 нм(о.е.)

Эффект зависит от мощности облучения 10 мВт 5 мВт 15 мВт До облучения Частота - 3,6 TГц, мощность - 5, 10 и 15 мВт, время облучения - 60 мин

Облучение терагерцовым лазером приводит к изменению амплитуды спектра КД альбумина Частота - 3,6 TГц, мощность - 10 мВт, время облучения - 60 мин -После облучения - до облучения [Θ], mdeg·cm2·dmoles-1

Near terahertz radiation Ближнее терагерцевое излучение вызывает изменение спектра кругового дихроизма альбумина, зависящее от Амплитуда спектра КД облученного альбумина зависит от мощности облучения 10 mW 5 mW 15 mW Частота - 3,6 TГц, мощность - 5, 10 и 15 мВт, время облучения - 60 мин [Θ], mdeg·cm2·dmoles-1

Амплитуда спектра КД облученного альбумина зависит от времени облучения 120 min 60 min Частота - 3,6 TГц, мощность - 10 мВт, время облучения - 60 и 120 мин [Θ], mdeg·cm2·dmoles-1

Флуоресценция альбумина на 90% обусловлена остатками триптофана. Изменение конформации молекулы альбумина приводит к изменению параметров флуоресценции.

Влияние терагерцового излучения на флуоресценцию белков λ excitation = 280 nmλ emission = 342 nm После облучения ТриптофанТрипсинАльбумин Частота - 3,6 TГц, мощность - 10 мВт, время облучения - 60 мин

Связывание альбумина с прогестероном (стероидный гормон) Тушение собственной флуоресценции раствора альбумина при добавлении разных концентраций прогестерона использовали для изучения параметров связывания. Тушение флуоресценции – это уменьшение квантового выхода флуоресценции от флуорофора (триптофана, F0), которое происходит при связывании альбумина с лигандом.

Терагерцовое излучение уменьшает связывание альбумина с лигандом После облучения До облучения Константа связывания 2,74·10 4 M -1 Константа связывания 1,3·10 4 M -1 Частота - 3,6 TГц, мощность - 10 мВт, время облучения - 60 мин Прогестерон, µM ИЛФ СО РАН

Низкоинтенсивное терагерцовое излучение вызывает Изменение конформации биологических макромолекул Приводит к изменению их функциональных свойств Это может быть использовано для тестирования патологически измененных макромолекул Может быть основой для создания новых диагностических методов. Низкоинтенсивное терагерцовое излучение вызывает ИЛФ СО РАН III ТРОИЦКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА И ИННОВАЦИИ В МЕДИЦИНЕ»

Благодарю за внимание! ИЛФ СО РАН III ТРОИЦКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА И ИННОВАЦИИ В МЕДИЦИНЕ»