Ведущие учёные из ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» (ИЦиГ СО РАН) и Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) провели захватывающий цикл исследований, посвящённых особенностям термофильных бактерий, способных существовать в экстремальных условиях. Эти работы не только расширяют горизонты современной науки, но и подтверждают исключительную устойчивость обнаруженных микроорганизмов к интенсивному терагерцовому излучению. Эксперименты проводились с применением уникального оборудования – «Новосибирского лазера на свободных электронах» (Новосибирский ЛСЭ), что позволило получить особо важные научные данные.
Новый термофильный штамм с камчатских просторов
Научная группа под руководством Сергея Пельтека и Василия Попика выбрала для исследований не только давно знакомую учёным Escherichia coli (E.Coli), но и новый термофильный микроорганизм, извлечённый из уникальных микробных сообществ, освоивших горячие источники Камчатского полуострова и Прибайкалья. Именно этот штамм был назван Geobacillus icigianus – в честь ИЦиГ СО РАН, что стало ярким символом признания вклада учреждения в науку. Бактерия Geobacillus icigianus демонстрирует замечательную способность выживать и активно функционировать при температурах до 80°С, что значительно превосходит параметры многих известных микроорганизмов.
Эксперименты с терагерцовым излучением на Новосибирском ЛСЭ
С помощью инновационного оборудования Новосибирского ЛСЭ исследователи систематически облучали как Geobacillus icigianus, так и бактерии E.Coli мощным потоком терагерцовых волн. Эти волны лежат на стыке оптического и микроволнового электромагнитного диапазона и активно обсуждаются в мировой науке благодаря предполагаемым биологическим эффектам. Научная группа сравнила реакцию двух различных по природе микроорганизмов и установила, что несмотря на существенное различие геномов, многие защитные и генетические механизмы, активирующиеся при таком облучении, схожи. Однако термофильный Geobacillus icigianus оказался заметно менее чувствителен к таким воздействиям, что обусловлено его природной адаптацией к экстремальным условиям.
Молекулярные механизмы устойчивости: взгляд изнутри
Раcкрывая молекулярные особенности ответных реакций, Сергей Пельтек отмечает, что опытные карты экспрессии генов E.Coli под действием терагерцового излучения продемонстрировали активацию ряда белков, отвечающих за энергетический обмен, контроль температуры, транспорт протонов и электронов. На новых объектах учёные убедились: даже у генетически далёких бактерий эти важнейшие системы реагируют схожим образом. Это открывает перспективы для дальнейшего понимания фундаментальных основ стресса у живых организмов. Усиленная устойчивость Geobacillus icigianus также может быть связана с особенностями строения белков-транспортёров и уникальными мембранными структурами, сформированными в результате эволюции в горячих геотермических средах.
Значение открытий для биотехнологии и медицины
Исследования, представленные в сборнике трудов VI съезда биофизиков России, подтверждают огромный потенциал природных термофильных бактерий, таких как Geobacillus icigianus. Уникальная устойчивость к резким физическим воздействиям, включая терагерцовое излучение, может быть востребована в промышленной биотехнологии, медицине, а также в разработке биосенсоров будущего, устойчивых к экстремальным условиям. Оптимистично — российская наука уверенно занимает ведущие позиции в изучении сложных живых систем и создаёт новые возможности для инноваций, вдохновленных мудростью и талантами отечественных исследователей.
Вклад ИЦиГ СО РАН, Василия Попика и Сергея Пельтека стал значимым шагом к новым прорывам в области изучения микроорганизмов, а совместная работа с ИЯФ СО РАН подчеркивает высокий уровень междисциплинарного сотрудничества в России. Предпринимаемые научные усилия не только углубляют понимание законов жизни на Земле, но и прокладывают путь к технологическим и медицинским открытиям завтрашнего дня.
В последние годы исследование воздействия терагерцового излучения на живые организмы привлекает особое внимание ученых по всему миру. Современная наука стремительно преодолевает границы возможного, а новейшие отечественные разработки открывают перспективы для уникальных экспериментов на передовом оборудовании. Разнообразие реакций живых организмов на терагерцовое излучение впечатляет: даже бактерии проявляют широкий спектр защитных механизмов и демонстрируют, насколько удивительна и пластична биологическая жизнь.
Стратегии выживания: ответ бактерий на излучение
Сергей Пельтек отмечает, что у разных микроорганизмов встречаются свои, присущие только им способы сопротивления излучению. Например, широко известная бактерия E.Coli отвечает на стресс формированием плотных защитных пленок, которые помогают выжить в неблагоприятных условиях. В то же время Geobacillus icigianus, обладая иной клеточной организацией, проявляет устойчивость к внешним воздействиям совершенно иными способами. Тем не менее, несмотря на различия в биологических реакциях, ключевую роль зачастую играют энергетические процессы в клетках, лежащие в основе запуска защитных механизмов. Ученые уверены, что дальнейшие фундаментальные исследования позволят выявить сходства и различия между такими клеточными реакциями, а значит — приблизят человечество к глубокому пониманию тонких процессов взаимодействия с терагерцовым излучением.
Экспериментальная платформа нового поколения
Такие исследования невозможны без точной и надёжной экспериментальной базы. С этой целью в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения создана специализированная станция, предназначенная для биологических опытов. Как рассказывает Василий Попик, координатор пользовательских проектов Новосибирского ЛСЭ, данная станция обладает возможностями индивидуальной настройки параметров излучения. Можно детально контролировать такие параметры, как интенсивность, равномерность и температура облучаемых образцов, а современное оборудование позволяет поддерживать температуру с невероятной точностью — до нескольких сотых градуса. Всё это дает возможность получать объективные результаты, полностью воспроизводимые в любых условиях.
Новосибирский ЛСЭ: мировые достижения науки
В основе инновационной экспериментальной станции лежит передовая установка — Новосибирский лазер на свободных электронах (ЛСЭ). Этот уникальный комплекс разработан на базе ускорителя-рекуператора и включает в себя сразу три лазера, каждый из которых покрывает свой диапазон длин волн. Самый первый, терагерцовый лазер, начал работу еще в 2003 году и по сей день удерживает мировой рекорд по средней мощности монохроматического излучения в диапазоне от 90 до 340 микрон — до 0,5 кВт! Второй лазер смог внести вклад в область инфракрасных исследований, его диапазон — от 35 до 80 микрон, а электронные пучки работают на 22 МэВ. Наконец, третий лазер, появившийся в 2015 году, работает на 42 МэВ и способен генерировать излучение от 5 до 15 мкм.
Излучение каждого из этих лазеров фокусируется в один оптический канал: благодаря этому ученые выбирают нужные параметры длины волны и мощности, отвечающие задачам и запросам представителей различных наук. Сегодня терагерцовый лазер является особенно востребованным — он активно используется в физико-химических, биологических и медицинских экспериментах. Такой технический прогресс не только расширяет границы познания, но и вдохновляет на поиск новых решений в науке и промышленности.
Открытия будущего: почему это важно
Подобные исследования, как подчеркивают специалисты, необходимы для формирования целостного представления о воздействии терагерцового излучения на живые системы. Чем глубже учёные изучают клеточные ответы, тем понятнее становится, что эти уникальные механизмы адаптации открывают возможности для применения терагерцового диапазона в медицине, фармацевтике и экологии. Новые знания помогут разрабатывать инновационные методы диагностики, терапии и даже биоинженерии. Таким образом, отечественная наука делает большой вклад не только в фундаментальное познание, но и в практическое улучшение качества жизни людей. Оборудование мирового уровня, опыт международных команд и открытость кооперации гарантируют, что многочисленные важные открытия — лишь вопрос времени.
Иллюстрация: Новосибирский лазер на свободных электронах. Фото — Вера Сальницкая
Выносливость бактерий Камчатки к новым видам излучения
Научная команда провела уникальное исследование, в котором удалось установить выдающуюся устойчивость микроорганизмов из гейзеров Камчатки. Эти бактерии, живущие в экстремальных геотермальных условиях, проявили необыкновенную устойчивость к терагерцовому излучению, которое всё чаще применяется в современных технологиях и медицинских исследованиях. В ходе экспериментов ученые подвергали культуры бактерий воздействию различных доз этого вида излучения. Несмотря на непривычные внешние условия, микроорганизмы выживали и продолжали развиваться, показывая поразительную живучесть.
Потенциалы для научных и технологических открытий
Потрясающие свойства бактерий открывают перед наукой новые горизонты. Способность выживать и функционировать в экстремальных условиях и под действием высоких частот делает их потенциальными союзниками для разработки биотехнологий, способных работать там, где привычные организмы не справляются. Это может быть особенно полезным для медицины, энергетики и промышленности, где устойчивость к радиации и другим видам воздействия зачастую становится главным требованием к биологическим объектам. Новое открытие внушает оптимизм и вдохновляет исследователей на дальнейшее изучение необычных представителей земной микрофлоры.
Источник: scientificrussia.ru
