Хмелевцова Л.Е.. Костина Н.В., Майоров Е.Л., Сазыкин И.С., Сазыкина М.А.

Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону

Влияние низкочастотного электромагнитного поля (50 Гц) на бактериальные lux-биосенсоры

Земля подвергалась воздействию электромагнитного поля задолго до зарождения на ней жизни, что не могло не повлиять на эволюцию и современное состояние биосферы. Считается, что эти поля сопутствовали зарождению и развитию жизни на Земле, а также участвовали в процессе эволюции человека.

По происхождению ЭМП принято разделять на три группы: поля естественного происхождения, поля антропогенного происхождения и излучения биологической природы. В последнее время особое внимание привлекают эффекты и механизмы воздействия на живые системы сверхнизкочастотных ЭМП (30-300 Гц) антропогенного происхождения, т.к. они являются важным экологическим фактором. В этот диапазон попадают и поля промышленной частоты (50 Гц). Интерес к этим полям обусловлен тем, что именно в этом диапазоне наиболее ярко проявляется парадоксальность биологического действия ЭМП. Низкоинтенсивные ЭМП способны вызывать реакцию биосистемы, которую не способны вызвать излучения относительно высокой мощности. Кроме того, полагают, что действие слабых и сверхслабых факторов находится ниже порога включения защитных биологических механизмов и поэтому способно накапливаться на субклеточном уровне, на уровне генетических процессов.

Особенный интерес представляет изучение влияния ЭМП на жизнеспособность и изменчивость микроорганизмов. Бактерии обладают высокой скоростью размножения и пластичностью генетического материала. Для тестов с их использованием требуются меньшие объемы образца и время тестирования, анализы на основе бактерий имеют статистическое преимущество перед анализами с высшими организмами – существует возможность использовать большее количество клеток, легко автоматизировать процесс исследования. Эти факторы делают их актуальным и удобным в экспериментальном плане объектом исследования.

В настоящее время особое место среди методов биотестирования с использованием бактерий занимают методы оценки токсичности по изменению люминесценции светящихся бактерий. Преимуществами их использования являются простота измерения люминесценции, экспрессность метода, возможность автоматизации измерений и статистической обработки данных.

Целью данной работы явилось изучение влияния ЭМП низкой частоты на живые системы. В качестве исследуемых организмов были использованы природный светящийся штамм Vibrio aquamarinus ВКПМ B-11245, а также генноинженерные биолюминесцентные штаммы E. coli MG1655 (pXen7-lux), E. coli C600 (pPBA-5), E. coli MG1655 (pKatG-lux), E. coli MG1655 (pSoxS-lux) и E. coli MG1655 (pColD-lux). Штаммы E. coli выращивали в бульоне Луриа-Бертани (LB), содержащем 100 мкг/мл ампициллина. Природный штамм Vibrio aquamarinus ВКПМ B-11245 выращивали на плотной среде LB. Ночную культуру разводили до оптимальной плотности (при которой регистрируется максимальный ответ при действии на штамм индуктора – стандартного мутагена или токсина) средой LB, подращивали при 37^оC в течение 2 часов. Аликвоты ночной культуры по 200 мкл вносили в лунки планшета и подвергали воздействию низкочастотного ЭМП индукцией 1,33 мТл и частотой 50 Гц. Время экспозиции составляло 60 и 120 минут. Аликвоты ночной культуры, не подвергшиеся облучению ЭМП, служили контрольными образцами. Уровень биолюминесценции измеряли на микропланшетном люминометре L-01A (Immunotech) в течение 120 минут.

Воздействие ЭМП на природный штамм Vibrio aquamarinus ВКПМ B-11245, обладающий высокой чувствительностью к химическим воздействиям, вызывало снижение свечения прямо пропорционально времени экспозиции, что, вероятно, связано с общим токсическим воздействием на клетку.

При облучении биосенсорного штамма с конститутивным промотором E. coli MG1655(pXen7-lux) напротив, наблюдалось достоверное увеличение свечения штамма при воздействии на него ЭМП в обратной зависимости от времени экспозиции. Вероятно, это связано с различной чувствительностью исследуемых штаммов к воздействию ЭМП. В данном случае может иметь место явление гормезиса, т. е. общей стимуляцией жизнедеятельности клетки в результате воздействия потенциально вредного фактора, но механизм данного явления не ясен и требует дальнейшего изучения.

Сходным образом реагировал на облучение и штамм с конститутивным промотором E. coli C600 (pPBA-5) – наблюдалось небольшое, но достоверное увеличение свечения по сравнению с контрольными образцами в прямой зависимости от времени экспозиции. По-видимому, это также связано с явлением гормезиса и требует более подробного изучения.

Исследование действия низкочастотного ЭМП на биолюминесцентный штамм E. coli MG1655 (pSoxS-lux), индуктором свечения которого является супероксид-анион радикал, показало, что более длительная экспозиция (в течение 120 минут) вызывает увеличение уровня биолюминесценции по сравнению с контрольными образцами, а менее длительная (60 минут) – напротив, снижение свечения. В случае штамма E. coli MG1655 (pKatG-lux), индуцируемого перекисью, реакция была противоположной – воздействие ЭМП подавляло свечение пропорционально времени экспозиции. По-видимому, это связано с тем, что воздействие ЭМП способствует возрастанию уровня свободнорадикальных процессов в клетке, в ходе которого идет образование супероксид-аниона, происходит индукция синтеза супероксиддисмутазы, уменьшение синтеза каталазы и, как следствие, может происходить накопление пероксидов. В целом справедливо будет предположить, что ЭМП воздействует на клетку путем влияния на систему ферментов антиоксидантной защиты. Подобные процессы происходят в культурах нефтеокисляющих микроорганизмов при ограничении источников углерода исключительно углеводородами.

Облучение сенсорного штамма E. coli MG1655 (pColD-lux), индуктором свечения которого являются воздействия, активирующие систему SOS-репарации ДНК, показало, что экспозиция в течение 60 минут вызывала усиление биолюминесценции в сравнении с контрольными образцами, тогда как более длительное воздействие (120 минут) подавляло свечение. Вероятно, это связано со стимуляцией репарации ДНК, в процессе экспонирования, которая с увеличением дозы сменяется общетоксическим действием.

Таким образом, изучение влияния низкочастотного ЭМП на биосенсорные микроорганизмы показало наличие достоверных эффектов, вызванных воздействием на антиоксидантный комплекс клетки, систему SOS-репарации, снижением уровня метаболизма бактериальной клетки. Кроме того, для штаммов E. coli MG1655(pXen7-lux) и E. coli C600 (pPBA-5) обнаружен эффект гормезиса. Выявленные эффекты ЭМП малой интенсивности бытовой и промышленной частоты безусловно заслуживают более подробного изучения.