Терагерцовое излучение помешало образованию белковых нитей

Терагерцовое излучение может разрушать нити белка актина, который является компонентом клеточного каркаса эукариотических клеток и отвечает за многие важные процессы в них. Японские ученые провели серию экспериментов и выяснили, что ударные волны, возникающие в водных растворах и тканях организма под воздействием этого излучения, могут препятствовать реакции полимеризации актина, но при этом не влияют на целостность и жизнеспособность клетки. Это открывает возможности для манипуляций клеточными функциями и терапии рака, говорится в статье, опубликованной в журнале Scientific Reports.

Промежуток между инфракрасным и микроволновым диапазонами шкалы электромагнитных волн называется терагерцовым диапазоном. Частоты, соответствующие этому промежутку, находятся в диапазоне от 0,1 до 10 терагерц, что соответствует длинам волн от 0,01 до 3 миллиметров (субмиллиметровые радиоволны).

Этот диапазон радиоволн имеет ряд особенностей, вызывающих повышенный интерес с точки зрения их применения на практике. Например, терагерцовое излучение хорошо поглощается водой, но при этом проникает сквозь диэлектрические материалы, такие как дерево, бумага, пластмассы, а небольшая энергия кванта (от 0,4 до 40 миллиэлектронвольт) не приводит к ионизации атомов вещества, в отличие от рентгеновских лучей. В связи с этим излучение терагерцового диапазона применяется в сканерах для персонального досмотра, а в медицине субмиллиметровые волны используются для диагностики рака кожи. 

В последнее десятилетие идет активное развитие терагерцовых технологий, однако до сих пор нет полной уверенности в безопасности этого излучения, поэтому ученые продолжают исследовать воздействие субмиллиметровых радиоволн на биологические объекты.

Шота Ямазаки (Shota Yamazaki) из японского Центра передовой фотоники RIKEN и его коллеги исследовали воздействие терагерцовых электромагнитных волн на клеточный белок актин. В клетке этот белок существует в двух формах, одна из которых — мономерный глобулярный белок G-актин. Из него в результате процесса полимеризации образуется вторая форма (F-актин), она представляет собой полимерные цепочки белков, которые являются компонентом клеточного каркаса и играют ключевую роль в процессах подвижности и деления клетки.

С помощью флуоресцентной микроскопии исследователи наблюдали за результатом облучения терагерцовым лазером на свободных электронах водного раствора, содержащего актин. Они обнаружили, что излучение каким-то образом уменьшает количество F-актина в растворе по сравнению с контрольным, не подвергавшемся облучению. Предположение о том, что процессы полимеризации актина нарушаются из-за нагрева раствора поглощаемым электромагнитным излучением не подтвердилось. Температура выросла всего лишь на  1,4 градуса, что недостаточно для таких изменений. Прямое влияние фотонов на макромолекулы также было исключено из-за большого значения коэффициента поглощения воды, что ограничивало глубину проникновения субмиллиметровых волн величиной, составляющей не более процента от объема образца. 

Авторы пришли к выводу, что наиболее вероятной причиной наблюдаемого снижения количества цепочек F-актина стали ударные волны, образующиеся при взаимодействии терагерцового излучения с поглощающим его водным раствором. Для демонстрации возникающих ударных волн исследователи воздействовали терагерцовым излучением на дистиллированную воду. Скорость возникающих при этом ударных волн составила 1491 метров в секунду, что равняется скорости звука в дистиллированной воде при температуре 23 градуса Цельсия, а зафиксированная глубина их проникновения оказалась более 3 миллиметров, что в 100 раз больше чем толщина скин-слоя в воде для электромагнитных волн терагерцового диапазона. 

Кроме этого, ученые провели эксперименты по облучению культур живых клеток, которые подтвердили снижение в них количества микрофиламентов F-актина. При этом, однако, не было обнаружено признаков того, что излучение приводит к гибели клеток. 

Это не первое исследование, посвященное воздействию терагерцовых волн на клеточные белки. В одной из предыдущих работ эта же группа авторов уже изучала взаимодействие белков актина с терагерцовым излучением, однако результаты оказались другими. Облучение активировало рост актиновых микрофиламентов, вместо подавления их формирования. Ученые связывают это отличие с характеристиками излучения. В раннем исследовании оно было непрерывным и имело частоту 0,49 терагерц, тогда как в новой работе излучение с частотой до четырех терагерц подавалось импульсами.

Таким образом, волны терагерцового диапазона оказались способны воздействовать через образующиеся ударные волны на ткани человеческого тела, расположенные на глубине в несколько миллиметров. Исследователи считают, что это должно быть учтено при разработке стандартов безопасности для терагерцовых устройств высокой мощности. Кроме того, влияние терагерцового излучения на полимеризацию актиновых клеточных белков может стать инструментом для неразрушающих манипуляций клеточными функциями, в том числе при терапии раковых заболеваний.

Возрастающий интерес к терагерцовому диапазону электромагнитных волн способствует развитию техники в этой области. Например, недавно физики из Германии разработали новый источник субмиллиметрового диапазона волн, который отличается от ранее созданных бо́льшей шириной спектра и дешевизной.

Андрей Фокин