Staphylococcus aureus ATCC 29213, Escherichia coli ATCC 25922

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОТОПА
МАГНИЯ 25Mg В КЛЕТКАХ E.COLI
Шевченко У.Г., Авдеева Е.И., Бердинский В.Л.
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский
государственный университет»,
г. Оренбург
Большинство химических элементов имеют стабильные изотопы,
отличающиеся и массой, и магнитными характеристиками атомных ядер.
Некоторые изотопы, например, 1H, 13C, 15N, 25Mg, 31P, характеризуются
наличием ядерных магнитных моментов, или ядерных спинов, и называются
магнитными. Все остальные изотопы немагнитны.
Различия атомных масс и магнитных свойств изотопов являются
причиной масс-зависимых и магнитно-изотопных эффектов, соответственно.
Известно множество масс-зависимых изотопных эффектов, проявляющихся как
изменение скорости протекания химических реакций. [1-2] Магнитноизотопные же эффекты в химии характерны только для радикальных реакций.
[3] Они обусловлены, главным образом, влиянием ядерного магнитного
момента на спиновую эволюцию радикальных пар (РП), судьба которых
(внутриклеточная рекомбинация или внеклеточные реакции) определяется
действием спиновых запретов и правил отбора.
Открытие магнитного изотопного эффекта на синтез АТФ для магнитного
изотопа магния 25Mg2+ [4-6], а также для 67Zn2+ [7] и 43Ca2+ [8], показало, что
скорость ферментативных реакций зависит от наличия ядерного магнитного
момента у иона металла, находящегося в активном сайте фосфорилирующего
энзима.
Производство
АТФ
для
ферментов
АТФ-синтетазы,
креатинфосфаткиназы, пируваткиназы и глицерофосфаткиназы было в 2-4 раза
выше в случае, когда в активном сайте присутствовал магнитный изотоп
магния, цинка или кальция. Различий в скорости синтеза АТФ для немагнитных
изотопов не наблюдалось, что исключает масс-зависимую природу
наблюдаемых эффектов. Обнаруженные магнитно-изотопные эффекты в
ферментативных реакциях привели к возникновению новой научной проблемы
– влияния магнитных моментов атомных ядер на внутриклеточные процессы и,
как следствие, на функционирование целого организма.
Обнаруженные
магнитно-изотопные
эффекты
ферментативного
фосфорилирования наблюдались in vitro – на выделенных митохондриях и
чистых ферментах, обогащенных изотопами. Первые данные о проявлении
магнитно-изотопных эффектов магния in vivo были получены в экспериментах
c бактериями E.coli. [9-10] Присутствие магнитного изотопа магния 25Mg в
питательной среде стимулировало рост бактериальной культуры по сравнению
с немагнитными изотопами 24Mg и 26Mg. Открытие подобных эффектов требует
дополнительного подтверждения. Именно поиск независимых доказательств
магнитной природы
влияния изотопов магния на жизнедеятельность
микроорганизмов и их тщательная проверка – основная цель данной работы. Её
выполнение позволит ответить на ряд ключевых вопросов: как присутствие
изотопов магния в питательной среде отражается на ростовых характеристиках
микроорганизмов; связаны ли наблюдаемые эффекты с изотопным
обогащением самих клеток; влияет ли внутриклеточное изотопное обогащение
на жизнеспособность бактериальной культуры.
В качестве объекта исследований использовалась культура клеток
Escherichia coli – музейный штамм K12TG1. Бактерии E.coli выращивались в
минимальных синтетических питательных средах M9. Среды различались
только изотопной формой содержащегося в сульфате магния – немагнитные
24
Mg, 26Mg, магнитный 25Mg и природный изотоп *Mg магния.
В результате получены надёжные экспериментальные данные,
обнаруживающие влияние магнитных моментов атомных ядер изотопа магния
25
Mg на жизнедеятельность бактериальных клеток E.coli. Присутствие
магнитного изотопа магния 25Mg в питательной среде увеличивает скорость
роста и колониеобразующую способность микроорганизмов по сравнению с
немагнитными изотопами магния 24,26Mg. Внутриклеточное обогащение
изотопом 25Mg повышает жизнеспособность бактериальной культуры. Доказана
магнитная природа обнаруженных биологических эффектов изотопа магния
25
Mg.
Обнаруженные биологические магнитно-изотопные эффекты магния на
клетки E.coli свидетельствует о влиянии магнитных моментов ядер изотопа
25
Mg на жизнедеятельность целого организма через последовательность
внутриклеточных ферментативных процессов, в том числе синтеза АТФ.
Подобные эффекты могут быть обнаружены и для других стабильных
магнитных изотопов жизненно важных внутриклеточных элементов. Притом
действие магнитных моментов ядер химических элементов необязательно будет
положительным. Получение новых достоверных экспериментальных данных о
влиянии магнитного изотопа магния на жизнедеятельность целого организма –
бактерий E.coli – подтверждает возможность управления внутриклеточными
физико-химическими процессами в живых организмах с помощью магнитных
моментов ядер изотопов химических элементов.
Список литературы
1.
Griffiths H. Stable isotopes. Integration of biological, ecological and
geochemical processes / Griffiths H. - Oxford, U K: Bios scientific publishers, 1998.
2.
Melander L., Saunders Jr.W. Reaction rates of isotopic compounds/ Melander
L., Saunders Jr.W. - N.Y.: Wiley, 1980.
3.
Бучаченко А.Л., Сагдеев Р.З., Салихов К.М. Магнитные и спиновые
эффекты в химических реакциях / Бучаченко А.Л., Сагдеев Р.З., Салихов К.М. Новосибирск: Наука, 1978.
4.
Buchachenko A.L, Kouznetsov D.A., Arkhangelsky S.E. et al. // Doklady
Biochem. Biophys. - 2004. - V. 396. - P. 197.
5.
Buchachenko A.L., Kouznetsov D.A., Arkhangelsky S.E. et al. // Proc. Nat.
Acad Sc. - 2005.- V. 102. - P. 10793.
6.
Buchachenko A.L. Magnetic isotope effects in chemistry and biochemistry /
Buchachenko A.L. - New York: Nova Science Publishers, Inc., 2009. - P. 105.
7.
Buchachenko A. L., Chekhonin V. P., Orlov A. P. et al. // Int. J. Mol. Med.
Adv.Sci. - 2010. - V. 6(3). - P. 34.
8.
Buchachenko A.L., Kouznetsov D.A., Breslavskaya N.N. // Am. J. Biotechnol.
Mol. Sci. - 2011. - V. 1(1). - P. 30.
9.
Шевченко У.Г. // Тезисы докл. XVI Конф. (Междунар.) «Ломоносов2009». - М.: Физ.факультет МГУ, 2009. - С. 45.
10. Shevchenko U., Avdeeva E., Berdinsky V. // Proc. 4d Conf. (Intern.) on
Magneto-science. Shanghai: Shanghai University, 2011. - P. 51.