СПОСОБ ЗАМЕДЛЕНИЯ БИОХИМИЧЕСКИХ И ДРУГИХ ПРОЦЕССОВ, ИДУЩИХ ЗА СЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Российский патент 2000 года по МПК C12N13/00 C12M1/42 B01J19/08 

Изобретение относится к способам замедления биохимических, химических и других процессов, идущих за счет электромагнитного взаимодействия. Изобретение позволяет затормозить электромагнитные переходы между промежуточными состояниями системы в ходе протекания различных процессов при полном сохранении состояния и свойств системы. Методов, альтернативных данному, для многих случаев и систем не имеется. Изобретение может быть использовано в химической, химико-фармацевтической, пищевой, электронной промышленности, а также в лазерных технологиях и биотехнологии. Наиболее просто суть изобретения может быть раскрыта на примере реакций, идущих за счет ферментативного катализа.

В настоящее время для замедления ферментативных реакций используют различные способы [1, 2, 3] химического ингибирования ферментов, а также такие способы воздействия на структуру фермента, когда под воздействием физико-химических факторов [1] (давление, температура, pH, ионная сила раствора и т. д.), физических полей или различных видов излучения [4] молекула фермента приводится в состояние, при котором ферментативный катализ невозможен.

Каждый из перечисленных выше способов замедления ферментативных реакций имеет свои недостатки, среди которых можно назвать потерю ряда ценных свойств конечного продукта, необратимость происходящих с ферментом изменений при тепловом или радиационном воздействии, химическое загрязнение продукта при добавлении химических реагентов, значительный расход электроэнергии или других ресурсов.

Прямых аналогов настоящее изобретение не имеет.

Задачей настоящего изобретения является создание способа ингибирования биохимических и других процессов, идущих за счет электромагнитного взаимодействия, при полной обратимости процесса ингибирования и отсутствии химических, биологических и других добавок, без использования электроэнергии или каких-либо иных энергетических ресурсов.

Другой задачей изобретения является создание способа селективного замедления и остановки нежелательных биохимических и других процессов при отсутствии существенного воздействия на скорость параллельно идущего необходимого процесса.

Для решения поставленной задачи среду помещают в окружение вещества, обладающего свойством отражать электромагнитные колебания с длиной волны λ = hc/δE, где h - постоянная Планка, δE - энергия промежуточного перехода, происходящего при протекании данного процесса. При этом необходимо, чтобы расстояние до окружающего среду вещества (например, расстояние между пластинами), было сопоставимо или меньше указанной длины волны λ. Под энергией промежуточного перехода δE мы подразумеваем разницу энергий двух состояний системы, последовательно происходящих в ходе протекания процесса.

Проиллюстрируем и поясним данный метод на примере ферментативных реакций, проводимых между металлическими пластинами. Известно, что ферментативный катализ протекает через ряд промежуточных состояний фермент-субстратного комплекса, отличающихся своей конформационной структурой (т.е. поворотом отдельных молекулярных групп). Типичная энергия δE конформационных переходов в белковой цепи составляет величину порядка 10^-2 эВ. В случае излучательных переходов это соответствует длине волны λ испускаемого кванта λ = hc/δE ≈ 0.12 мм. При расстояниях между металлическими пластинами d < λ/2 в спектре колебаний электромагнитного поля не будет компонент с частотами, соответствующими энергии перехода. В этом случае переходы между промежуточными состояниями системы с энергией, меньшей hc/(2d), будут подавлены. В случае дискретного энергетического спектра промежуточных состояний фермент-субстратного комплекса и невозможности переходов между этими состояниями ферментативный катализ прекращается или идет по энергетически невыгодному пути, что также приводит к существенному замедлению процесса. В случае непрерывного энергетического спектра промежуточных состояний, возможного, например, в реакциях мономолекулярного гидролиза, под δE следует понимать среднюю энергию термальных переходов, δE ≈ kT.

Ингибирование химических и других процессов, идущих за счет электромагнитного взаимодействия, например микробиологических, принципиально не отличается от описанного способа ингибирования ферментативных реакций. Для большинства химических процессов энергия промежуточных переходов δE составляет величину около 1 эВ, что означает возможность ингибирования этих процессов при расстояниях между пластинами около 1 мкм или при нахождении реагентов в сплошной среде, обладающей свойством отражать электромагнитные колебания соответствующей длины волны λ = hc/δE. Таким образом, условия для подавления химических реакций в целом гораздо более жесткие, чем для биохимических процессов. Для подавления микробиологических процессов типа роста и размножения бактерий определяющим является подавление каталитической активности определенного набора ферментов, в первую очередь окислительно-восстановительных ферментов, обеспечивающих цепь дыхания для аэробных процессов и цепь гликолиза для анаэробных. Таким образом, задача подавления микробиологических процессов сводится к задаче ингибирования ферментативных реакций.

Селективное замедление и остановка нежелательных процессов при отсутствии существенного воздействия на скорость параллельно идущего необходимого процесса может достигаться подбором расстояний между элементами конструкции реактора, например между пластинами или нитями. Расстояния d между элементами конструкции подбирают таким образом, чтобы обеспечить возможность переходов между промежуточными состояниями системы для основного процесса и подавить соответствующие переходы для конкурирующих нежелательных процессов. Это достигается при одновременном выполнении условий
(условие торможения нежелательных процессов)
и
(условие протекания для основного процесса),
где δE - энергия перехода для основного процесса, δE_i - энергии переходов для нежелательных процессов. Данное условие, однако, может быть выполнено, если δE_i< δE, т.е. когда основной процесс характеризуется большей энергией промежуточных переходов, чем нежелательные.

Другой, более универсальный путь решения задачи подавления нежелательных процессов заключается в использовании пластин, обладающих свойством отражать электромагнитные колебания, соответствующие энергиям переходов для нежелательных процессов, и не обладающих этим свойством для электромагнитных колебаний с длиной волны λ = hc/δE, отвечающей энергии промежуточного перехода δE для основного процесса. Необходимыми свойствами, например, могут обладать пластины из диэлектрика с нанесенным интерференционным покрытием, обеспечивающим прохождение электромагнитного излучения в узком диапазоне длин волн, отвечающем энергии перехода для основного процесса.

Данный метод может быть использован для смещения константы химического равновесия для широкого класса процессов. В случае реакции
A+B ⇐⇒ (AB)^*⇐⇒ C+D,
где (AB)^* обозначает промежуточное состояние системы, энергии переходов из состояния А+В в состояние (AB)^* и из состояния (AB)^* в состояние С+D, как правило, различны, что позволяет уменьшить вероятность любого из этих переходов без существенного влияния на вероятность другого. В результате химическое равновесие может быть смещено в желаемую сторону.

Предложенный метод ингибирования может быть применен для накопления и сохранения энергии в различных, например, молекулярных, системах с дискретным энергетическим спектром. Основой для применения изобретения к решению данной задачи является то, что распад возбужденного состояния многих систем проходит через ряд промежуточных состояний с близкой энергией, предшествующих высокоэнергетичному переходу, при этом прямой распад возбужденного состояния в основное запрещен по правилам отбора. В случае молекулярных систем и промежуточных состояний колебательной природы энергия переходов составляет величину порядка 10^-1 - 10^-2 эВ, затормозить которые можно, например, с помощью, металлических пластин или нитей, расположенных на расстоянии порядка hc/δE т.е. 0.01-0.1 мм друг от друга. На данной основе может быть создан "квантовый аккумулятор" энергии, а при использовании в качестве активной среды систем, имеющих в ходе распада возбужденного состояния излучательные переходы, например люминофоров, запасенная энергия может быть освобождена в форме светового излучения.

Для получения высокой плотности накопленной энергии и предотвращения распада возбужденных состояний в процессе накачки окружение активной среды должно быть прозрачно для жесткого излучения накачки и отражать более мягкое излучение с длиной волны λ = hc/δE, соответствующей энергии низкоэнергетичного перехода δE в цепочке распада. Такими свойствами могут обладать, например, тонкие металлические пленки, нанесенные на основу из прозрачного диэлектрика. Очевидно, что данный подход может быть использован для создания инверсной заселенности уровней и использоваться в лазерных технологиях.

Рассмотренные выше области применения данного изобретения объединяет общий способ ингибирования процессов, идущих за счет электромагнитного взаимодействия, позволяющий затормозить электромагнитные переходы между промежуточными состояниями системы.

Применительно к биохимическим и химическим процессам, преимуществом настоящего способа ингибирования по сравнению с известными методами является его универсальность, экологичность, полная обратимость процесса ингибирования и возможность сохранения исходного состояния системы в течение длительного времени. Другое достоинство и отличие данного способа от известных методов заключается в том, что для достижения эффекта не используют каких-либо энергетических ресурсов, а также химических, биологических и других добавок. Применительно к общему случаю ингибирования электромагнитных переходов между различными состояниями произвольной системы, методов, альтернативных предложенному, нет.

В приведенных ниже примерах последовательно демонстрируется влияние основных факторов (материал пластин, тип процесса, расстояние между пластинами) на эффект ингибирования некоторых химических и биохимических процессов.

Пример 1
Способ проверяли в лабораторных условиях на реакции окисления ортофенилдиамина кислородом, возникающим при ферментативном расщеплении перекиси водорода пероксидазой хрена (Н.Ф. 1.11.1.7). В результате реакции образуется окрашенный продукт - окисленный орто-фенилдиамин, концентрация которого измерялась спектрофотометрическим методом. Реакцию проводили между металлическими плоскостями с полиуретановым покрытием на расстоянии 100 мкм при t= 36^oC, а также между пластинами из диэлектрика с идентичным полиуретановым покрытием при идентичных условиях. Контролем служила также реакция, проводимая при тех же условиях в обычном лабораторном оборудовании. Указанная реакция относится к типу окислительно-восстановительных и характеризуется дискретным спектром промежуточных состояний. Расстояние 100 мкм между металлическими плоскостями является достаточным для ингибирования переходов с энергией около hc/d ≈ 10^-2 эВ, совпадающей по порядку величины с энергией конформационных переходов, необходимых для протекания данной ферментативной реакции. Инертность полиуретанового покрытия по отношению к исследуемой ферментативной реакции исследовалась отдельно, и был получен положительный результат.

Концентрация фермента и другие условия протекания реакции были таковы, что скорость ферментативной реакции значительно превышала скорость параллельно идущего неферментативного разложения перекиси водорода.

Результатом эксперимента стало наблюдение эффекта остановки (в пределах экспериментальной погрешности) ферментативной реакции при ее прохождении между металлическими пластинами и отсутствие эффекта ингибирования при прохождении реакции между пластинами из диэлектрика, при этом скорость ферментативной реакции до помещения реагентов между металлическими пластинами и после их извлечения была одинакова и совпадала с контролем.

Пример 2
Способ проверяли в лабораторных условиях на реакции окисления ортофенилдиамина кислородом, возникающим при неферментативном расщеплении перекиси водорода. Условия проведения реакции были идентичны условиям, описанным в примере 1. Реакция расщепления перекиси водорода
2H₂O₂ ---> 2H₂O + O₂
характеризуется энерговыделением 46 ккал/моль, или примерно 2 эВ на молекулу. Энергию промежуточных переходов в случае неферментативного разложения H₂O₂ можно также оценить как величину, близкую к энерговыделению, т.е. около 2 эВ. Соответственно, ингибирование процесса должно наступать при расстоянии между пластинами порядка d = hc/δE ≈ 1 мкм а использованное в эксперименте расстояние между металлическими плоскостями (100 мкм) должно быть слишком велико для ингибирования данной реакции.

Результатом эксперимента стало наблюдение независимости скорости реакции неферментативного расщепления H₂O₂ от типа используемых пластин, при этом скорость реакции практически не менялась как при помещении реагентов между металлическими пластинами, так и пластинами из диэлектрика.

Приведенные выше примеры демонстрируют возможность подавления посредством предложенного способа нежелательной (в данных примерах ферментативной) реакции при осуществлении основного процесса (химической реакции) путем подбора расстояний между экранирующими пластинами. Отметим, что реакция неферментативного разложения H₂O₂ отличается от соответствующей ферментативной реакции по состоянию конечного продукта: при неферментативном разложении около половины молекул кислорода находятся в активированном состоянии, в то время как при ферментативном разложении 100% молекул кислорода находятся в основном состоянии.

Пример 3
Способ проверяли в лабораторных условиях на реакции окисления ортофенилдиамина кислородом, возникающим при ферментативном расщеплении перекиси водорода пероксидазой хрена. Условия проведения реакции были идентичны условиям, описанным в примере 1, за исключением расстояния между пластинами, которое было равно 1.5 мм. Указанное расстояние между металлическими плоскостями является достаточным для ингибирования процессов с энергиями промежуточных переходов меньшими, чем hc/2d ≈ 0.0005 эВ, в то время как для ингибирования данного процесса необходимо подавление конформационных переходов с энергией порядка 10^-2 эВ.

Результатом эксперимента стало наблюдение отсутствия эффекта ингибирования при прохождении реакции как между металлическими пластинами, так и пластинами из диэлектрика, при этом скорость реакции не зависела от типа используемых пластин. Таким образом, результаты примеров 1,3 демонстрируют возможность управления эффектом ингибирования путем подбора пластин с необходимыми свойствами и расстояния между ними.

Источники информации
1. Л. Уэбб. Ингибиторы ферментов и метаболизма. М.: Мир, 1966.

2. Патент США N 5610025, класс 435/025, приоритет от 11.03.1997.

3. Патент США N 5165933, класс 424/195.1, приоритет от 03.07.1991.

4. Патент США N 5697291, класс 099/451, приоритет от 15.05.1995.

Изобретение относится к способам замедления биохимических, химических и других процессов, идущих за счет электромагнитного взаимодействия. Суть способа заключается в том, что среду помещают в окружение вещества, обладающего свойством отражать электромагнитные колебания с длиной волны λ = hc/δE где h - постоянная Планка, δE - энергия промежуточного перехода между состояниями системы, происходящего при протекании данного процесса, с - скорость света. Необходимо, чтобы расстояние до окружающего среду вещества, например расстояние между пластинами, было сопоставимо или меньше указанной длины волны λ. Способ позволяет селективно замедлять и останавливать широкий класс физических, химических и биохимических процессов. Преимуществом настоящего способа является его универсальность, экологичность, полная обратимость процесса ингибирования и возможность сохранения исходного состояния системы в течение длительного времени. Другим достоинством данного способа является то, что для достижения эффекта не используют каких-либо энергетических ресурсов, химических, биологических и других добавок. 8 з.п. ф-лы.

1. Способ замедления биохимических и других процессов, идущих за счет электромагнитного взаимодействия в различных средах, заключающийся в том, что среду помещают в окружение вещества, обладающего свойством отражать электромагнитные колебания с длиной волны λ = hc/δE, где h - постоянная Планка, с - скорость света, δE - энергия промежуточного перехода между состояниями системы, происходящего при протекании данного процесса, при этом расстояние до окружающего среду вещества должно быть сопоставимо или меньше указанной длины волны λ. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что среду помещают между элементами произвольной конструкции, например между пластинами или нитями, обладающими свойством отражать электромагнитные колебания с длиной волны, соответствующей энергии промежуточного перехода, при этом расстояние между элементами конструкции должно быть сопоставимо или меньше указанной длины волны λ. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для подавления нежелательных конкурирующих процессов расстояния d между элементами конструкции подбирают в соответствии с соотношениями


обеспечивающими протекание основного процесса и торможение нежелательных конкурирующих процессов, в которых δE - энергия перехода для основного процесса, δE₁ - энергия переходов для нежелательных процессов. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что для обеспечения протекания основного процесса берут пластины, обладающие свойством отражать электромагнитные колебания с длиной волны λ = hc/δE, соответствующие энергиям переходов δE для нежелательных процессов, и не обладающие этим свойством для электромагнитных колебаний, отвечающих энергии перехода для основного процесса. 5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для подавления микробиологической активности, например для сохранения пищевых продуктов, расстояния между элементами конструкции выбирают так, чтобы подавить активность ферментов, обеспечивающих дыхательную цепь и/или цепь гликолиза. 6. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что для смещения константы химического равновесия процесса используют замедление прямой или обратной реакции. 7. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для сохранения и использования энергии возбуждения активной среды, т.е. различных систем с дискретным энергетическим спектром, в цепочке распада этих систем подавляют низкоэнергетичный переход, предшествующий основному переходу, обеспечивающему накопление энергии активной средой. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что для накопления энергии и перевода накопленной энергии в форму светового излучения в качестве активной среды используют люминофор, в котором рабочему излучательному переходу предшествует низкоэнергетичный переход. 9. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем, что для обеспечения высокой плотности накопленной энергии в процессе возбуждения активной среды, например для создания инверсной заселенности уровней в активной среде лазера, используют окружение активной среды, прозрачное для излучения накачки.