СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ Российский патент 2006 года по МПК C12N13/00 G01N22/00 G01N33/48 C12N1/00 

Изобретение относится к биологии, медицине и фармакологии.

Известно влияние излучения на биологические объекты, в частности на микроорганизмы.

Известен способ воздействия на микроорганизмы волновой информацией, записанной на носителе, включающей информацию о подавлении мета-стабильной активности клеток патогенного микроорганизма, поврежденных до состояния, при котором восстановление активности клеток в полном объеме становится невозможным, а также информацию о нормальном состоянии клеток и микробной флоры органа организма, который является объектом колонизации патогенного микроорганизма (патент РФ №2158147, 2000 г., МПК (7) A 61 N 5/00, А 61 М 37/00). Для записи информации используется электромагнитное излучение в диапазоне КВЧ, СВЧ, ИК и видимого света при непосредственном контакте носителя с каждым биологическим объектом. Подавление активности клеток патогенного микроорганизма может быть выполнено путем информационно-энергетического воздействия.

Подобным образом, с помощью записанного поляризованного электромагнитного излучения с длиной волны от 3 до 10 мкм используют для облучения патогенных микроорганизмов и их инактивации в организме человека (патент РФ №2199356, 2003 г., МПК (7) A 61 N 5/00, А 61 Н 39/00, А 61 М 37/00, C 12 N 13/00).

Для осуществления этих способов необходимо использовать сложное аппаратурное оформление.

Для влияния на жизнедеятельность микроорганизмов используют мало интенсивное звуковое воздействие в виде музыкально-акустических тест-программ (патент РФ №2195493, 2002 г., МПК (7) С 12 N 13/00).

Воздействие музыкально-акустических тест-программ носит малоуправляемый характер, т.к. основано на использовании сигналов с широкой полосой частот, отдельные из которых гипотетически могут совпадать с резонансными частотами различных клеток.

Наиболее близким аналогом к заявляемому способу являются работы по изучению влияния на живые организмы монохроматических электромагнитных излучений миллиметрового диапазона волн нетепловой интенсивности. В числе последних необходимо отметить цикл работ научного коллектива под общим руководством академика Девяткова Н.Д. (Бецкий О.В., Голант М.Б., Девятков Н.Д. Миллиметровые волны в биологии - М.: Знание, 1988, - 64 с.). Установлено, что воздействие электромагнитного излучения эффективно лишь в двух планах: оно или ускоряет восстановление организма после имевших место нарушений или ускоряет тренировку и адаптацию к изменившимся условиям существования. (На текущее функционирование здорового организма и тем более на изменение неживых тканей электромагнитное излучение влияния практически не оказывает). В частности, после семикратного (ежесуточно со временем экспозиции 2 часа) облучения электромагнитным излучением с длиной волны около 6 мм (частота равна примерно 50 ГГц) дрожжеподобного гриба эндомикопсис, наблюдалось увеличение активности культуры на 50%. Аналогичные результаты были получены и для пивоваренных дрожжей: облучение электромагнитным излучением с длиной волны примерно 6 мм нетеплового уровня мощности приводило к увеличению по сравнению с контрольным (необлученным) образцом бродильной активности дрожжей в 1,2-1,5 раза. Для других биологических объектов облучение может приводить к более ярко выраженным результатам. Например, после десятикратного (ежесуточно со временем экспозиции 2 часа) облучения электромагнитным излучением с длиной волны 6,4 мм суспензии спорового гриба аспергилла наблюдалось увеличение активности культуры в 2-2,5 раза. Практически во всех исследованиях эффект воздействия носил резонансный характер (в области длин волн 6,0-7,1 мм) и проявлялся в изменении интенсивности и характера протекания жизненных процессов. Резонансный характер воздействия заключался в том, что облучение одной длиной волны приводит к иному результату, чем действие другой, даже достаточно близкой.

Для осуществления этого способа необходимо использовать сложное аппаратурное оформление, т.к. этот диапазон частот мало освоен. Кроме того, волны таких частот сильно поглощаются водой, составляющей основную часть микроорганизмов, приводит к нагреву и искажению картины роста микроорганизмов.

Технической задачей заявляемого решения является разработка способа, позволяющего регулировать биологическую активность микроорганизмов.

Для решения технической задачи предлагается воздействовать на микроорганизмы в течение 5-60 минут излучением магнитостатической волны (МСВ), возбуждаемой при напряженности магнитного поля смещения в интервале от 1.592·10⁴ до 1.592·10⁵ А/м с частотой от 2 до 8 ГГц и мощностью от 1 до 100 мкВт.

На фиг.1 представлена блок-схема установки, на которой проводились эксперименты.

На фиг.2 даны временные зависимости изменений относительного объема биомассы в процессе роста дрожжей: 1 - контрольный образец; 2 - образец, облученный МСВ при напряженности поля подмагничивания 2.1492·10⁴ А/м; 3 - образец, облученный МСВ при напряженности поля подмагничивания 5.8904·10⁴ А/м; 4 - образец, облученный МСВ при напряженности поля подмагничивания 9.95·10⁴ А/м; 5 - образец, облученный МСВ при напряженности поля подмагничивания 1.17012·10⁵ А/м.

На фиг.3 - зависимость относительного прироста объема биомассы от напряженности магнитного поля смещения через 1 час с момента начала роста.

На фиг.4 - временные зависимости изменений относительного прироста объема биомассы: 1 - контрольный образец; 2 - образец, облученный только магнитным полем; 3 - образец, облученный магнитостатическими волнами.

На фиг.5 даны временные зависимости изменений относительного прироста объема биомассы: 1 - контрольный образец; 2 - образец, облученный только магнитным полем; 3 - образец, облученный МСВ с частотами от 3900 до 4000 МГц; 4 - образец, облученный МСВ с частотами от 4000 до 4100 МГц; 5 - образец, облученный МСВ с частотами от 4100 до 4200 МГц.

На фиг.6 - временные зависимости изменений относительного прироста объема биомассы: 1 - контрольный образец; 2 - образец, облученный 15 минут магнитным полем; 3 - образец, облученный 30 минут магнитным полем; 4 - образец, облученный 10 минут магнитным полем и 5 минут МСВ; 5 - образец, облученный 5 минут магнитным полем и 10 минут МСВ; 6 - образец, облученный 15 минут МСВ; 7 - образец, облученный 30 минут МСВ.

На фиг.7 - зависимость относительного прироста объема биомассы по сравнению с контрольным (необлученным) образцом через 1 час с момента начала роста от уровня падающей мощности.

На фиг.8 - зависимость относительного прироста объема биомассы от режима облучения: 1 - через 50 мин с момента начала роста; 2 - через 100 мин; 3 - через 150 мин; 4 - через 200 мин.

Для осуществления способа использовалась установка (фиг.1), состоящая из: панорамного измерителя КСВН и ослабления 1, в составе - генератора качающейся частоты 2 и индикатора 3, направленного рефлектометра 4, МСВ ячейки 5, датчика прошедшей волны 6, электромагнита 7, амперметра 8, источника стабилизированного тока 9, датчика Холла 10; измерителя магнитной индукции 11, пробирки с дрожжами 12.

Работает установка следующим образом.

Амплитудно-модулированный СВЧ-сигнал с генератора качающейся частоты 2 подается на направленный рефлектометр 4, где примерно 0,01 часть падающей высокочастотной мощности ответвляется и детектируется. Продетектированный сигнал поступает на вход индикатора 3. Основная часть падающей высокочастотной мощности подается на МСВ ячейку 5, находящуюся в постоянном магнитном поле, создаваемом электромагнитом 7. Сигнал с выхода МСВ ячейки 5 подается на датчик прошедшей волны 6, детектируется и поступает на вход индикатора 3. Оба продетектированных сигнала (с выходов направленного рефлектометра 4 и датчика прошедшей волны 6) в индикаторе 3 сравниваются. В результате обработки на экране электронно-лучевой трубки индикатора 3 отображается информация о величине вносимого ослабления МСВ ячейкой 5.

Электромагнит 7 создает постоянное магнитное поле смещения на МСВ ячейке 5. Он запитывается от стабилизированного источника тока 9. Величина силы тока в электромагните 7 контролируется с помощью амперметра 8. Силу тока в электромагните 7 и, следовательно, напряженность постоянного магнитного поля смещения изменяют, переключая стабилизированный источник тока 9. В данной установке напряженность постоянного магнитного поля смещения изменялась в диапазоне от 2.1492·10⁴ до 1.79896·10⁵ А/м. Величина создаваемого поля подмагничивания контролировалась с помощью датчика Холла 10 измерителем магнитной индукции 11.

МСВ ячейка 5 представляет собой полосно-пропускающий фильтр, изготовленный на основе ферритовой пленки из иттрий железного граната (на фиг.1 не изображено). Постоянное магнитное поле прикладывают касательно к поверхности ферритовой пленки. В ферритовой пленке возбуждались поверхностные магнитостатические волны.

В МСВ ячейку 5 вставлялась пробирка с дрожжами 12, представляющая собой пластиковую трубку с внутренним диаметром 9 мм, с одной стороны которой наклеена тефлоновая пленка толщиной 30 мкм.

Используя принцип раздельного выделения и детектирования сигналов падающей и прошедшей волн, наблюдали и измеряли параметры магнитостатических волн, возбуждаемых в МСВ ячейке 5.

Облучению подвергались сухие хлебные дрожжи и микроорганизмы Saccharomyces bayanus штамм LW 185-25. Воздействие осуществлялось при различных значениях напряженности постоянного магнитного поля смещения. Мощность МСВ была порядка 1-100 мкВт. Время экспозиции составляло от 10 до 60 минут. После облучения дрожжи помещались в питательную среду, представляющую собой 3% раствор сахара в воде. Изучение влияния излучения на биологическую активность исследуемых микроорганизмов производилось по критерию изменения относительного прироста биомассы дрожжей по сравнению с контрольным (не облученным) образцом. Метод контроля - фотометрический, позволяющий получать временные зависимости изменений относительного прироста объема биомассы дрожжей. Дискретность сбора информации не менее 0, 01 с, что позволяло наблюдать быстропротекающие динамические события в процессе роста.

Облучение МСВ носит характер комбинированного воздействия, обусловленного одновременным существованием постоянного (без которого магнитостатические волны не существуют) и сверхвысокочастотного магнитных полей. Его характер определяется достаточно большим числом параметров. Например, постоянное магнитное поле характеризуется напряженностью, а переменное магнитное поле - частотой, длиной волны, интенсивностью и т.д.

Был проведен ряд экспериментов по исследованию временных зависимостей изменений относительного объема биомассы в процессе роста дрожжей. Исследуемые образцы облучались МСВ при различных значениях напряженности постоянного поля подмагничивания. Воздействие осуществлялось всем спектром возбуждаемых МСВ. Экспериментальные временные зависимости относительного изменения (в процессе роста) концентрации биомассы микроорганизмов, подвергнутых облучению при различных величинах напряженности поля подмагничивания, продемонстрированы на фиг.2 (Δn - прирост биомассы; n₀ - первоначальная концентрация дрожжей; t - время). Установлено, что при облучении хлебных дрожжей всем спектром возбуждаемых МСВ с увеличением напряженности статического поля подмагничивания на интервале от 1.592·10⁴ до 6.368·10⁴ А/м прирост объема биомассы дрожжей повышается, а на интервале от 6.368·10⁴ до 1.592·10⁵ А/м прирост объема биомассы дрожжей понижается. Для напряженности статического поля подмагничивания от 1.592·10⁴ до 7.96·10⁴ А/м прирост объема биомассы облученных дрожжей больше, чем у контрольного (не облученного) образца, а при поле, большем 7.96·10⁴ А/м, - меньше. Увеличение прироста объема биомассы по сравнению с контрольным образцом может достигать величины порядка 25%, а уменьшение - 15% (фиг.3). Качественно аналогичная зависимость наблюдается и для микроорганизмов Saccharomyces bayanus штамм LW 185-25.

Наблюдаемое изменение прироста объема биомассы дрожжей само по себе не служит доказательством влияния облучения высокочастотным магнитным полем на биологическую активность микроорганизмов. Это изменение может быть обусловлено влиянием облучения постоянным полем подмагничивания. Сравнительный анализ результатов влияния облучения только постоянным магнитным полем и МСВ однозначно свидетельствует, что облучение магнитостатическими волнами, представляющими собой комбинированное воздействие постоянного и сверхвысокочастотного магнитных полей, влияет на биологическую активность дрожжей. Это влияние проявляется в изменении относительного прироста объема биомассы как по сравнению с контрольным образцом, так и по сравнению с образцом, облученным только постоянным магнитным полем (фиг.4).

Увеличить прирост объема биомассы, воздействуя МСВ на биологическую активность микроорганизмов, можно путем оптимизации длины волны, времени экспозиции и мощности излучения.

Для хлебных дрожжей максимальный эффект действия при напряженности поля подмагничивания 5.8904·10⁴ А/м и времени экспозиции 15 мин наблюдался при облучении МСВ с величиной пространственного периода в интервале от 1, 6 до 1 мм (частотный диапазон - 4000-4100 МГц).

Временные зависимости изменений относительного прироста объема биомассы дрожжей, иллюстрирующие результаты действия магнитостатических волн с различной величиной пространственного периода, продемонстрированы на фиг.5. Увеличение прироста объема биомассы по сравнению с контрольным образцом через 1,5 часа с момента начала роста равнялось примерно 300%.

Временные зависимости изменений относительного прироста объема биомассы дрожжей, иллюстрирующие результаты действия магнитостатических волн для различных значений времени экспозиции, продемонстрированы на фиг.6. Из чертежа видно, что в результате воздействия во всех четырех экспериментах (кривые 4-7) наблюдается увеличение прироста объема биомассы как по сравнению с контрольным образцом (кривая 1), так и по сравнению с образцами, облученными только постоянным магнитным полем (кривая 2 - время облучения 15 минут, кривая 3 - 30 минут). Однако увеличение прироста объема биомассы при облучении в течение 15 минут проявляется более сильно по сравнению со всеми остальными экспериментами. Изменение прироста объема биомассы в этой ситуации по сравнению с контрольным (необлученным) образцом через 1,5 часа с момента начала роста равнялось примерно 300%.

Влияние мощности излучения на относительное изменение прироста объема биомассы по сравнению с контрольным (необлученным) образцом через 1 час с момента начала роста проиллюстрировано на фиг.7.

Воздействуя излучением магнитостатической волны, можно не только повышать, но и понижать относительное изменение прироста объема биомассы микроорганизмов. Для этого необходимо изменить параметры внешнего воздействия.

Зависимости относительного прироста объема биомассы от режима облучения при напряженности поля подмагничивания 1.17012·10⁵ А/м и времени экспозиции 15 мин для различных значений времени с начала роста дрожжей проиллюстрированы на фиг.8. По оси абсцисс отложен целочисленный параметр N, соответствующий номеру режима. Порядок соответствия: 0 - контрольный; 1 - облучение только магнитным полем; 2 - облучение всем спектром магнитостатических волн; 3 - облучение в диапазоне 6100-6200 МГц; 4 - облучение в диапазоне 6200-6300 МГц; 5 - облучение в диапазоне 6300-6400 МГц; 6 - облучение в диапазоне 6400-6500 МГц. По оси ординат отложено отношение прироста объема биомассы для соответствующего режима δn к приросту биомассы контрольного образца δn₀ (δn=Δn/n₀).

При напряженности поля подмагничивания 1.17012·10⁵ А/м и времени экспозиции 15 мин максимальный эффект действия (подавление биологической активности), как для хлебных дрожжей, так и для микроорганизмов Saccharomyces bayanus штамм LW 185-25 наблюдался при облучении МСВ с величиной пространственного периода в интервале от 3,0 до 1,0 мм (частотный диапазон - 6100-6200 МГц).

Сравнительный анализ полученных результатов и данных по прототипу позволяет сделать вывод - воздействие МСВ волн на микроорганизмы не менее эффективно. В частности, при реализации заявляемого способа: 1) примерно в 1,5-6 раза больше величина параметра, характеризующего изменение прироста объема биомассы по сравнению с контрольным (необлученным) образцом; 2) существенно меньше (не менее чем в 10-20 раз) время облучения (время экспозиции), необходимое для достижения количественно близкого результирующего эффекта, т.е. подавления или увеличения биологической активности.

Изобретение относится к биологии, медицине и фармакологии. Способ изменения биологической активности микроорганизмов включает воздействие на микроорганизмы в течение от 5 до 60 минут излучением магнитостатической волны, характеризующейся напряженностью магнитного поля смещения от 1.592·10⁴ до 1.592·10⁵ А/м, частотами от 2 до 8 ГГц и мощностью от 1 до 100 мкВт. Реализация заявленного способа позволяет регулировать в процессе роста микроорганизмов объем их биомассы, получаемой за один и тот же промежуток времени. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ изменения биологической активности микроорганизмов облучением, отличающийся тем, что на микроорганизмы в течение от 5 до 60 мин воздействуют излучением магнитостатической волны, характеризующейся напряженностью магнитного поля смещения от 1.592·10⁴ до 1.592·10⁵ А/м, частотами от 2 до 8 ГГц и мощностью от 1 до 100 мкВт.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, воздействуя на микроорганизмы магнитным полем смещения от 1.592·10⁴ до 7.96·10⁴ А/м, увеличивают прирост объема биомассы дрожжей.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, воздействуя на микроорганизмы магнитным полем смещения от 7.96·10⁴ до 1.592·10⁵ А/м, уменьшают прирост объема биомассы дрожжей.4. Способ по п.2, отличающийся тем, что, воздействуя на микроорганизмы излучением с длиной волны от 1,6 до 1,0 мм, регистрируют наибольшее увеличение прироста объема биомассы дрожжей.5. Способ по п.3, отличающийся тем, что, воздействуя на микроорганизмы излучением с длиной волны от 3,0 до 1,0 мм, регистрируют наибольшее уменьшение прироста объема биомассы дрожжей.6. Способ по п.4, отличающийся тем, что, воздействуя на микроорганизмы с временем экспозиции 15 мин, регистрируют наибольший прирост объема биомассы дрожжей.7. Способ по п.6, отличающийся тем, что, воздействуя на микроорганизмы излучением мощностью 3 мкВт, регистрируют наибольший прирост объема биомассы дрожжей.