Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В СРЕДАХ С ДЕТЕРМИНИРОВАННЫМ ИЗОТОПНЫМ СОСТАВОМ

Техническое решение относится к биофизике, микробиологии и медицине и может быть использовано в фармацевтической промышленности.

Известно, что многие физические и химические процессы в живых системах сопровождаются изотопным фракционированием атомов биологически значимых элементов, прежде всего Н, С, О и N (смотри Schmidt H.L., Robins R.J., Werner R.A. Multi-factorial in vivo stable isotope fractionation: causes, correlations, consequences and applications // Isotopes in Environmental and Health Studies. 2015. Vol. 51, №1, P. 155-199). Изменения соотношения тяжелых и более легких изотопов биогенных элементов являются основой для возникновения как квантовых (туннельных), так и термодинамических и, как следствие, кинетических изотопных эффектов, проявляющихся в естественных условиях ускорением, замедлением или разветвлением метаболических реакций, а также изменением скорости поступления метаболитов по транспортным каналам, приводящих к локальному флуктуационному увеличению пула биологически активных веществ (смотри Basov A., Fedulova L., Vasilevskaya Е., Dzhimak S. Possible mechanisms of biological effects observed in living systems during ²H/¹H isotope fractionation and deuterium interactions with other biogenic isotopes // Molecules. 2019. Vol. 24 (22). P. 4101. doi:10.3390/molecules24224101) в отдельных компартментах или органоидах клетки. Кроме того, изменение естественного изотопного соотношения в некоторых структурных компонентах живых систем сопровождается модификацией механизмов отдельных биохимических реакций, что обусловлено у животных и растений, например, компартментализацией (смотри Brenna J.T. Natural intramolecular isotope measurements in physiology: elements of the case for an effort toward high-precision position-specific isotope analysis // Rapid Communicat. in Mass Spectrometry. - 2001. - 15. - P. 1252-1262) и в целом может приводить, в том числе, к более быстрому возникновению адаптации при воздействии различных стрессовых факторов. Выявлено наличие парамагнитных изотопных эффектов у некоторых металлов (кальция, магния, цинка), принимающих участие в биокатализе (смотри монографию академика РАН Buchachenko, A.L. Magnetic isotope effect in chemistry and biochemistry // New York: Nova Science Publ., 2009. P. 105), в которых показано изменение активности ферментов, регулирующих энергообмен. Кроме того, известно о передаче генетической информации в клетках, в зависимости от изотопного состава среды (смотри Кольтовер В.К., Шевченко У.Г., Авдеева Л.В., Ройба Е.А., Бердинский В.Л., Кудряшова Е.А. Магнитно-изотопный эффект магния в живой клетке // Доклады Академии наук. 2012. Т. 442. №2. Р. 272-274).

Известны способы усиления роста Е. coli с использованием стабильных изотопов Mg, С, Н, N и О, которые в определенных концентрациях вызывали увеличение скорости биохимических процессов и биологический рост кишечной палочки, (смотри Шевченко У.Г., Бердинский В.Л., Авдеева Е.И., Алиджанов Э.К. Способ повышения продуктивности микроорганизмов Е. coli. Патент на изобретение RUS 2476593 27.06.2011; Xie X., Zubarev R.A. Isotopic Resonance Hypothesis: Experimental Verification by Escherichia coli Growth Measurements // Scientific reports. 2015. 5. P. 9215. doi: 10.1038/srep09215). Предлагаемым механизмом авторы считают снижение сложности системы (по разнице между средней и моноизотопной молекулярными массами) как общего числа различных квантово-механических состояний.

Наиболее близким к заявляемому принят способ повышения продуктивности микроорганизмов Е. coli, смотри патент на изобретение RUS 2476593 от 27.06.2011. Способ заключается в подготовке суспензии микроорганизмов, перемешивании ее в процессе культивирования в присутствии сульфата магнитного изотопа магния ²⁵Mg в количестве 2,2 ммоль/л, что обеспечивает увеличение стимуляции роста клеток бактерий Е. coli.

Данный способ не обладает высокой степенью эффективности, а также достаточно широким спектром функциональных возможностей, поскольку:

1. Ограничена возможность применения данного способа при полиизотопной терапии, поскольку используется только один изотоп ²⁵Mg, что ограничивает применение данного способа для широкого спектра изотопов.

2. Сужена возможность применения моноизотопных и полиизотопных сред культивирования для повышения продуктивности и метаболической активности других видов микроорганизмов, т.к. применение данного способа ограничивается штаммами Е. coli.

3. Не используется селективный подход выбора изотопных пар для формирования условий возникновения изотопного резонанса в мультиизотопной биосреде.

Технической задачей заявленного изобретения является повышение эффективности применения стабильных изотопов биогенных элементов для увеличения биологического эффекта (увеличение скорости биохимических процессов и биологический рост микроорганизмов) и расширение спектра функциональных возможностей способа.

Нами было установлено, что возможно увеличение спектра используемых изотопов, а также возможен подбор пар изотопов. Для подбора пар изотопов с целью получения биологического эффекта необходимо соблюдение следующих условий (смотри Basov A., Fedulova L., Vasilevskaya Е., Dzhimak S. Possible mechanisms of biological effects observed in living systems during ²H/¹H isotope fractionation and deuterium interactions with other biogenic isotopes // Molecules. 2019. Vol. 24 (22). P. 4101. doi: 10.3390/molecules24224101).

1. Возникновение нейтронного эффекта в биологических системах наблюдается при наличии химических связей между атомами, у которых имеется суммарное преобладание нейтронов над протонами, выражаемое нечетными положительными числами (1, 3, 5, 7 и т.д.): Nn-Np=2k+1, где k ∈ Z, n - нейтрон, p - протон.

2. Возникновение нейтронного эффекта в биологических системах наблюдается при наличии химических связей между атомами, у которых имеется дробный результирующий спин ядер: 2k ≠ А-спин+ А'-спин ≠ 2k+1, где к ∈ Z, А-спин - спин атома.

3. Возникновение нейтронного эффекта в биологических системах наблюдается при наличии химических связей между атомами, у которых имеется противоположный знак спина ядер: R-спин ^-+, где «+» и «-» представляют собой четность ядра атома.

4. Усиление изотопного резонанса (повышение продуктивности микроорганизмов или усиление их метаболической активности) возрастает в следующем ряду условий:

Nn-Np=2k+1 >> 2k ≠ А-спин+ А'-спин ≠ 2k+1 >> R-спин ^-+, где k ∈ Z, n - нейтрон, p - протон, «+» и «-» представляют собой четность ядра атома.

5. Неаддитивное усиление изотопного резонанса ожидается при парном сочетании любых двух условий из трех первых перечисленных (1-2, 1-3, 2-3).

6. Наиболее благоприятные условия для возникновения максимального изотопного резонанса в биологических системах наблюдаются при сочетании всех трех первых условий, что подтверждается экспериментальными данными (смотри Xie X., Zubarev R.A. Isotopic Resonance Hypothesis: Experimental Verification by Escherichia coli Growth Measurements // Scientific reports. 2015. 5. P. 9215. doi: 10.1038/srep09215).

7. В атомах металлов при отсутствии ковалентных или координационных связей величина изотопного резонанса пропорциональна свойствам атома металла: разнице нейтронов и протонов его образующих, спину ядра и четности ядра.

Для решения технической задачи предлагается способ повышения продуктивности микроорганизмов в среде с заданным изотопным составом, заключающийся в том, что готовят суспензию микроорганизмов, которую перемешивают в присутствии стабильных изотопов в процессе культивирования. При этом, осуществляют подбор моноизотопа или изотопных пар, имеющих химическую связь по формуле:

Nn-Np=2k+1,

где k ∈ Z (Z - множество неотрицательных целых чисел), Nn - число нейтронов, Np - число протонов,

и при получении положительных целых нечетных значений к можно сделать вывод о возникновении изотопного резонанса, сопровождающегося повышением продуктивности микроорганизмов или усилением их метаболической активности, а при получении отрицательных целых чисел или положительных четных значений можно сделать вывод об отсутствии изотопного резонанса, приводящего к повышению продуктивности микроорганизмов. После чего подбирают моноизотоп или изотопную пару, обладающих возможностью обеспечивать наиболее благоприятную среду для повышения продуктивности микроорганизмов.

Способ осуществляют следующим образом.

Осуществляется подбор моноизотопа или изотопных пар, имеющих химическую связь, по формуле: Nn-Np=2k+1,

где k ∈ Z (Z - множество неотрицательных целых чисел), Nn - число нейтронов, Np - число протонов. Далее, в процессе культивирования, подготовленную суспензию микроорганизмов перемешивают в присутствии стабильных изотопов. Учитывая, что при получении положительных целых нечетных значений возникает изотопный резонанс, сопровождающийся повышением продуктивности микроорганизмов или усилением их метаболической активности, а при получении отрицательных целых чисел или положительных четных значений изотопный резонанс, приводящий к повышению продуктивности микроорганизмов отсутствует, осуществляют подбор моноизотопа или пар изотоп.

Проведя расчеты по предлагаемой формуле и сравнив ряд полученных результатов с опубликованными экспериментальными исследованиями, ссылки на которые указаны в примечании к таблице 1, нами было получено подтверждение достоверности и эффективности заявляемого способа.

Примечание: n - нейтрон; p - протон; D - дейтерий; R-спин - результирующий спин; а под обозначениями латинскими буквами: а, b, с, d, е, f, g, h указаны источники публикаций научных статей, где приводятся результаты, совпадающие с нашими расчетами по предлагаемому способу.

[a] Xie X., Zubarev R.A. Isotopic Resonance Hypothesis: Experimental Verification by Escherichia coli Growth Measurements // Scientific reports. 2015. 5. 9215. doi: 10.1038/srep09215;

[b] Buchachenko A.L., Kuznetsov D.A., Breslavskaya N.N., Shchegoleva L.N., Arkhangelsky S.E. Calcium induced ATP synthesis: Isotope effect, magnetic parameters and mechanism // Chemical Physics Letters. 2011. 505. P. 130-134;

[c] Buchachenko A. L., Kouznetsov D. A. Efficiency of ATP synthase as a molecular machine // Biophysics. 2008. Vol.53. № 3. P. 219-222;

[d] Lysenko O.B., Demikhov Y.N., Skul'skii N.A., Sobotovich E.V. The role of a magnetic effect in uranium isotope fractionation // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2014. Vol. 8. Is. 6. P. 870-873;

[e] Andriukonis E., Gorokhova E. Kinetic ¹⁵N-isotope effects on algal growth // Scientific reports. 2017. №7. P. 44181. doi: 10.1038/srep44181;

[f] Crotty F.V., Blackshaw R.P., Murray P.J. Differential growth of the fungus Absidia cylindrospora on ¹³C/¹⁵N-labelled media // Rapid Comm. Mass Spectrom. 2011. № 25. P. 1479-1484;

[g] Li X., Snyder M.P. Yeast longevity promoted by reversing aging-associated decline in heavy isotope content // NPJ Aging Mech. Dis. 2016. №2. P. 16004. doi:10.1038/npjamd.2016.4;

[h] Dennis C.A., MacNeil M.A., Rosati J.Y., Pitcher Т.Е., Fisk A.T. 2010 Diet discrimination factors are inversely related to 5¹⁵N and 8¹³C values of food for fish under controlled conditions // Rapid Commun. Mass. Spectrom. 2010. №24. P. 3515-3520. doi:10.1002/rcm.4807.

Таким образом, из проведенных нами расчетов, которые подтверждены экспериментальными данными, отраженными в таблице 1, можно сделать вывод, что поставленная техническая задача подбора оптимальных пар и отдельных стабильных изотопов биогенных элементов решается за счет предлагаемого способа, позволяющего достигать повышения скорости биохимических процессов и биологический рост микроорганизмов.

Предлагаемый способ позволит более эффективно, чем в прототипе получать клеточные культуры с заданным изотопным составом, что даст возможность прогнозировать и создавать условия для ускорения биохимических процессов в микроорганизмах, а в случае необходимости даже решать задачу с их замедлением.