На информационных

БИОМАКРОМОЛЕКУЛАХ [30]

Прошло несколько десятилетий после того, как лауреаты Нобелевской премии академики РАН А.Н.Прохоров, Н.Г.Басов (Россия) и Чарльз Таунс (США), высказали идею, а затем реализовали ее, о возможности создания квантовых генераторов. Сейчас трудно сказать, в какой области науки и техники они не применяются (от биологии и медицины до лазерного термоядерного синтеза). Последующие исследователи внесли свой крупный вклад в развитие этой проблемы.

В данной части работы ставится вопрос: можно ли in vitro создать лазер на информационных биомакромолекулах, прежде всего на ДНК, РНК и хромосомах? Вряд ли может идти речь о создании энергетически мощных лазеров на этих структурах. Вопрос звучит по-иному: какие новые знания мы можем получить о ДНК, РНК и хромосомах, создав такой лазер и исследуя характер его излучения? Можно думать, что это будут принципиально новые данные. Например, об их нелинейной динамике, в том числе солитонного типа, о ровибронных колебаниях, о модуляциях дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма, переносе энергии в другие, ранее недоступные (в таком варианте методологии) слои информации. При этом динамические модификации лазерного пучка могут иметь cемантико-гено-биознаковый характер и поэтому будут обладать мощной биологической активностью.

Первые соображения по этому поводу были предложены нами ранее [25,30]. В том числе обсуждалась идея о создании лазерной системы на Фрёлиховских модах [3]. Сложность доказательства правильности всех этих мыслей состоит в том, что большинство генетических структур, содержащих в своем составе ароматические и гетероциклические кольца, “прозрачны” для характерного спектрального диапазона l@350400нм. Трудность также и в том, что если использовать мощную оптическую накачку, то это, учитывая “хрупкость” биоструктур, неизбежно приведёт к их разрушению.

В настоящей главе для реализации некоторых из обсуждавшихся положений проведено исследование in vitro спектров двухфотонно-возбуждаемой люминесценции (ДВЛ) геле-жидкокристаллических препаратов нуклеогистона, являющегося суммарной фракцией хромосом, в которой преобладают гистоновые белки, и ДНК (стандартные высокополимерные препараты фирмы “Sigma”). Для существенного увеличечения интенсивности ДВЛ генетических структур нами предложен способ активации люминесценции за счет введения в состав исследуемых образцов активаторов (доноров) ДВЛопределенных (близких по спектру оптического поглощения ДНК и нуклеогистону) органических молекул. Такие молекулы характеризуются большой интенсивностью спектров излучения, которые располагаются в области собственного оптического поглощения ДНК и нуклеогистона. В качестве активатора мы использовали кристаллический препарат димедрола, структура которого включает пару бензольных колец. Для димедрола это обеспечивает интенсивный спектр ДВЛ, имеющий вид широкой асимметричной полосы в диапазне 280 350нм.

Для фотонной накачки исследуемых препаратов мы применяли лазер на парах меди. Этот лазер работает в стандартном импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов 10кГц, со средней мощностью Вт, пиковой мощностью 10 Вт, длинами волн генерации l = 510,8нм и 578,2нм (зеленая и желтая линии), длительностью импульсов нс. Лазерное излучение направляли на исследуемый образец в виде сфокусированного пятна размером мм. Применение такого лазера как инициатора ДВЛ оказалось весьма эффективным при изучении электронно-колебательных спектров белков, ДНК, нуклеогистона и их компонентов (пурины, пиримидины, аминокислоты [19,30]). Регистрирующая аппаратура включала: фильтр для выделения лазерных линий с l=510,8 и 578,2 нм, фильтр для выделения излучений люминесценции в УФ и фиолетовом диапазонах (с подавлением лазерного излучения), монохроматор (тип МДР2) для сканирования спектра в широком интервале (от УФ до видимой области), двухкоординатный самописец для регистрации спектров, измеритель для контроля опорного сигнала и определения эффективности наблюдаемого сигнала. Для подавления тепловых шумов применяли строб-импульс длительностью 2530нс, синхронизированный с импульсом возбуждения. Регистрацию вторичного импульса излучения проводили с ФЭУ130. Исследования спектров ДВЛ геле-жидкокристаллического препарата ДНК в смеси с димедролом (ДНК-ДЛ) и нуклеогистона с димедролом (НГ-ДЛ) показали, что амплитуда ДВЛ спектра ДНК-ДЛ лишь на порядок меньше таковой спектра ДВЛ чистого димедрола. Это обеспечивает существенное увеличение интенсивности ДВЛ смеси ДНК-ДЛ по сравнению с чистым препаратом ДНК в форме жесткого геля [19]. На этом же спектре обнаруживается ряд дополнительных особенностей изучаемых смесей. Оказалось, что квантовый выход ДВЛ для смеси НГ-ДЛ ниже, чем для смеси ДНК-ДЛ. Другая характерная черта  разгорание или тушение ДВЛ во времени. Для НГ-ДЛ наблюдается нарастание ДВЛ во времени. Обратный эффект наблюдается в случае ДНК-ДЛ. Представляет интерес присутствие вибронной структуры в спектрах ДВЛ в виде отдельных перекрывающихся полос в области 310370 нм, особенно для ДНК-ДЛ. Такая структура близка к ранее наблюдавшимся спектрам ДВЛ для нуклеозид-трифосфатов [19].

Механизм резкого увеличения квантового выхода ДВЛ нуклеогистона и ДНК при наличии донор-активатора (димедрола) может быть объяснен быстрой квазирезонансной передачей энергии от возбужденных молекул димедрола к исследуемым геноструктурам. Наблюдаемая при этом тонкая многополосчатая структура ДВЛ спектров коррелирует с характером вибронных полос для ряда ароматических и гетероциклических соединений, включая чистые нуклеозид-трифосфаты и ДНК [19]. Возникновение такого рода дискретизации спектров можно трактовать переходом электронов биомакромолекул с электронного терма S₁ на возбужденные колебательные уровни основного состояния S₀. В связи с этим может быть реализована инверсная заселенность на переходах при достаточном заселении терма .

Проведем оценки необходимой интенсивности лазерного излучения для создания инверсии (суперфлуоресценции) в условиях проведенных опытов.

Условия инверсии записываются следующим образом:

, (1)

где - плотность рабочих молекул в состоянии , - плотность молекул в состоянии , и - соответствующие статистические веса квантовых уровней.

Плотность заселенности оценивается из соотношения

, (2)

где ‑ скорость заселения уровня , - скорость его распада за счет излучательного процесса и (или) безызлучательных процессов.

Для величины имеем оценку:

(3)

где W и - энергия и длительность лазерного импульса, - эффективный объем среды, в котором реализуется двухфотонное поглощение (S - площадь поперечного сечения сфокусированного светового пучка, падающего на исследуемый образец, - эффективная длина проникновения излучения в образец), - плотность биомакромолекул (ДНК или нуклеогистона).

С учетом соотношений (1) (3) условие для cоздания инверсной заселённости суперфлуоресценции записывается в виде

.

Используя характерные данные

(для нм) = Дж,

t@ 10нс, , ,

получаем оценку ,

что близко к использованным значениям интенсивности в наших экспериментах.

Проведенные экспериментальные исследования и их теоретические оценки дают основание достаточно уверенно предполагать, что при используемых режимах двухфотонного возбуждения с использованием активатора-димедрола в геноструктурах in vitro реализуется усиление люминесценции, т.е. излучение ДНК и нуклеогистона носит характер суперфлуоресценции.

Не исключено, что в биосистеме роль димедролоподобных веществ в качестве активаторов могут выполнять эндогенные соединения, прямо или косвенно взаимодействующие с ДНК и хромосомами (стероидные гормоны, углеводы, нуклеозид -моно, -ди и -трифосфаты, некоторые витамины (например, рибофлавин), ароматические и гетероциклические аминокислоты, катехол- и индолалкиламины, некоторые антибиотики, наркотические вещества (например, эндогенные морфины  метаболиты этанола и пептиды-эндорфины), алкалоиды, токсины, ко-факторы ферментов, гем-содержащие белки и другие многочисленные органические соединения, содержащие бензольные и гетероциклические компоненты.

Неясны условия реализации инверсной электронной заселенности геноструктур in vivo, близкие тем, которые использовались нами в режимах ДВЛ. Такие условия могут создаваться в биосистемах, например, за счет фотон-фононных взаимодействий в ДНК в рамках теории Дике[28].

Однако, это относится к чисто физическим механизмам. Что касается физико-биохимических процессов, приводящих к лазерной накачке ДНК и хромосом in vivo, то в качестве таковых можно предсказать наличие в биосистемах мощных АТФ-азных систем, поставляющих энергию для перевода генетических структур в биокогерентные состояния (аналогичные тем, что как частный случай изложены в настоящей главе).