История изучения влияния D2O на биологические объекты

Изучение влияния тяжелой воды на самые разные живые организмы началось сразу после по­лучения этого соединения в значительных количествах. К настоящему времени накоплен большой объем информации по данному вопросу.

Одно из первых сообщений о биологическом влиянии тяжелой воды появилось еще в 1934 г., т. е. через год после открытия этого соединения. Было обнаружено, что концентрированная D₂0 (> 90 ат. % D) остается стерильной, несмотря на попадание пыли из воздуха. Тогда был сделан вывод о губительном влиянии дейтерия, приводящем к неспособности микроорганизмов расти в D₂O.

Подробные исследования показали, что эффект ингибирования роста микроорганизмов тем сильнее, чем выше содержание D₂O в среде. Более того, гораздо позже было показано, что при низких концентрациях (0,1-2 %) тяжелая вода может стимулировать рост культур. (Однако мы не будем рассматривать это направление использования дейтерированной воды, поскольку цель обзо­ра — привести данные по получению высоко меченых биологически активных соединений.)

В последующие годы проводилось много исследований по изучению изотопного эффекта дейте­рия на ростовые характеристики различных видов бактерий. В результате подтвердилось нега­тивное влияние на их рост на средах с D₂O по сравнению с ростом на протонированных средах: уве­личение времени генерации, увеличение протяженности лаг-фазы, снижение выхода микробной биомассы. Многие исследователи отмечали изменения в морфологии клеток, происходящие на сре­дах с D₂O: образование почечных формаций у Eberthella typhosa, переход от грамположительности к грамотрицательности у Lactobacillus acidophilus, существенное увеличение размеров клеток (от 0,2 до 13 мкм) Azotobacter agilis, изменения формы и размеров клеток энтеробактерий Escherichia coli и микроводорослей Chlorella vulgaris. В то же время было показано отсутствие мутагенного эффекта на исследуемые микроорганизмы.

Продолжение исследований особенностей культивирования микроводорослей на средах с D₂0 позволило преодолеть цитостатическое действие тяжелой воды путем отбора адаптированых форм, а также установить, что степень ингибирования роста уменьшается при снижении температуры культивирования. Наиболее важным результатом этого этапа биологических исследований с тяже­лой водой явилось установление того факта, что экстракты клеток водорослей, выращенных на D₂O, оказались очень сильными стимуляторами роста микроорганизмов на средах с максимальны­ми концентрациями D₂O. Это открытие позволило Креспи (G. Crespi) успешно культивировать Bacillus tiberius, В. subtillis, В. cereus, Hemophilius influensae, Rhodospirillum rubrum и основные штаммы E. colina полностью дейтерированных средах. При приготовлении таких полноценных ро­стовых сред использовались высококонцентрированная D₂O и экстракты дейтерированной биомас­сы водорослей в качестве источника углерода.

Первые исследования изотопных эффектов дейтерия D₂O с эукариотическими микроорганизма­ми были проведены на культурах дрожжей Saccharomyces cerevisiae, Candida utilis и грибов Aspergillis niger, Penicillum janczewskii.

Основным выводом, сделанным к моменту завершения данного этапа исследований (1960-е гг.), можно считать устоявшееся представление о том, что для каждого микроорганизма, для каждой метаболической или физиологической системы действие тяжелой воды может оказаться совер­шенно непредсказуемым. Например, уровень каротиногенеза на средах, содержащих D₂O, у од­них культур повышался, у других — полностью блокировался, по-разному проходили процессы спорообразования у разных культур микроскопических грибов при разных концентрациях D₂O и др.

Таким образом, накопленные знания привели к двум последствиям. С одной стороны, «несис­темное» действие тяжелой воды на биологические объекты вызвало заметное снижение интереса к исследованиям изотопного эффекта дейтерия. С другой стороны, возможность культивирования микроорганизмов на средах с максимальными концентрациями дейтерия указывала путь получе­ния дейтерированных аналогов различных биологически активных соединений для разнообраз­ных вариантов научного и практического использования.

Высокая степень гигроскопичности высокообогащенной тяжелой воды диктует определенные правила работы с ней при использовании в качестве заменителя обычной воды в составе ростовых сред для микроорганизмов. Дейтериевая метка может существенно разбавляться протием погло­щаемой атмосферной влаги, что особенно нежелательно при длительном культивировании. Для предотвращения изотопного разведения в ходе проведения обычных микробиологических проце­дур используют специальные пористые сушащие фильтры, обеспечивающие как стерильность про­цессов культивирования, так и блокирование поступления влаги из воздуха.

3.