Studying of isotopic effects of heavy water (D2O) in biological systems on example of prokaryotic and eukaryotic cells
Abstract
Isotope effects of deuterium (D) in cells of various taxonomic groups of prokaryotic and eucaryotic microorganisms realizing methylotrophical, chemoheterotrophical, photoorganotrophical, and photosynthetic ways of assimilation of carbon substrates (methylotrophic bacteria, halobacteria, green microalgae) are investigated at growth on media with heavy water (D2О). The method of step by step adaptation technique of cells to D2О is developed, consisting in plating of ctlls on 2% agarose nutrient media containing increasing gradient of concentration of D2О (from 0 up to 98% D2О) and the subsequent selection of stable to D2О cells. Obtained from growth media with a low gradient of D2О concentration, cells were further transferred on growth media with higher gradient of D2О concentration, up to 98% D2О. In the result of that technique it were obtained adapted to maximum concentration of D2О cells, biological material of which instead of hydrogen contained deuterium with levels of enrichment 95% D. Usage of cells adapted to D2О and deuterated natural compounds (protein, amino acids, nucleosides, pigments, carboxydrates, lipids), extracted from them, can find further application in biophysical researches and biomedical technologies
About the Authors
O. V. Mosin
Московский государственный университет пищевых производств, Москва
Russian Federation
Russian Federation
I. . Ignatov
Научно-исследовательский центр медицинской биофизики НИЦ МБ, София, Болгария
Russian Federation
Russian Federation
References
1. Денько Е.И. Действие тяжёлой воды (D2O) на клетки животных, растений и микроорганизмы // Усп. совр. биол. 1970. Т. 70. № 4. 41 c.
2. Ерёмин В.А., Чекулаева Л.Н. Выращивание бактерий Micrococcus lysodeikticus на дейтерированной среде // Микробиология. 1978. Т. 14. C. 125-136.
3. Кишенбаум И. Тяжелая вода // В кн: Физические свойства и методы анализа: Пер. с англ. - M.: Атомиздат. 1953. 8 с.
4. Лобышев В.Н, Калиниченко Л.П. Изотопные эффекты D2O в биологических системах. - М.: Наука. 1978. 215 с.
5. Мосин О.В., Складнев Д.А., Швец В.И. Включение дейтерированных ароматических аминокислот в молекулу бактериородопсина Halobacterium halobium // Прикл. биохим. Микробиол. 1999. Т. 35. № 1. C. 34-42.
6. Мосин О.В., Складнев Д.А., Швец В.И. Исследование физиологической адаптации бактерий на тяжёловодородной среде // Биотехнология. 1999. № 8. C. 16-23.
7. Мосин О.В., Складнев Д.А., Швец В.И. Методы получения белков и аминокислот, меченных стабильными изотопами 2Н, 13С и 15N // Биотехнология. 1996. № 3. C. 12-32.
8. Мосин О.В. Дейтерий, тяжелая вода, эволюция и жизнь // Водоочистка, водоподготовка, водоснабжение. 2009. № 8. С. 64-70.
9. Мосин О.В., Игнатов И. Изотопные эффекты дейтерия в клетках бактерий и микроводорослей // Вода: химия и экология. 2012. № 3. С. 83-94.
10. Мосин О.В., Казаринова Л.А., Преображенская К.А., Складнев Д.А., Чеботаев Д.В., Юркевич А.М., Швец В.И. Рост бактерии Bacillus subtilis на высокодейтерированной среде // Биотехнология. 1996. № 4. C. 19-27.
11. Мосин О.В., Складнев Д.А., Егорова Т.А., Швец В.И. Массспектрометрическая оценка уровня включения 2Н и 13С в молекулы аминокислот бактериальных объектов // Биоорган. химия. 1996. Т. 22. № 10-11. C. 856-869.
12. Мосин О.В., Складнев Д.А., Егорова Т.А., Юркевич А.М., Швец В.И. Изучение биосинтеза аминокислот штаммом Brevibacterium methylicum при росте на средах, содержащих тяжелую воду и дейтерометанол // Биотехнология. 1996. № 3. C. 3-12.
13. Складнев Д.А., Мосин О.В., Егорова Т.А., Еремин С.В., Швец В.И. Метилотрофные бактерии – источники изотопномеченых 2Н- и 13С-аминокислот // Биотехнология. 1996. № 5. C. 25-34.
14. Стом Д.И., Пономарева А.Л., Вятчина О.Ф. Влияние воды с измененным количеством дейтерия на красного калифорнийского гибрида (Eusenia fetida Andrei Bouche) // Бюлл. ВСНЦ СО РАМН. 2006. Т. 6. № 52. C. 167-169.
15. Cioni P., Strambini G.B. Effect of Heavy Water on Protein Flexibility // Biophysical J. 2002. V. 82(6). P. 3246-3253.
16. Cleland W.N., O'Leary M.H, Northrop D.D. Isotope Effects on Enzyme- Catalyzed Reactions. - Baltimore, London, Tokyo: University Park Press. 1976. 303 p.
17. Crespi H.L. Fully deuterated microorganisms: tools in magnetic
18. Mosin O.V., Karnaukhova E.N., Pshenichnikova A.B., Reshetova O.S. Electron impact mass-spectrometry in bioanalysis of stable isotope labeled bacteriorhodopsin // In: 6th Intern. Conf. on Retinal proteins. - Leiden, the Netherlands: Springer Verlag. 1994. 115 p.
19. Mosin O.V., Skladnev D.A., Shvets V.I. Biosynthesis of 2H-labeled phenylalanine by a new methylotrophic mutantBrevibacteriummethylicum //Bioscience,biotechnology,and biochemistry. 1998. V. 62(2). P. 225-229.
20. Vertes A. Physiological effects of heavy water. Elements and isotopes: formation, transformation, distribution. - Dordrecht: Kluwer Acad. Publ. 2004. 112 p. resonance and neutron scattering. Synthesis and Applications of Isotopically Labeled Compounds // In: Proceedings of an International Symposium. Baillie T, Jones J.R eds. - Amsterdam: Elsevier. 1989. P. 329-332.
21. Kushner D.J., Baker A., Dunstall T.G. Pharmacological uses and perspectives of heavy water and deuterated compounds // Can. J. Physiol. Pharmacol. 1999. V. 77(2). P. 79-88.
22. LeMaster D.M. Uniform and selective deuteration in two-dimensional NMR studies of proteins // Ann. Rev. Biophys. Chem. 1990. V. 19. P. 243-266.
23. Lis G., Wassenaar L.I., Hendry M.J. High-Precision Laser Spectroscopy D/H and 18O/16O Measurements of Microliter Natural Water Samples // Anal. Chem. 2008. V. 80(1). P. 287-293.
24. MacCarthy P. Infrared spectroscopy of deuterated compounds: an undergraduate
Review
For citations:
Mosin O.V., Ignatov I. Studying of isotopic effects of heavy water (D2O) in biological systems on example of prokaryotic and eukaryotic cells. Journal Biomed. 2012;1(3):31-50. (In Russ.)
Views:
536
Email this article 
