Терагерцеве випромінювання може руйнувати нитки білка актину, який є компонентом клітинного каркаса еукаріотичних клітин і відповідає за багато важливих процесів у них. Японські вчені провели серію експериментів і з'ясували, що ударні хвилі, що виникають у водних розчинах і тканинах організму під впливом цього випромінювання, можуть перешкоджати реакції полімеризації актину, але при цьому не впливають на цілісність і життєздатність клітини. Це відкриває можливості для маніпуляцій клітинними функціями та терапії раку, йдеться в статті, опублікованій в журналі.
Проміжок між інфрачервоним і мікрохвильовим діапазонами шкали електромагнітних хвиль називається терагерцевим діапазоном. Частоти, що відповідають цьому проміжку, знаходяться в діапазоні від 0,1 до 10 терагерць, що відповідає довжинам хвиль від 0,01 до 3 міліметрів (субміліметрові радіохвилі).
Цей діапазон радіохвиль має ряд особливостей, що викликають підвищений інтерес з точки зору їх застосування на практиці. Наприклад, терагерцеве випромінювання добре поглинається водою, але при цьому проникає крізь діелектричні матеріали, такі як дерево, папір, пластмаси, а невелика енергія кванту (від 0,4 до 40 мільйелектронвольт) не призводить до іонізації атомів речовини, на відміну від рентгенівських променів. У зв'язку з цим випромінювання терагерцевого діапазону застосовується в сканерах для персонального огляду, а в медицині субміліметрові хвилі використовуються для діагностики раку шкіри.
В останнє десятиліття йде активний розвиток терагерцевих технологій, проте досі немає повної впевненості в безпеці цього випромінювання, тому вчені продовжують досліджувати вплив субміліметрових радіохвиль на біологічні об'єкти.
Шота Ямазакі (Shota Yamazaki) з японського Центру передової фотоніки RIKEN і його колеги досліджували вплив терагерцевих електромагнітних хвиль на клітинний білок актин. У клітці цей білок існує в двох формах, одна з яких - мономерний глобулярний білок G-актин. З нього в результаті процесу полімерізації утворюється друга форма (F-актин), вона являє собою полімерні ланцюжки білків, які є компонентом клітинного каркасу і відіграють ключову роль у процесах рухливості і ділення клітини.
За допомогою флуоресцентної мікроскопії дослідники спостерігали за результатом опромінення терагерцевим лазером на вільних електронах водного розчину, що містить актин. Вони виявили, що випромінювання якимось чином зменшує кількість F-актину в розчині порівняно з контрольним, що не піддавався опроміненню. Припущення про те, що процеси полімеризації актину порушуються через нагрів розчину електромагнітним випромінюванням, що поглинається, не підтвердилося. Температура зросла лише на 1,4 градуса, що недостатньо для таких змін. Прямий вплив фотонів на макромолекули також було виключено через велике значення коефіцієнта поглинання води, що обмежувало глибину проникнення субміліметрових хвиль величиною, що становить не більше відсотка від обсягу зразка.
Автори прийшли до висновку, що найбільш вірогідною причиною спостережуваного зниження кількості ланцюжків F-актину стали ударні хвилі, що утворюються при взаємодії терагерцевого випромінювання з поглинаючим його водним розчином. Для демонстрації виникаючих ударних хвиль дослідники впливали терагерцевим випромінюванням на дистильовану воду. Швидкість виникаючих при цьому ударних хвиль склала 1491 метрів в секунду, що дорівнює швидкості звуку в дистильованій воді при температурі 23 градуси Цельсія, а зафіксована глибина їх проникнення виявилася більше 3 міліметрів, що в 100 разів більше ніж товщина скін-шару у воді для електромагнітних хвиль терагерцевого діапазону.
Крім цього, вчені провели експерименти з опромінення культур живих клітин, які підтвердили зниження в них кількості мікрофіламентів F-актину. При цьому, однак, не було виявлено ознак того, що випромінювання призводить до загибелі клітин.
Це не перше дослідження, присвячене впливу терагерцевих хвиль на клітинні білки. В одній з попередніх робіт ця ж група авторів вже вивчала взаємодію білків актину з терагерцевим випромінюванням, проте результати виявилися іншими. Опромінення активувало зростання актинових мікрофіламентів, замість придушення їх формування. Вчені пов'язують цю відмінність з характеристиками випромінювання. У ранньому дослідженні воно було безперервним і мало частоту 0,49 терагерц, тоді як у новій роботі випромінювання з частотою до чотирьох терагерц подавалося імпульсами.
Таким чином, хвилі терагерцевого діапазону виявилися здатними впливати через ударні хвилі на тканини людського тіла, розташовані на глибині в кілька міліметрів. Дослідники вважають, що це має бути враховано при розробці стандартів безпеки для терагерцевих пристроїв високої потужності. Крім того, вплив терагерцевого випромінювання на полімерізацію актинових клітинних білків може стати інструментом для неруйнівних маніпуляцій клітинними функціями, в тому числі при терапії ракових захворювань.
Зростаючий інтерес до терагерцевого діапазону електромагнітних хвиль сприяє розвитку техніки в цій області. Наприклад, нещодавно фізики з Німеччини розробили нове джерело субміліметрового діапазону хвиль, який відрізняється від раніше створених більшою шириною спектра і дешевизною.