Вода c модифицированным изотопным составом со сниженным содержанием дейтерия (ВМИС ССД) обладает потенциалом в противоопухолевой терапии, особенно в отношении методов, вызывающих окислительный стресс в раковых клетках [1]. ВМИС ССД может облегчить вызванные ожирением состояния и связанные с ним метаболические нарушения [2].

Введение в пищевой рацион ВМИС ССД приводит к формированию изотопного D/H градиента в первые три недели между плазмой крови и тканями органов. Происходит снижение концентрации дейтерия в крови на 93,6% и в тканях печени, почки и сердца на 37,6%, 39,9% и 37,6% соответственно, что сопровождается изменением адаптационных возможностей организма [3].

С целью изучения механизмов влияния D/H градиента на энергообмен в печени была исследована динамика продукции перекиси водорода изолированными митохондриями печени крыс в зависимости от наличия предварительной адаптации к пониженному содержанию дейтерия в питьевом рационе in vivo и инкубации in vitro в среде с пониженной концентрацией дейтерия. При инкубации в среде, обеднённой дейтерием, выявили рост на 35% генерации перекиси водорода митохондриями, выделенными из гепатоцитов крыс, потреблявших питьевую воду с пониженной концентрацией дейтерия (46 ppm), по сравнению с митохондриями из клеток печени крыс, потреблявших воду с концентрацией дейтерия 152 ppm. Выявленное изменение функциональной активности митохондрий свидетельствует о способности организма животных адаптироваться к режиму потребления питьевой воды, обеднённой дейтерием, что, возможно, обусловлено формированием трансмембранного изотопного градиента D/H [4]. Полученные результаты коррелируют с данными X. Zhang и др. Ими установлено, что ВМИС ССД ингибирует пролиферацию клеток, главным образом, вызывая дисбаланс между продукцией и нейтрализацией АФК в митохондриях и, таким образом, вызывая окислительный стресс в клетках [5]. Согласно этой же работе, ВМИС ССД модулирует экспрессию белков, участвующих в следующих клеточных процессах: клеточный цикл, активность оксидоредуктазы, метаболизм глутатиона и др.

Таким образом, механизм влияния дейтерия должен лежать глубже – возможно в воздействии на свойства молекул ДНК при попадании в них атома дейтерия, за счет чего могут изменяться процессы транскрипции, что в свою очередь окажет влияние на экспрессию.

Для проверки этого предположения нами были проведены следующие модельные эксперименты: для моделирования процессов расплетения двойной спирали ДНК, образования открытых состояний и пузырей в двойной спирали ДНК мы применили математическую модель, описывающую вращательное движение азотистых оснований вокруг сахаро-фосфатного остова молекулы ДНК [6].

Проведенные методами математического моделирования оценочные эксперименты по влиянию изотопного D/H обмена на процессы раскрытия пар оснований показывают, что присутствие дейтерия в последовательности нуклеотидов может приводить – в зависимости от значений энергии разрыва водородной связи – как к увеличению, так и к уменьшению вероятности возникновения открытых состояний [7,8]. В естественных условиях атом дейтерия более вероятно способен замедлять скорость считывания генетической информации в процессах транскрипции, сужая при персистентном воздействии в течение клеточного цикла низкоинтенсивного неблагоприятного фактора диапазон регуляторных механизмов и приводя к снижению адаптационного потенциала у клетки.

Более того, нельзя исключить и другие механизмы реализации изотопных эффектов при их включении в макромолекулы, например, связанные с изотопным резонансом [9,10] в живых системах. Поэтому даже при замене в молекуле ДНК всего одного атома протия на дейтерий и одинаковой средней скорости репликации ДНК могут возникать отдельные периодические замедления и эквивалентные им в таком случае по суммарной выраженности ускорения, хотя в целом и нивелирующие друг друга, но способные за счет изменения внутритактового паттерна считывания генетической информации приводить к общему накоплению ошибок ее воспроизведения, сопровождающихся на определенном этапе переходом количественных изменений (число сбоев репликации) в качественные дефекты структуры ДНК.

Таким образом, участие атомов дейтерия в образовании водородных связей двойных спиралей молекул ДНК может приводить к изменению времени передачи генетической информации, чем можно объяснить влияние даже небольших изменений концентрации дейтерия в среде на метаболические процессы у живых систем.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук проект МК-2366.2022.1.4 и государственного задания ЮНЦ РАН № 122020100351-9.

1. Yaglova, N.V., Timokhina, E.P., Obernikhin, S.S., et al. Int. J. Mol. Sci. 2023, 24, 3107. doi: 10.3390/ijms24043107

2. Halenova T., Zlatskiy I., Syroeshkin A., et al. Molecules 2020, 25(1), 23. doi: 10.3390/molecules25010023

3. Dzhimak S. S., Barishev M. G., Basov A. A., et al. Biophysics, 2014, Vol. 59, No. 4, pp. 614–619 doi: 10.1134/S0006350914040101

4. Dzhimak S.S., Basov A.A., Volchenko N.N., et al. Doklady Biochemistry and Biophysics, 2017, Vol. 476, P. 323–325. DOI: 10.1134/S1607672917050088

5. Zhang et al., Molecular & Cellular Proteomics, 2019, 18(12), 2373–2387. doi: 10.1074/mcp.RA119.001455

6. Svidlov A., Drobotenko M., Basov A., et al. International Journal of Molecular Sciences. 2021. Vol.22. №15. P. 7873. doi: 10.3390/ijms22157873

7. Dzhimak S.S., Drobotenko M.I., et al. Doklady Biochemistry and Biophysics. 2018. Vol. 483. P. 359–362. doi: 10.1134/S1607672918060169.

8. Svidlov A.A., Drobotenko M.I., et al. Physics of Wave Phenomena. 2021. Vol. 29. №2. P. 180–185. doi: 10.3103/S1541308X2102014X

9. Xie X., Zubarev R.A. Isotopic Resonance Hypothesis: Experimental Verification by Escherichia coli Growth Measurements. Scientific reports. 2015. V. 5. № 9215. doi: 10.1038/srep09215

10. Basov A.A., Fedulova L.V., Vasilevskaya E.R., et al. Molecules. 2019. V. 24. № 22. P. 4101. doi: 10.3390/molecules24224101

Deuterium-depleted water (DDW) has potential in antitumor therapy, especially in relation to methods that cause oxidative stress in cancer cells [1]. DDW can alleviate obesity-induced conditions and associated metabolic disorders [2].

The introduction of DDW into the diet leads to the formation of an isotope D/H gradient between blood plasma and organ tissues in the first three weeks. There is a decrease in the concentration of deuterium in the blood by 93.6% and in the tissues of the liver, kidney and heart by 37.6%, 39.9% and 37.6%, respectively, which is accompanied by a change in the adaptive capacity of the organism [3].

In order to study the mechanisms of the effect of the D/H gradient on energy metabolism in the liver, the dynamics of hydrogen peroxide production by isolated rat liver mitochondria was studied depending on the presence of preliminary adaptation to a reduced content of deuterium in the drinking diet in vivo and incubation in vitro in a medium with a reduced concentration of deuterium. When incubated in a medium depleted of deuterium, an increase of 35% in the generation of hydrogen peroxide by mitochondria isolated from hepatocytes of rats that consumed drinking water with a reduced concentration of deuterium (46 ppm) was revealed, compared with mitochondria from liver cells of rats that consumed water with a deuterium concentration of 152 ppm. The revealed change in the functional activity of mitochondria indicates the ability of the animal body to adapt to the mode of consumption of drinking water depleted in deuterium, which may be due to the formation of a transmembrane D/H isotope gradient [4]. The results obtained correlate with the data of X. Zhang et al. They found that DDW inhibits cell proliferation, mainly by causing an imbalance between the production and neutralization of ROS in mitochondria and, thus, causing oxidative stress in cells [5]. According to the same work, DDW modulates the expression of proteins involved in the following cellular processes: the cell cycle, oxidoreductase activity, glutathione metabolism, etc. deuterium, due to which transcription processes can change, which in turn will affect expression.

To test this assumption, we carried out the following model experiments: to simulate the processes of unwinding the DNA double helix, the formation of open states and bubbles in the DNA double helix, we used a mathematical model that describes the rotational movement of nitrogenous bases around the sugar-phosphate backbone of the DNA molecule [6].

Evaluation experiments on the effect of D/H isotope exchange on base pair opening processes carried out by mathematical modeling methods show that the presence of deuterium in a nucleotide sequence can lead, depending on the values of the hydrogen bond breaking energy, both to an increase and a decrease in the probability of the occurrence of open states. [7,8]. Under natural conditions, the deuterium atom is more likely to slow down the rate of reading genetic information in transcription processes, narrowing the range of regulatory mechanisms under persistent action during the cell cycle of a low-intensity unfavorable factor and leading to a decrease in the adaptive potential of the cell.

Moreover, one cannot rule out other mechanisms of realization of isotope effects when they are included in macromolecules, for example, those associated with isotope resonance [9, 10] in living systems. Therefore, even when only one protium atom is replaced by deuterium in the DNA molecule and the average rate of DNA replication is the same, separate periodic slowdowns can occur and, in this case, equivalent to them in terms of the total severity of acceleration. Although generally leveling each other, but capable, due to a change in the intracycle pattern of reading genetic information, lead to a general accumulation of errors in its reproduction, accompanied at a certain stage by the transition of quantitative changes (the number of replication failures) into qualitative defects in the DNA structure.

Thus, the participation of deuterium atoms in the formation of hydrogen bonds in double helixes of DNA molecules can lead to a change in the time of transmission of genetic information, which can explain the effect of even small changes in the concentration of deuterium in the environment on metabolic processes in living systems.

This work was supported by the grant of the President of the Russian Federation for the state support of young Russian scientists - candidates of sciences project MK-2366.2022.1.4 and the state task of the SSC RAS No. 122020100351-9.

1. Yaglova, N.V., Timokhina, E.P., Obernikhin, S.S., et al. Int. J. Mol. Sci. 2023, 24, 3107. doi: 10.3390/ijms24043107

2. Halenova T., Zlatskiy I., Syroeshkin A., et al. Molecules 2020, 25(1), 23. doi: 10.3390/molecules25010023

3. Dzhimak S. S., Barishev M. G., Basov A. A., et al. Biophysics, 2014, Vol. 59, No. 4, pp. 614–619 doi: 10.1134/S0006350914040101

4. Dzhimak S.S., Basov A.A., Volchenko N.N., et al. Doklady Biochemistry and Biophysics, 2017, Vol. 476, P. 323–325. DOI: 10.1134/S1607672917050088

5. Zhang et al., Molecular & Cellular Proteomics, 2019, 18(12), 2373–2387. doi: 10.1074/mcp.RA119.001455

6. Svidlov A., Drobotenko M., Basov A., et al. International Journal of Molecular Sciences. 2021. Vol.22. №15. P. 7873. doi: 10.3390/ijms22157873

7. Dzhimak S.S., Drobotenko M.I., et al. Doklady Biochemistry and Biophysics. 2018. Vol. 483. P. 359–362. doi: 10.1134/S1607672918060169.

8. Svidlov A.A., Drobotenko M.I., et al. Physics of Wave Phenomena. 2021. Vol. 29. №2. P. 180–185. doi: 10.3103/S1541308X2102014X

9. Xie X., Zubarev R.A. Isotopic Resonance Hypothesis: Experimental Verification by Escherichia coli Growth Measurements. Scientific reports. 2015. V. 5. № 9215. doi: 10.1038/srep09215

10. Basov A.A., Fedulova L.V., Vasilevskaya E.R., et al. Molecules. 2019. V. 24. № 22. P. 4101. doi: 10.3390/molecules24224101