О феномене биомагнетизма делящихся клеток известно с начала 60-х годов. Этот эффект заключается в появлении в спектрах ЭПР широких линий в области g=2.2-2.3. Он был обнаружен в интенсивно делящихся клетках дрожжей, коррелировал с изменением их статической магнитной восприимчивости и получил название феномена «широких линий ЭПР» [1-3]. Было установлено, что магнетизм в полусинхронной культуре клеток дрожжей возникает в период непосредственно предшествующий почкованию. После деления клеток сигнал исчезает [1-3]. Предполагалось, что сигнал может быть связан с кластерами предположительно ионов железа, возникающими на определенном этапе клеточного цикла. Однако природа возникновения этих сигналов в делящихся клетках не до конца понятна и по-прежнему вызывает большой интерес.

В данной работе упомянутый феномен магнетизма при делении клеток впервые обнаружен в интенсивно делящихся растительных клетках. В качестве объекта исследования были использованы культуры интенсивно делящихся клеток неморфогенного каллуса гречихи татарской Fagopyrum tataricum. Целью работы было изучить магниторезонансные характеристики сигналов для установления их происхождения (физической природы).

Методом ЭПР спектроскопии изучали замороженные и лиофилизованные образцы клеток. Образцы клеточной культуры отбирали ежесуточно после пересадки на питательную среду в процессе ее роста. Установлено, что спектры ЭПР образцов культуры клеток существенно зависели от фазы роста культуры. Результаты ЭПР исследования показали, что в процессе роста клеточной культуры происходит сильное изменение магнитных свойств, заключающееся в появлении интенсивных, зависящих от ориентации магнитного поля сигналов ЭМР (ФМР) в период фазы ускорения роста культуры (3-4 день после пересадки). Интегральная интенсивность спектров ЭПР имеет максимум на 3-й или 4-й день. Проведено более 10 серий независимых экспериментов. Увеличение сигнала происходит за счет появления сигнала ЭМР в области g-фактора 2.1÷2.2. Изучены температурные и угловые зависимости сигналов ЭМР.

В результате проведенного исследования установлено, что характеристики сигналов ЭМР (Hres(T), ΔH(T) и интегральная интенсивность) в диапазоне температур 100К-260К соответствуют поведению нанокристаллитов магнетита Fe3O4 с характерным фазовым переходом Вервея, что было описано нами ранее в работе [4]. Наличие угловой зависимости свидетельствует о ферримагнитных свойствах Fe3O4.

Была построена кривая изменения интегральной интенсивности спектра ЭПР от времени. Одновременно с ЭПР измерениями были получены кривая прироста клеточной массы, а также кривая зависимости митотического индекса от времени культивирования с момента пересадки культуры.

Установлено, что момент появления максимального сигнала ЭМР коррелирует с моментом регистрации максимального значения митотического индекса, что демонстрирует связь появления магнитных свойств с процессом деления клеток.

Культивирование клеточных культур проводили в КИББ ФИЦ КазНЦ РАН в рамках выполнения госзадания.

Исследования образцов методом ЭПР спектроскопии проводили в КФТИ ФИЦ КазНЦ РАН в рамках выполнения госзадания.



1. O.P.Samoilova, L.A.Blumenfeld. Biofizika (in Russian.), 6, Issue 1, 15-19 (1961)

2. A.I.Tsapin, O.P.Samoilova, L.A.Blumenfeld. Biofizika (in Russian), 34, Issue 4, 15-19 (1989)

3. O.P.Samoilova, A.I.Tsapin, L.A.Blumenfeld. Biofizika (in Russian), 40, Issue 2, 383-388 (1995)

4. Yurtaeva S.V., Efimov V.N., Yafarova G.G. et al. Appl. Magn. Res. 47, 555-565 (2016)

The phenomenon of biomagnetism in dividing cells has been known since the early 1960s. This effect consists in the appearance of broad lines in the EPR spectra in the region g = 2.2–2.3, which was found in fast growing yeast cells with a simultaneous change in their static magnetic susceptibility; and was called the phenomenon of “wide EPR signals” [1–3]. It was found that magnetism in a semi-synchronized culture of yeast cells occured in the period immediately preceding the budding. After cell division, the signal disappeared [1–3]. It was assumed that the signal could be associated with clusters of iron emerging at a certain stage of the cell cycle. However, the nature of these signals in dividing cells is not completely understood and is still of great interest.

In this work, the mentioned phenomenon of magnetism during cell division was detected in intensively dividing plant cells for the first time. Culture of intensively dividing non-morphogenic cells of Fagopyrum tataricum was used as an object of study. The aim of the research was to study magnetic resonance characteristics of signals, to define their origin (physical nature) and to know if it is connected with cell division.

Frozen and freeze-dried samples of cells were studied by EPR spectroscopy. Cell culture samples were taken every day after transfer to a fresh nutrient media during its growth for 14 days. It was found that the EPR spectra of cell culture samples depend on phase of growth. The results of the EPR study showed that during the growth of the cell culture, strong change in the magnetic properties occurs. It consisted in the appearance of additional intense EMR (FMR) signals depended on the orientation of the magnetic field during the acceleration phase of culture growth (3-4 days after passage). The integral intensity of the EPR spectra had a maximum on the 3rd or 4th day. More than 10 series of independent experiments were made. The increase of the signal was due to the appearance of the EMR signal in the region of g-value 2.1÷2.2. The temperature and angular dependences of EMR signals were studied.

As a result of the study, it was found that the characteristics of EMR signals (Hres(T), ΔH(T) and integral intensity) in the temperature range 100K-260K corresponded to the behavior of magnetite nanocrystallites (Fe3O4) described earlier in [4] with a characteristic Verwey phase transition. The presence of an angular dependence indicates the ferrimagnetic properties of Fe3O4.

The dependence of integral intensity of the EPR spectrum on the time of cultivation was plotted. Simultaneously with EPR data, a curve of cell mass increase was obtained, as well as a dependence of mitotic index on the time of cultivation since the moment of culture transfer. It has been determined that the moment of appearance of the maximum EMR signal correlates with the moment of registration of the maximum mitotic index value, that demonstrates the relationship between magnetic properties and the process of cell division.

Cultivation of cells was made in KIBB FRC KazSC RAS as part of the government assignment.

EPR spectroscopic studies of the samples were done in KFTI FRC KazSC RAS as part of the government assignment.

1. O.P.Samoilova, L.A.Blumenfeld. Biofizika (in Russian.), 6, Issue 1, 15-19 (1961)

2. A.I.Tsapin, O.P.Samoilova, L.A.Blumenfeld. Biofizika (in Russian), 34, Issue 4, 15-19 (1989)

3. O.P.Samoilova, A.I.Tsapin, L.A.Blumenfeld. Biofizika (in Russian), 40, Issue 2, 383-388 (1995)

4. Yurtaeva S.V., Efimov V.N., Yafarova G.G. et al. Appl. Magn. Res. 47, 555-565 (2016)