Бактериите комуникират ли чрез радиочестотна радиация?

M. Rao, K. Sarabandi, J. Soukar, N. A. Kotov, J. S. VanEpps. Експериментални доказателства за радиочестотна радиация от Staphylococcus aureus Biofilms.IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology. doi: 10.1109/JERM.2022.3168618.

абстрактно

Тази статия съобщава за първото успешно откриване на електромагнитно (ЕМ) излъчване от биофилми на Staphylococcus aureus в гигахерцовия (GHz) честотен диапазон. За измерването са използвани две нови сензорни системи. Много чувствителна широколентова близка зона радиационна система, специално проектирана за това приложение, се използва за първи път за търсене на сигнали в честотната област 1–50 GHz. Забележимо излъчване се наблюдава в обхвата 3–4 GHz. Излагането на смъртоносни дози нанопирамиди от цинков оксид (ZnO-NPY) се използва, за да се провери дали сигналите наистина се произвеждат от живи клетки, а не от материални топлинни емисии. След това се използва спирална антенна система за по-нататъшно изследване на лентата на интерес в областта на близкото поле. Радиацията от 3 идентични проби от биофилм се наблюдава и записва в продължение на 70 дни. Две различни честотни ленти, а именно 3,18 GHz и 3,45 GHz, са идентифицирани като потенциални „комуникационни ленти“. Освен това в хода на експеримента се наблюдават дългосрочни и краткосрочни цикли на общия интензитет на радиация в лентата. Тази работа потвърждава наличието на ЕМ радиация в бактериалните общности, което е ключово изискване за демонстриране на ЕМ сигнализиране между бактериалните клетки. Прозрението може да доведе до пробиви в демистифицирането на това как клетките комуникират, както и напредъка на важни технологии в биологията и комуникационните системи.

Откъс

Скорошно проучване показа, че бактериалните клетки в биофилмите могат да използват ЕМ сигнали за комуникация [14]. Биофилмите са една от най-разпространените форми на биологични системи на земята и често се свързват с инфекциозни заболявания [15]. Те също така са отговорни за замърсяване на медицински изделия и импланти [16], влошаване на качеството на водата [17] и микробно индуцирана корозия [18]. По-нататъшното разбиране на комуникационните механизми в биофилмовите общности е от голямо значение за ефективния контрол и управление на биофилма. Биофилмите са по същество агрегати от микроорганизми, в които клетките са вградени в самостоятелно произведена матрица от извънклетъчни полимерни вещества (EPS) [19]. В рамките на EPS на специфични видове биофилми (например Staphylococcus aureus и Bacillus subtilis) има биологични елементи, наречени амилоидни фибрили, които основно се характеризират като еластични спираловидни влакна с постоянни диполни заряди в краищата си [20]–[22]. [14] постулира, че тези заредени амилоидни фибрили могат да действат като механични антени и могат да бъдат отговорни за целенасочено сигнализиране между клетките в биофилмите."

Заключение

Въпреки че отдавна се предполага, че биологичните клетки могат да предават и получават ЕМ вълни, не са генерирани предишни убедителни експериментални доказателства в подкрепа на тази хипотеза преди тази статия. Нашата работа е първият успешен опит за измерване на ЕМ радиация от биофилми на S. aureus в честотния диапазон на GHz. В експериментите са използвани две измервателни системи. Идентифицирани са две различни излъчващи ленти в честотния диапазон 3-4 GHz. В хода на 70-дневен експеримент открихме дългосрочен цикъл на излъчвания сигнал с краткосрочни флуктуации. Тази работа доказва съществуването на ЕМ радиация в биофилмовите общности, което се потвърждава чрез изследване на множество проби за дълъг период от време и сравняване на измерената мощност с тази на PNG медиите (без биофилми) в една и съща паничка на Петри. Освен това е показано, че излагането на биофилми със значителна радиочестотна радиация на смъртоносни дози ZnO-NPY, които инхибират метаболитната активност, елиминира биофилмното радиочестотно излъчване.

Тази работа беше подкрепена от програмата RadioBio на Агенцията за напреднали изследователски проекти на отбраната на САЩ (DARPA) по договор HR00111720067. [14] Н. Барани и К. Сарабанди. Теория на електромагнитно базираната комуникация в бактериалните общности. Proc. IEEE Int. Symp. Antennas Propag. Usn. Radio Sci. Meet. APSURSI, 2019, pp. 353–354

https://ieeexplore.ieee.org/document/9771271

Do bacteria communicate via radio frequency radiation?

M. Rao, K. Sarabandi, J. Soukar, N. A. Kotov, J. S. VanEpps. Experimental Evidence of Radio Frequency Radiation From Staphylococcus aureus Biofilms.IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology. doi: 10.1109/JERM.2022.3168618.

Abstract

This paper reports the first successful detection of electromagnetic (EM) radiation from Staphylococcus aureus biofilms in the gigahertz (GHz) frequency range. Two novel sensing systems are deployed for the measurement. A very sensitive wideband near-zone radiative system specifically designed for this application is first used to search for signals in the 1–50 GHz frequency region. Notable radiation is observed in the 3–4 GHz band. Exposure to lethal doses of Zinc oxide nanopyramids (ZnO-NPY) is used to verify that the signals are indeed produced by living cells rather than material thermal emission. Afterwards, a spiral antenna system is exploited to further examine the band of interest in the near-field region. Radiation from 3 identical biofilm samples is monitored and recorded over 70 days. Two distinct frequency bands, namely the 3.18 GHz and the 3.45 GHz bands, are identified as potential “communication bands”. Furthermore, long-term and short-term cycles of the total radiation intensity within the band are observed over the course of the experiment. This work confirms the presence of EM radiation within bacterial communities, which is a key requirement to demonstrate EM signaling among bacterial cells. The insight could lead to breakthroughs in demystifying how cells communicate as well as advancement of important technologies in biology and communication systems.

Excerpt

A recent study has indicated that bacterial cells in biofilms may use EM signals to communicate [14]. Biofilms are one of the most ubiquitous forms of biological systems on earth, and are commonly associated with infectious diseases [15]. They are also responsible for contamination of medical devices and implants [16], deterioration of water quality [17], and microbial induced corrosion [18]. Further understanding of communication mechanisms within biofilm communities is of great importance to effective biofilm control and management.

Biofilms are essentially aggregates of microorganisms in which cells are embedded in a self-produced matrix of extracellular polymeric substances (EPS) [19]. Within the EPS of specific types of biofilms (e.g., Staphylococcus aureus, and Bacillus subtilis), there are biological elements called amyloid fibrils which are basically characterized as elastic helical fibers with permanent dipole charges at their ends [20]–[22]. [14] postulates that these charged amyloid fibrils can act as mechanical antennas and may be responsible for purposeful signaling among cells in biofilms."

Conclusion

Although it has long been suggested that biological cells may transmit and receive EM waves, no prior convincing experimental evidence has been generated to support this hypothesis prior to this paper. Our work is the first successful attempt to measure EM radiation from S. aureus biofilms in the GHz frequency range. Two measurement systems are used in the experiments. Two distinct radiating bands in the 3-4 GHz frequency range are identified. Over the course of a 70-day experiment, we discovered a long-term cycle of the radiated signal with short-term fluctuations. This work proves the existence of EM radiation in biofilm communities, which is validated by examining multiple samples over a long period of time and comparing the measured power with that of PNG media (no biofilms) in the same petri dish. In addition, it is shown that exposing biofilms with significant RF radiation to lethal doses of ZnO-NPYs, which inhibits metabolic activity, eliminates the biofilm RF emission.

This work was supported by the U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) RadioBio program under contract HR00111720067.

[14] N. Barani and K. Sarabandi. Theory of electromagnetic-based communication within bacterial communities. Proc. IEEE Int. Symp. Antennas Propag. Usn. Radio Sci. Meet. APSURSI, 2019, pp. 353–354.

https://www.facebook.com/SaferEMR/posts/pfbid02kPoZgQCVK6EWUkXeG4oXDprEaGz6sqQhbKnkv2EWhFx24aLFG3FKD4GVo5XrMzG8l