Инициатором создания сектора биологических исследований являлся доктор физико-математических наук В.И.Данилов - руководитель отдела синхроциклотрона ЛЯП. В этот период В.И.Данилов активно развивал работы по действию магнитных полей с различными характеристиками на биологические объекты. Биологи, организованные в группу магнитных испытаний, работали по специальному наряд-заказу Министерства среднего машиностроения. Проводилось изучение влияния импульсных и переменных магнитных полей на растения, бактерии и фаги, лимфоциты крови человека, нервные клетки (на модели нейронов моллюсков). Наряду с этим изучались реакции растительных объектов на экранирование геомагнитного поля Земли (ГМП). При этом использовалась сконструированная в ОИЯИ установка "Магнитный экран", обеспечивавшая ослабление ГМП в 105 - 106 раз. Эти работы проводились совместно с сотрудниками Института ботаники имени Н.Г. Холодного АН УССР (г.Киев).

         В условиях экранирования ГМП доминирующей реакцией явилась задержка прорастания семян разных видов растений и торможение роста их проростков. Было выявлено снижение пролиферативного пула клеток и увеличение общей длительности цикла их репродукции за счет удлинения отдельных фаз (в основном пресинтетической, а у некоторых растений и постсинтетической). Исследование динамики синтеза РНК и белков, доминирующего именно в этих фазах клеточного цикла, выявило снижение функциональной активности генома у всех исследованных растений в ранний пререпликативный период. Полученные результаты свидетельствовали о том, что ГМП является биологически значимым фактором, оказывающем определенное влияние на процессы транскрипции, трансляции и на пролиферативные процессы в растительной клетке.

         Проведенное на клетках человека исследование влияние меняющегося во времени по пилообразному закону магнитного поля (МП) с напряженностью в максимуме 300 Э на хромосомы лимфоцитов крови человека показало, что эффективность воздействия МП существенно зависит от температуры культивирования клеток. При культивировании лимфоцитов в диапазоне температур 37 - 41,5 С было отмечено увеличение числа клеток с хромосомными аберрациями с ростом температур от 38,5 Си выше, особенно в случаях совместного воздействия магнитного поля и высоких температур.

         С учетом полученных результатов, и в целях координации работ в области биологии и медицины, а также развития новых направлений в отделе синхроциклотрона ЛЯП был создан сектор биологических исследований (Приказ по ОИЯИ №3388 от 29 ноября 1977 г.). Для руководства сектором был приглашен профессор В.И.Корогодин, а с 1986 г. сектор возглавил профессор Е.А.Красавин.

         Наряду с исследованиями в области магнитобиологии в секторе начали активно развиваться радиобиологические исследования на базовых установках ОИЯИ. Основной задачей этих исследований являлось выяснение механизмов, определяющих различия в биологической эффективности ионизирующих излучений с разными физическими характеристиками. На протяжении нескольких десятилетий одной из ключевых в радиационной биологии являлась проблема ОБЭ ионизирующих излучений с разными физическими характеристиками. Несмотря на интенсивные исследования проблемы ОБЭ излучений различающихся по линейной передаче энергии (ЛПЭ), проводимые во многих лабораториях мира, механизмы, определяющие эти различия, не были выяснены. Для объяснения закономерностей летального действия излучений, различающихся по ЛПЭ, на клетки различного происхождения были созданы многочисленные математические модели. Однако в рамках развитых представлений оказалось невозможным объяснить неоднозначную зависимость ОБЭ от ЛПЭ. Главная трудность, которая препятствовала раскрытию природы ОБЭ, заключалась в том, что ОБЭ неоднозначно определяется как чисто физическими факторами, отражающими особенности передачи энергии веществу клеток, так и различными факторами биологической природы. Несмотря на то, что двойная природа ОБЭ была понята уже давно и, более того, были проделаны работы, в которых предпринимались попытки разделить физическую и биологическую составляющие в целях получения соответствующих формул для вычисления коэффициентов ОБЭ, механизмы, определяющие различия в ОБЭ ионизирующих излучений разного качества выяснены не были. Причиной этого являлся не учет того важного факта, что биологическая составляющая сама может зависеть от ЛПЭ. На основе этого возникло ложное представление о том, что зависимость ОБЭ от ЛПЭ целиком определяется микроскопическим распределением переданной энергии излучений генетическим структурам, ответственным за реализацию радиационно-индуцированного эффекта.

         В экспериментах, выполненных на ускорителях тяжелых ионов, было установлено, что биологическая эффективность ионизирующих излучений разного качества по их летальному действию на клетки про- и эукариот определяется двумя факторами различной природы: физическими характеристиками излучений и биологическими свойствами самих клеток - их способностью восстанавливаться от лучевых повреждений. Главный вывод, сделанный в результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований, на основе чего была решена проблема ОБЭ, заключался в том, что способность к репарации повреждений ДНК зависит от ЛПЭ, так как характер летальных повреждений также изменяется и является зависимым от ЛПЭ /1/.

         В конце 70-х гг. работами отечественных и зарубежных авторов было установлено, что основными повреждениям и структуры ДНК, приводящими клетки к гибели, являются двунитевые разрывы (ДР). Несколько позднее было также показано, что бактерии - клетки кишечной палочки (E.coli), при определенных условиях погибают в результате возникновения по крайне мере одного ДР ДНК в хромосоме. С учетом выявленных фактов выдвинутое положение об изменении характера летальных повреждений с изменением ЛПЭ излучений можно было экспериментально обосновать. Этому способствовало и то обстоятельство, что к тому времени были получены разнообразные репарационно-дефицитные мутанты клеток E.coli. Их использование позволяло исследовать влияние различных этапов репарационного процесса на особенности летального действия излучений широкого диапазона ЛПЭ.

          На основе известных представлений о закономерностях индукции и репарации первичных повреждений ДНК у бактерий E.coli при облучении была разработана математическая модель лучевой инактивации бактерий. С использованием методов микродозиметрии было показано, что при гамма-облучении клеток E.coli основной тип летальных повреждений ДНК - двунитевые разрывы, возникают в процессе репарации однонитевых разрывов (ОР) ДНК и являются энзиматическими ДР ДНК. Выход прямых ДР ДНК, непосредственно индуцируемых гамма-облучением, существенно меньший. С возрастанием ЛПЭ частиц изменяется качество ДР ДНК, связанное с увеличением выхода "комплексных" ДР. Комплексные ДР при прохождении тяжелой частицы через нить ДНК характеризуются одновременными разрывами не только главной цепи валентности, но и повреждениями оснований в месте разрыва, повреждениями сахара. Разработанная биофизическая модель объясняла для клеток E.coli разных генотипов зависимость от ЛПЭ излучений радиочувствительности, формы кривых выживания, действия разных модифицирующих факторов. Было показано, что при гамма-облучении величина радиочувствительности определяется эффективностью репарационных систем клеток, при действии же тяжелых заряженных частиц радиочувствительность детерминирована лишь физическими свойствами излучений. Характер зависимости радиочувствительности клеток от ЛПЭ излучений обусловливается степенью чувствительности E.coli к гамма-облучению.

         Экспериментальная проверка подтвердила все следствия разработанной модели. Было установлено, что:

         характер зависимости радиочувствительности бактерий E.coli генетически детерминирован и определяется типом и выходом летальных повреждений, индуцируемых при гамма-облучении; зависимость радиочувствительности клеток с нормальным репарационным генотипом от ЛПЭ может описываться либо кривой с локальным максимумом, либо без максимума, в зависимости от условий, влияющих на выход ДР ДНК энзиматической природы и определяющих чувствительность клеток к гамма -облучению; зависимость радиочувствительности от ЛПЭ мутантов с блоком медленной репарации ДНК имеет ниспадающий характер при всех значениях ЛПЭ, и коэффициенты ОБЭ излучений не превышают 1; для мутанта с эффективно работающей системой репарации характерна зависимость с резко выраженным максимумом; при значениях ЛПЭ ? 100 кэВ/мкм имеет место нивелирование радиочувствительности всех клеточных штаммов независимо от репарационного генотипа, обусловленное индукцией прямых комплексных ДР ДНК.

         Развитые модельные представления послужили основой для изучения факторов, определяющих форму кривых выживания (S) клеток E.coli от дозы (D) излучений, различающихся по ЛПЭ. Исследования влияния факторов различной природы на форму зависимости S(D) у клеток E.coli показали , что экспоненциальный тип этой зависимости реализуется в том случае, когда в процессе репарации каждого возникающего повреждения в клетке при облучении остаются не восстановленные повреждения, подчиняющиеся пуассоновскому распределению. Угол наклона экспоненты, отражающий радиочувствительность клеток, соответствует в этом случае выходу не репарируемых повреждений ДНК. Пределы чувствительности клеток к гамма-облучению обусловлены выходом прямых ДР ДНК и размером чувствительной мишени. Нелинейный в полулогарифмическом масштабе характер кривых выживания бактерий E.coli может обусловливаться рядом биологических механизмов, реализуемых на популяционном, клеточном и молекулярном уровнях. Наиболее существенными причинами, обусловливающими сигмоидный характер зависимости S(D), являются особенности репликации бактериальной хромосомы, приводящие к многокопийности генома. Наряду с фактором многокопийности в формировании плеча кривой выживания клеток с нормальным репарационным генотипом может принимать участие рекомбинационная репарация на гомологичных участках ДНК. С возрастанием ЛПЭ сигмоидные при гамма-облучении кривые выживания бактерий E.coli претерпевают характерные изменения, заключающиеся в уменьшении величины плеча и изменении угла наклона - возрастании его в области промежуточных значений и постепенном его уменьшении при дальнейшем возрастании ЛПЭ. Изучение природы трансформации сигмоидных кривых в экспоненциальные с увеличением ЛПЭ показало что она обусловливается возрастанием флуктуации энергии тяжелых заряженных частиц по чувствительным микрообъемам клеток. Это приводит к тому, что в результате попадания тяжелой частицы в нуклеоид бактериальной клетки, содержащей несколько копий генома, одновременно инактивируются все чувствительные мишени.

          Различная роль физического и биологического факторов в летальном действии излучений, различающихся по ЛПЭ, ярко проявляется в условиях влияния ряда модифицирующих факторов. Прежде всего это касается модифицирующего влияния кислорода, а также влияния радиопротекторов двух различных классов: аминотиолов и многоатомных спиртов. В рамках разработанной биофизической модели был проведен анализ закономерностей реализации кислородного эффекта у бактерий E.coli с различным репарационным генотипом, защитного влияния радиопротекторов. Было показано, что многообразие проявлений кислородного эффекта у клеток с различным репарационным генотипом в различных условиях определяется выходом повреждений не модифицируемых кислородом и повреждений не восстанавливаемых pol A - зависимой репарацией. Было также продемонстрировано, что при действии на клетки излучений с возрастающими значениями ЛПЭ увеличивается выход таких повреждений, что обусловливает резкое снижение кислородного эффекта при облучении клеток тяжелыми заряженными частицами.

         Проведенные исследования радиозащитного действия некоторых радиопротекторов (цистеамина и глицерина) свидетельствуют о том , что их защитное влияние генетически детерминировано: большинство мутаций, приводящих к повышению радиочувствительности клеток, снимает или резко уменьшает защитное влияние аминотиолов. Это связано с тем, что их радиопротекторное действие реализуется не на уровне физико-химических процессов, а на уровне ферментативных процессов репарации. Радиозащитное действие глицерина также генетически детерминировано, однако в отличие от цистеамина эта детерминированность заключается не в уменьшении или исчезновении защитного влияния радиопротекторов, а в повышении эффективности его действия в ряду штаммов E.coli: rec A-мутант - дикий тип - pol A-мутант. Аналогичная по направленности картина установлена и для кислородного эффекта. Исследования с репарационными мутантами подтвердили положение о том, что защитный эффект глицерина - результат физико-химических процессов, обусловленный способностью протектора перехватывать ОН-радикалы и снижать выход повреждений, восстанавливаемых pol A-зависимой репарацией. Установленные различия в реакции триады штаммов: rec A-мутант - дикий тип - pol A-мутант на протекторы, работающими на уровне физико-химических реакций и протекторы, механизм действия которых связан с ферментативными процессами репарации, позволил предложить схему этих опытов для установления механизма действия радиопротекторов различных классов.

         Главный вывод, который был сделан на основе исследований с клетками E.coli, заключался в том, что величина ОБЭ ионизирующих излучений с разной ЛПЭ определяется не только физическими характеристиками излучений, но и биологическими свойствами самих клеток - их способностью восстанавливаться от лучевых повреждений. Причем способность к репарации зависит от ЛПЭ, так как характер летальных повреждений также изменяется в зависимости от ЛПЭ.

         Поскольку этот вывод был сделан на основе исследований, выполненных на клетках прокариот, представлялось важным решить вопрос, справедлив ли сделанный вывод и для клеток эукариот. В экспериментах на изогенных штаммах гаплоидных дрожжей - клетках дикого типа и радиочувствительном мутанте rad 6 было показано, что характер зависимости радиочувствительности клеток от ЛПЭ, так же как и для клеток прокариот, определяется генотипом клеток. В отличие от дикого штамма, у которого эта зависимость описывается кривой с локальным максимумом, для мутанта rad 6 впервые был выявлен ниспадающий тип зависимости. Коэффициенты ОБЭ излучений, различающихся по ЛПЭ, у этого мутанта не превышают 1. Поскольку гаплоидные дрожжи в стационарной фазе не репарируют ДР ДНК и образование одного ДР в геноме таких клеток приводит к летальному событию, повышение чувствительности к g-облучению гаплоидных мутантов rad 6 объясняется нарушением определенных этапов в механизме репарации однонитевых разрывов ДНК. Было показано, что это обстоятельство может приводить к повышению выхода у таких клеток летальных ДР ДНК. Вследствие этого наблюдается трансформация зависимости радиочувствительности клеток от ЛПЭ с локальным максимумом в кривую ниспадающего типа. На основании проведенных исследований был сделан вывод о том, что механизмы, определяющие различия в биологической эффективности у бактерий и гаплоидных дрожжей, близки между собой.

         Важная роль восстановительных процессов в биологической эффективности излучений разного качества у клеток млекопитающих была выявлена в исследованиях радиочувствительности клеток китайского хомячка при облучении тяжелыми заряженными частицами широкого диапазона ЛПЭ в условиях влияния ингибиторов репаративного синтеза ДНК - арабинозидцитозина и оксимочевины. Механизм сенсибилизирующего влияния арабинозидцитозина в комбинации с оксимочевиной заключается в подавлении репаративного синтеза коротких брешей в ДНК, что приводит к повышению выхода энзиматических ДР ДНК при гамма-облучении клеток. При использовании излучений широкого диапазона ЛПЭ было установлено, что в условиях влияния этих агентов радиочувствительность клеток возрастает к гамма-облучению, но не к действию тяжелых заряженных частиц. Это обусловливает снижение коэффициентов ОБЭ тяжелых частиц при облучении клеток в присутствии ингибиторов синтеза ДНК. На основании этих исследований было продемонстрировано, что так же как и у клеток прокариот и низших эукариот, у клеток млекопитающих при действии излучений с разной ЛПЭ изменяется спектр летальных повреждений ДНК: образование ДР ДНК кластерного типа, репарация которых клетками либо невозможна, либо крайне затруднена. Анализ полученных экспериментальных данных с позиций представлений, допускающих индукцию при облучении разными типами излучений только один тип ДР ДНК (прямых ДР), показал несоответствие таких модельных представлений и результатов экспериментов.

         Проведенные исследования впервые для клеток низших и высших эукариот, так же как и для прокариот продемонстрировали, что не только фактор физической природы - характер энерговыделения ионизирующих излучений в генетических структурах, но и способность к репарации повреждений ДНК определяют различия в биологической эффективности излучений с разной ЛПЭ. С учетом этого был сделан вывод о том, что механизмы, обусловливающие природу ОБЭ у клеток про- и эукариот, в главных чертах близки между собой. Однако, несомненно, что существенно более сложная организация генома клеток эукариот определяет и более сложные радиобиологические реакции этих клеток в ответ на воздействие излучений с разной ЛПЭ.

         Цикл работ по выяснению механизмов, определяющих различия в летальном действии ионизирующих излучений с разными физическими характеристиками на клетки с разным уровнем организации генома был удостоен первой Премии ОИЯИ.

         На основе полученных материалов об особенностях летального действия излучений разного качества на клетки с различным генотипом были спланированы эксперименты по изучению механизмов мутагенного действия излучений широкого диапазона ЛПЭ. Вопросы мутагенного действия излучений с разной линейной передачей энергии в 80-е годы практически не были изучены. Хотя было известно, что на мутагенез, индуцируемый излучениями с разными физическими характеристиками, влияют факторы физической и биологической природы, закономерности мутационного процесса и относительная роль в нем физического и биологического факторов исследованы не были. Для решения этих вопросов были разработаны математические модели летального и мутагенного действия разных типов излучений на бактерии, предпринято изучение закономерностей и механизмов индукции прямых и обратных мутаций у клеток прокариот. Было установлено, что: дозовая зависимость частоты мутирования клеток при гамма-облучении имеет линейно-квадратичный характер, который не меняется с ростом ЛПЭ; относительная генетическая эффективность излучений возрастает с увеличением ЛПЭ и описывается кривой с локальным максимумом. Положение максимума этой зависимости сдвинуто в область меньших ЛПЭ по сравнению с аналогичной зависимостью для летальных эффектов облучения; мутагенез, индуцированный излучениями с разной ЛПЭ, зависит от эффективности систем репарации клеток. Решающая роль в нем принадлежит индуцибельной SOS репарации; повышение генетической эффективности излучений с ростом ЛПЭ обусловлено увеличением выхода повреждений ДНК, репарируемых лишь с участием мутагенной ветви SOS репарации; генные мутации у прокариот при прохождении треков тяжелых заряженных частиц индуцируются областью дельта-электронов; различия в положении максимумов зависимости относительной биологической эффективности от ЛПЭ для мутагенных и летальных эффектов облучения обусловлены разным характером повреждений ДНК. В первом случае ими являются преимущественно поврежденные основания, во втором - двунитевые разрывы; биологическая эффективность излучений с различной ЛПЭ по индукции генных мутаций определяется особенностями микрораспределения энергии в генетических структурах, состоянием генома и эффективностью систем репарации. Влияние биологического фактора на мутагенез является зависимым от ЛПЭ /2/

          Цикл исследований механизмов мутагенного действия ионизирующих излучений с разными физическими характеристиками на клетки с разным уровнем организации генетического аппарата был удостоен первой Премии ОИЯИ.