ОПТИМИЗАЦИЯ РОСТА БИОКРИСТАЛЛОВ В ЗЕМНЫХ И КОСМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

© И.Ж.Безбах, В.Г.Косушкин, Б.Г.Захаров, В.И.Стрелов, В.П.Гинкин, В.К.Артемьев, В.И.Фоломеев
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2005 г.

Одной из важных задач как земной, так и космической биотехнологии является получение высококачественных кристаллов биомакромолекул для определения их пространственной структуры кристаллографическими методами и дальнейшего использования полученной информации в биологических, медицинских и промышленных целях.

Для воспроизводимого получения пригодных для структурных исследований биокристаллов необходимо более глубокое понимание механизма кристаллизации, совершенствование методик кристаллизации и аппаратуры, оценка и минимизация влияния внешних факторов на процесс с целью получения высокосовершенных биокристаллов.

На основе обзора и анализа основных направлений по способам выращивания и моделирования роста биокристаллов проведено сравнение методов, используемых как в земных, так и в космических условиях. Рассмотрены математические модели процесса роста биокристаллов, используемые для земных и космических условий. Разработан алгоритм и программа расчета процесса взаимной диффузии молекул белка и растворителя для реальных условий экспериментов при выращивании кристаллов белков на земле и в космосе.

С применением разработанных моделей диффузионно-конвективного массопереноса исследовано влияние конвективных процессов, в т. ч. конвекции Марангони, на процесс кристаллизации биоматериалов методами висячей (лежачей) капли, кристаллизации в объеме и в капиллярах. Установлены зависимости скоростей конвективных течений в растворах белков от физических параметров кристаллизационного раствора. Определены условия оптимального протекания процесса кристаллизации.

Установлено, что один из параметров процесса – температура – может использоваться как средство управления процессом кристаллизации биоматериалов. Показана возможность разработки метода и аппаратуры для управления процессом кристаллизации биоматериалов с созданием градиента температуры в растворе. Для данного метода разработана математическая модель процессов тепломассопереноса, описывающая кристаллизацию белков в ячейках капиллярного типа. Теоретически доказана возможность осуществления управляемой кристаллизации этим методом в земных и космических условиях.

Определены условия проведения наземных и космических экспериментов, обеспечивающие получение биокристаллов с высоким структурным совершенством.

Работа выполнена при совместной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Правительства Калужской области (проект №04-02-97213).