ОПТИМИЗАЦИЯ РОСТА БИОКРИСТАЛЛОВ В ЗЕМНЫХ И КОСМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ТЕПЛОВОГО УПРАВЛЕНИЯ

© И.Ж.Безбах, Б.Г.Захаров, В.И.Стрелов, В.Г.Косушкин
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2006 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 решения проблемы воспроизводимого получения высокосовершенных биокристаллов была поставлена задача установить возможность управления процессом кристаллизации.

Анализ существующих методов роста и способов управления кристаллизацией биоматериалов в земных и космических условиях дает следующую оценку. В качестве управляющих параметров в основном используются концентрации и типы осадителей, внесение или изначальное присутствие нейтральных добавок (буферы, гели, масла), затравливание (в т. ч. материалами с особыми свойствами), наложение электрических и магнитных полей. Однако для практической реализации управляемого выращивания биокристаллов необходимо выбрать пригодный для физического моделирования параметр. В данной работе исследована применимость температуры как средства управления кристаллизацией белков.

Из анализа литературных данных можно сделать следующие выводы:

- установлено, что для большинства биоматериалов можно подобрать условия, при которых будет проявляться зависимость растворимости биоматериала от температуры раствора;

- для различных веществ возможны два типа зависимости: прямая – возрастание растворимости с повышением температуры и обратная – снижение растворимости с повышением температуры;

- для активного управления процессом кристаллизации необходимы данные о температурной зависимости растворимости биоматериала при используемых концентрациях осадителя и pH.

На основе результатов математического моделирования разработаны экспериментальный образец ростовой аппаратуры и методика выращивания биокристаллов с созданием локального градиента температуры в ячейках капиллярного типа при прецизионном ее регулировании. Кристаллы белка лизоцима выращивались в капиллярах с применением метода теплового управления процессом кристаллизации. Для оптимизации кристаллизационных экспериментов использовалась известная зависимость растворимости белка от температуры. Для характеризации выращенных кристаллов использовался метод рентгеновской дифракции. Дифракционное исследование выращенных кристаллов лизоцима показало, что они имеют лучшее значение разрешения (более высокое структурное совершенство), чем выращенные в изотермических условиях. Расчетно-экспериментальными результатами показана возможность осуществления управляемой кристаллизации в космических условиях. Планируется применение разработанного метода к получению высокосовершенных кристаллов перспективных биоматериалов как в земных, так и в космических условиях.

Работа выполнена при совместной финансовой поддержке РФФИ и Правительства Калужской области (проект №04-02-97213).