ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ МАССОПЕРЕНОСА НА ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ БЕЛКОВ В КОСМОСЕ

© И.Ж.Безбах, В.И.Стрелов, Б.Г.Захаров
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2011 г.

Кристаллизация биоматериалов в настоящее время необходима в биологии и медицине для определения пространственных структур органических молекул кристаллографическими методами, что в дальнейшем позволяет проводить как синтез новых веществ с требуемыми свойствами, так и решать некоторые фундаментальные вопросы функционирования живых систем в целом. Одним из важнейших факторов, определяющих успех этих исследований, являются процессы роста биокристаллов, осуществляемые не только в наземных, но и в космических экспериментах.

Специфичность свойств белковых молекул как объекта кристаллизации заключается в том, что белковый кристалл построен из огромных (в атомном масштабе) частиц, удерживающихся на своих позициях в кристаллической ячейке сравнительно малыми силами. Это приводит к значительной зависимости процесса роста от тепловых условий и внешних воздействий. В стремлении устранить некоторые из этих негативных факторов исследователи обращаются, в частности, к использованию состояния невесомости, точнее, микрогравитации, возникающей в космическом аппарате при движении его по орбите.

Получение кристаллов белков высокого качества в космических экспериментах вызвало особый интерес к изучению влияния конвекции на качество получаемых кристаллов. Существует несколько гипотез влияния этого воздействия. Повышение структурного совершенства растущего кристалла объясняют как влиянием процессов тепломассопереноса, происходящих в растворе, так и кинетикой встраивания молекул в растущие грани кристалла.

Также в условиях невесомости отсутствует миграция растущих кристаллов от места их зарождения, вызванная силами гравитации. В наземных условиях кристалл либо осаждается на дно кристаллизационной ячейки, либо сорбируется на стенках, либо, если его плотность меньше плотности раствора, всплывает на его поверхность, что приводит к несимметричному росту кристалла.

Если перенос осуществляется преимущественно диффузией, можно избежать отрицательных влияний конвекции на рост кристалла. Для получения совершенных кристаллов следует стремиться к преобладанию диффузионного режима переноса над конвективным, что позволяет получить кристаллы лучшего качества и увеличивает их размер. Однако многочисленные теоретические и практические результаты показывают, что в наземных условиях конвективный режим переноса всегда доминирует над диффузионным.

Однако же только около 60% кристаллов белков, выращенных в условиях пониженной гравитации, оказались более высокого структурного качества, чем выращенные в аналогичных условиях на Земле. Остальные 40% кристаллов, выращенных в космосе, вопреки прогнозам, оказались худшего качества, чем их земные аналоги. Причины этого широко обсуждались в литературе, однако до сих пор до конца не выяснены.

В связи с этим важным аспектом являются теоретические исследования влияния режимов диффузионного и конвективного массопереноса, возникающих в применяемой ростовой аппаратуре, отработка в наземных условиях требуемых оптимальных технологических режимов и реализация на борту космических аппаратов уже отработанных на Земле экспериментов, пользуясь известными преимуществами микрогравитационной среды.

Исследования проведены при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Калужской области (проект № 09-01-97519).