РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ УСТАНОВКИ ВЫРАЩИВАНИЯ БИОКРИСТАЛЛОВ С РАЗДЕЛЕНИЕМ СТАДИЙ ПРОЦЕССОВ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

© 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"
2012 г.

Кристаллизация биоматериалов в настоящее время необходима в биологии и медицине для определения пространственных структур органических молекул кристаллографическими методами, что в дальнейшем позволит 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.

В силу сложившихся обстоятельств, бóльшая часть экспериментов по кристаллизации белков в космосе выполнялась и продолжает выполняться при полном отсутствии информации о ходе процесса кристаллизации. Недостаток информации об условиях и параметрах роста тормозит развитие математических моделей, не позволяет увязать качество кристаллов с условиями роста и тем самым препятствует оптимизации процессов роста и конструкций ростовой аппаратуры. В среднем в 20–40% опытов кристаллы вообще не были получены или были худшего качества по сравнению с земными аналогами.

В настоящее время широкое распространение получают неразрушающие бесконтактные измерительные методы на основе рассеяния лазерного излучения. Они используются для измерения термодинамических параметров растворов, изучения процессов растворения, зародышеобразования и роста кристаллов белков, определения количества и размеров частиц. Однако эти методы сложны как в аппаратурном исполнении, так и в последующей математической обработке.

Как было показано авторами ранее, способ температурного управления процессами кристаллизации белка является значительно более технологичным и более эффективным для выращивания высокосовершенных кристаллов по сравнению с традиционными методами. При этом исключается конвекция в растворе, а также практически устраняется влияние вибраций на процессы кристаллизации, и таким образом в земных условиях обеспечивается максимально возможное приближение к диффузионным условиям тепломассопереноса в растворе белка, а в космических условиях – диффузионный режим, т.е. условия самоорганизации макромолекул белка при встраивании их в кристаллическую решётку. Процесс кристаллизации макромолекул становится управляемым и воспроизводимым.

На основе проведенных исследований и экспериментов предлагается разработка простой по конструкции маломассогабаритной установки для определения инкубационного периода зародышеобразования и температурной зависимости растворимости белков в их кристаллизационных растворах, способной автономно функционировать на борту космических аппаратов, что может помочь в поиске оптимальных условий оперативного разделения процессов зародышеобразования и последующего роста кристаллов.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Калужской области (грант № 12-02-97524).