РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ ВЫРАЩИВАНИЯ БИОКРИСТАЛЛОВ С АКТИВНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПРОЦЕССОМ 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"
2013 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.

В силу сложившихся обстоятельств, бóльшая часть отечественных экспериментов по кристаллизации белков в космосе выполнялась при отсутствии необходимой 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.

Как было показано 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. При этом процесс кристаллизации макромолекул становится управляемым и воспроизводимым.

Для дальнейшего успешного продвижения в этом направлении необходимо дополнить ростовое оборудование аппаратурой, определяющей момент появления зародышей в растворе, что должно оптимизировать управление процессом кристаллизации. Первым этапом исследований при этом является наземная отработка эксперимента. Проведение же космических экспериментов позволит получать кристаллы белков с более высоким пространственным разрешением (до 1 Å), что позволит точно определять активные центры биомакромолекулы для создания высокоэффективных лекарственных препаратов.

На основе проведенных исследований и экспериментов разработана простая по конструкции маломассогабаритная установка для определения инкубационного периода зародышеобразования (нуклеации) белков в их кристаллизационных растворах, способной автономно функционировать на борту космических аппаратов, что позволит оптимизировать весь процесс выращивания биокристаллов, в т.ч. в космических условиях.

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