УСТАНОВКА ВЫРАЩИВАНИЯ БИОКРИСТАЛЛОВ В ЗЕМНЫХ И КОСМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ С АКТИВНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПРОЦЕССОМ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

© И.Ж.Безбах, В.И.Стрелов, Б.Г.Захаров, И.А.Бычков
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2014 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. 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.

На основе проведенного анализа существующих методов кристаллизации и известной и используемой в мире аппаратуры для кристаллизации белков в земных и космических условиях сделан вывод о необходимости создания автоматизированной установки с управлением температурой процессами зарождения и кристаллизации белков как наиболее эффективной для получения высокосовершенных белковых кристаллов. На основе разработанной совместно с Федеральным государственным унитарным предприятием «Специальное конструкторское бюро института радиотехники и электроники Российской академии наук» (ФГУП СКБ ИРЭ РАН) простой по конструкции маломассогабаритной установки-кристаллизатора проведена серия экспериментов по успешному получению качественных кристаллов белка лизоцима

Для эффективного использования такой установки для получения кристаллов различных белков с температурным управлением процессами зародышеобразования и кристаллизации необходимо иметь исходные данные о температурной зависимости растворимости этих белков, которые, как правило, для новых типов белков отсутствуют в литературе. Поэтому для эффективного функционирования автоматизированной установки кристаллизации белков планируется создание вспомогательной и в то же время автономной установки для лазерной диагностики процессов зародышеобразования и для определения температурной зависимости растворимости исследуемых белков.

Реализовать представленные эксперименты по температурно-управляемой кристаллизации белков в условиях микрогравитации авторы планируют в ходе предстоящего в 2014 г. полёта автоматического космического аппарата «Фотон».