МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДА ТЕМПЕРАТУРНО-УПРАВЛЯЕМОГО ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ БЕЛКОВ В УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ

© И.Ж.Безбах, Б.Г.Захаров, В.В.Сафронов, В.И.Стрелов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2018 г.

Кристаллизация белков в настоящее время является важной самостоятельной областью исследований, это связано с потребностями структурной биологии: кристаллы необходимы для установления пространственной структуры биомакромолекул на атомном уровне методами рентгеноструктурного анализа, без чего невозможно понять механизм функционирования биологических систем и их биологическую активность; это знание является востребованным в практических потребностях биотехнологии, биоинженерии, медицины, фармакологии.

Известно, что создание условий диффузионного массопереноса позволяет избежать неоднородностей в структуре кристалла. Проведенные к настоящему времени многочисленные опыты показывают, что преобладание диффузионного массопереноса над конвекционным при доставке молекул к поверхности растущего кристалла позволяет получить кристаллы лучшего качества, понижая при этом плотность дефектов. Однако при земной гравитации конвекционный массоперенос, как правило, всегда доминирует над диффузионным. Проведенные к настоящему времени эксперименты на борту космических аппаратов (КА) продемонстрировали возможность осуществления массопереноса в основном посредством диффузии. Кроме того, еще одним из преимуществ невесомости является отсутствие осаждения («седиментации»).

Актуальной и важной задачей является разработка новых эффективных методов, аппаратуры и технологий управляемого получения высококачественных кристаллов биомакромолекул, в особенности на борту КА, в условиях микрогравитации.

Предлагаемый подход к решению проблемы кристаллизации белков с высоким совершенством структуры получаемых кристаллов заключается в реализации метода температурно-управляемой кристаллизации, обеспечивающего управление процессом роста кристаллов как на этапе их зародышеобразования, так и в процессе дальнейшей кристаллизации. В земных условиях этот метод обеспечивает приближение к диффузионному массопереносу, а в условиях микрогравитации – чисто диффузионный механизм массопереноса при исключении конвекций любого вида при прецизионной ±(0.1–0.2)°C стабилизации температуры и управлении ей в ходе процесса кристаллизации.

В этой связи основной целью работы авторов является разработка научной аппаратуры, в которой реализуется метод температурно-управляемой кристаллизации белков. Испытания проводятся на примере выращивания в капиллярах кристаллов белков, в особенности широко используемого как модельный протеина лизоцима. Реализованный метод управляемой кристаллизации обеспечивает оперативное раздельное управление процессом роста кристаллов, требует малого количества растворов белка, делает возможным проведение дифракционных исследований на выращенных высокосовершенных кристаллах.

Для разработанного способа выращивания биокристаллов из раствора под управляющим воздействием температурного поля была разработана трехмерная модель процесса роста биокристаллов в r,φ,z-геометрии. Численным моделированием найдены оптимальные температурные режимы кристаллизации для используемой методики выращивания кристаллов лизоцима при создании температурного градиента в центре ампулы с однородным раствором белка. Показана возможность со значительной точностью предсказывать оптимальные режимы роста единичных кристаллов.