Реферати » Реферати з біології » Математичне моделювання біосинтезу продуктів метаболізму

Математичне моделювання біосинтезу продуктів метаболізму

Введення.
МЕТАБОЛІЗМ - ??грецьке слово metabole, що означає зміна, перетворення.
У фізіологічному сенсі метаболізм - це проміжний обмін, тобто перетворення певних речовин усередині клітин з моменту їх надходження до утворення кінцевих продуктів (напр., метаболізм білків, метаболізм глюкози, метаболізм лікарських препаратів).
З точки зору промислової біотехнології метаболізм - це освіта в процесі росту і розвитку клітин цінних біохімічних продуктів - деякі з них виділяються в середу (позаклітинні продукти), деякі накопичуються в біомасі (внутрішньоклітинні продукти). За допомогою метаболізму отримують антибіотики, молочну та лимонну кислоту, харчові консерванти і багато інших продуктів.
У природних умовах метаболізм налаштований так, щоб виробляти мінімальна кількість необхідних метаболітів. Промислове виробництво, спрямоване на отримання максимального прибутку, така ситуація ніяк не влаштовує. Тому, для максимізації прибутку необхідно провести оптимізацію наступних технологічних параметрів:
- виходу продукту в розрахунку на спожитий субстрат;
- Концентрація продукту;
- Швидкість утворення продукту.
Оптимізація технології біосинтезу метаболітів складається з наступних основних етапів [5]:
1) Первісна селекція штаму мікроорганізмів;
2) Визначення оптимальних значень температури, рН, тонічності і потреби в кисні;
3) Визначення оптимального режиму харчування та накопичення біомаси;
4) Зміна генетичної структури організму для збільшення утворення продукту.
Розробка 3-его етапу, безпосередньо пов'язана з біосинтезом. Для знаходження режиму харчування та накопичення біомаси, оптимального для біосинтезу метаболітів необхідно математичний опис процесу [1,2,3,4]. Крім знаходження оптимальних умов проведення процесу, математична модель використовується для автоматизації біосинтезу, що в сучасній біотехнологічної промисловості не менш важливо.
Перш ніж приступити, до опису моделей наведемо прийняті позначення основних кількісних характеристик процесу біосинтезу.
Кінетичні характеристики процесу біосинтезу.
Зазвичай стан процесу визначається наступними основними параметрами:
- концентрація біомаси мікроорганізмів - Х, г / л;
- Концентрація поживного середовища - субстрату (або його основного компонента) - S, г / л.
- Концентрація продукту - P, г / л.
Кінетичні характеристики процесу відображають швидкість протікання біохімічних перетворень. Ці перетворення, природно, відображаються на всіх зазначених вище параметрах процесу - біомасі, продукт і субстраті.
Важливим показником процесу є швидкість росту біомаси. Для опису швидкості росту використовується така характеристика, як загальна швидкість росту - QX:
(1).
Більший інтерес для характеристики інтенсивності росту представляє не величина QX, а питома швидкість росту в перерахунку на одиницю біомаси (адже зростання біомаси пропорційний концентрації клітин). Вона позначається буквою?:
(2).
Розмірність величини? - [1 / ч].
Розглянемо тепер другий параметр процесу ферментації - концентрацію субстрату S. За аналогією з ростом біомаси, можна ввести кінетичну характеристику - швидкість споживання субстрату QS:
(3).
Знак '-' позначає, що швидкість споживання позитивна, коли концентрація субстрату в середовищі падає (тобто швидкість зміни концентрації негативна).
Аналогічно, питома швидкість споживання субстрату, яку позначимо малої буквою qS, дорівнює:
(4).
При біосинтезі метаболітів, поряд зі зростанням біомаси, відбувається накопичення в середовищі продукту метаболізму (його поточна концентрація - Р).
Загальна швидкість біосинтезу продукту метаболізму QР в періодичному процесі дорівнює:
(5).
Питома швидкість біосинтезу продукту одиницею біомаси позначається qр і дорівнює:
(6).
Для математичного опису біосинтезу продуктів метаболізму різними дослідниками було запропоновано багато різних моделей. Всі ці моделі можна розділити на такі групи:
1) Математичні моделі кінетики біосинтезу продуктів метаболізму як функція від питомої швидкості росту;
2) Субстрат-залежні моделі кінетики біосинтезу продуктів метаболізму;
3) Моделі, засновані на концепції віку культури мікроорганізмів.
Під час біосинтезу відбувається також процес зменшення кількості метаболітів, для опису цього феномена були запропоновані моделі деградації (інактивації) продуктів метаболізму.
Математичні моделі кінетики біосинтезу продуктів метаболізму як функції від питомої швидкості росту.
Математичний параметр - питома швидкість росту? - Послужив основою складання багатьох математичних моделей біосинтезу продуктів метаболізму. Процеси біосинтезу продуктів здавна ділять на два великі класи - пов'язані з ростом і не пов'язані з ростом. Як приклад першого класу можна назвати біосинтез конститутивних ферментів клітини, а другого класу - біосинтез багатьох антибіотиків, інтенсивний синтез яких відбувається після припинення росту мікроорганізмів.
Питома швидкість біосинтезу пов'язаних із зростанням продуктів може бути виражена простим співвідношенням [5]:
(7),
де YP / X - вихід одиниці продукту з одиниці біомаси: (dP / dX).
Більш складне вираз було запропоновано Людекінгом і Пайр [6]:
(8),
де qP0 - емпірична константа.
У цьому випадку біосинтез продукту, з одного боку, асоційований з зростанням, а, з іншого, здійснюється спочиває клітиною [7]. Модель (8) вперше була запропонована для опису синтезу молочної кислоти.
Є ряд рівнянь, що враховують нелінійний характер зв'язку qP і питомої швидкості росту:
(9),
(10),
де а і в - емпіричні константи.
Рис. 1. Форма залежності Qр (?) Для рівнянь (9) і (10).
На рис. 1 показані графіки функцій (9) і (10), ці рівняння дають опуклу (9) і увігнуту (10) криві, що виходять з нуля, але ці функції можуть мати також додатковий вільний член qP0:
(11),
(12).
Тоді графіки функцій (11) і (12) на відміну від (9) і (10) виходять не з нуля, а з деякої точки qP0 на осі y, що продемонстровано на рис. 2.
Рис. 2. Форма залежності Qр (?) Для рівнянь (11) і (12).
Можливі також емпіричні рівняння типу [8,9]:
(13), (14).
Де а, b, с - емпіричні константи.
Рис. 2. Форма залежності Qр (?) Для рівнянь (13) і (14).
За аналогією з рівняннями (11) і (12) рівняння (14) починається, не з 0 по осі ординат, а з деякої точки a, що означає початок синтезу продукту без зростання біомаси.
Субстрат-залежні моделі кінетики біосинтезу продуктів метаболізму.
З точки зору математики, рівняння, в яких як аргумент виступає?, Припускають, що зовсім неважливо, яким чином формується те чи інше значення?. Наприклад, величину? можна змінювати шляхом зменшення концентрації вуглецевого субстрату або азотного субстрату, або шляхом зниження температури або підвищення величини рН. Для процесів, пов'язаних тільки з ростом, можливо швидкість біосинтезу при цьому буде однакова. Для незв'язаних із зростанням процесів небайдуже, яким шляхом ми будемо змінювати величину?. Лімітування вуглецем, лімітування азотом, підвищення рН або зниження температури, даючи одне і те ж значення швидкості росту, можуть давати зовсім різні швидкості біосинтезу продукту метаболізму. Іншими словами, зв'язок між qP і? не має строго причинно-наслідкового характеру, а обумовлена ??впливом на обидві ці кінетичні характеристики одних і тих же факторів зовнішнього середовища. Для таких процесів необхідно використовувати рівняння, які в якості аргументів містять незалежно впливають первинні фактори: концентрація того чи іншого субстрату, температура або величина рН.
Біосинтез продукту може описуватися однофакторний або багатофакторними рівняннями. Крім того, було встановлено, що структури залежностей qP від ??S, P, температури і величини рН аналогічні структурам таких же рівнянь для зростання біомаси, наприклад: Моно, Андрюса, Перта, Хіншельвуда і т.д. Наприклад, якщо субстрат впливає на qP по Андрюса, то маємо [10]:
(15),
де qm - максимальна питома швидкість біосинтезу продукту;
K'S - константа насичення;
Ki - константа інгібування продуктом.
Багатофакторні залежності тут частіше бувають мультиплікативними, ніж адитивними. Наведемо залежність мультиплікативного [11] і адитивного впливу концентрації субстрату за механізмом Моно:
(16),
(17).
Застосовуються також рівняння з не розділяються ефектами факторів, наприклад, типу Контуа [10] або неконкурентного гальмування продуктом [5]:
(18),
(19).
На жаль, неможливо викласти всі кінетичні залежності біосинтезу продуктів від

Сторінки: 1 2 3

енциклопедія  з сиру  аджапсандалі  ананаси  узвар