Головна
Реферати » Реферати по біології » Математичне моделювання біосинтезу продуктів метаболізму

Математичне моделювання біосинтезу продуктів метаболізму

первинних факторів в настільки короткій роботі. Даний матеріал докладно викладений у монографії [14], в якій наведено не тільки кілька десятків рівнянь, але і проведений їх аналіз.





Моделі, засновані на концепції віку культури мікроорганізмів.
Для біосинтезу продуктів метаболізму часто буває недостатньо тільки сприятливих "зовнішніх" факторів середовища. Тому що в біосинтезі беруть участь внутрішньоклітинні ферменти мікроорганізмів, проміжні продукти, вміст яких у клітині залежить від передісторії розвитку культури. Занадто швидко виросла культура часто неефективна з точки зору біосинтезу продукту. У мікробіологів є вираз "культура пішла в бадилля", що означає біомаси - багато, продукту - мало або взагалі немає. Однак, враховувати ці внутрішньоклітинні компоненти при моделюванні дуже проблемно - їх важко вимірювати і відповідно знаходити кінетичні коефіцієнти.
Замість цього запропоновано деякі феноменологічні підходи до оцінки фізіологічного стану мікробної біомаси, засновані на оцінці вікового стану популяції клітин.
Є кілька підходів для обліку віку культури. Один з них полягає у визначенні розподілу клітин мікроорганізмів по віках [12]. Тоді значення питомої швидкості біосинтезу продукту можна вважати як би сумою швидкостей, що даються різними віковими фракціями біомаси:
(20),
де? Xi - концентрація біомаси i-ой вікової групи;
Qi - питома швидкість біосинтезу біомасою i-ої вікової групи.
При цьому, цілком можливо, що значення q1, q2, ..., qn НЕ будуть однаковими: "молодь" не синтезує потрібний продукт, занадто старі клітини - теж.
Японським вченим Аібой був запропонований більш простий підхід, використовувати для оцінки віку культури так званий середній вік популяції як параметр, що визначає біосинтетичну активність культури [13]. Біологічно термін цілком зрозумілий - це сума віків всіх клітин, поділена на їх кількість:
(21),
де? I - вік i-ої вікової групи.
Якщо послідовно зменшувати піддіапазони? T і ??, довівши їх до нескінченно малих dX і dt, то для середнього віку можна отримати інтегральну формулу:
(22),
де Х0 - початкова концентрація біомаси;
- Середній вік культури в початковий момент культивування.
Іншим способом спрощення вікової залежності є поділ вікового діапазону клітин на 2 класу - продуктивний (вище деякого значення) і не продуктивний [14]:
(24),
де? * - вік зрілості;
QP * - питома швидкість біосинтезу клітини, після досягнення нею віку зрілості.
Тепер залишається розглянути форму залежності питомої швидкості біосинтезу продукту qр від середнього віку культури:.
Якщо залежність має зростаючий характер з насиченням, то залежність зручно виразити у формі, схожій на рівняння Моно:
(25).
Якщо, навпаки, вона падає з віком, то краще підходить вислів, подібне рівнянню Єрусалимського:
(26).
Якщо залежність має екстремум, то воно може бути виражена, наприклад, за допомогою аппроксимирующего поліноміальною рівняння [15]:
(27).
Однозначна залежність між qр і на практиці зустрічається рідко, часто залежність швидкості біосинтезу продукту від віку враховують у вигляді мультиплікативного сомножителя, сполученого з основною частиною рівняння, що враховує впливу інших факторів.

Моделі деградації (інактивації) продуктів метаболізму.
Не завжди синтезовані продукти метаболізму залишаються стійкими; часто вони настільки нестабільні, що руйнуються вже в процесі самої ферментації. Тому, описуючи матеріальний баланс по продукту метаболізму, необхідно враховувати кінетику його інактивації:
(28),
де - швидкість деградації продукту метаболізму.
При розгляді синтезу метаболітів, використовувалася питома швидкість, в разі деградації, вводити питому швидкість не коректно, т.к. продукт існує окремо від біомаси, і його деградація не залежить в загальному випадку від її концентрації.
Розглянемо моделі кінетики деградації:
(29),
деградація відсутня.
(30),
деградація йде з постійною швидкістю. Такий вираз дивно виглядає на початку процесу, коли продукту ще немає; з рівняння ж виходить, що концентрація продукту знижується нижче нуля, що не має фізичного сенсу.
(31),
реакція розкладання першого порядку, пропорційно кількості утворився продукту [16].
(32),
реакція розкладання n-ого порядку, при чому n може бути як більше 1, так і менше і не бути цілим числом.
(33),
реакція розкладання залежить не тільки від концентрації продукту, але і від концентрації біомаси.
(34),
швидкість реакції розкладання залежить від концентрації біомаси і зростає з концентрацією продукту до якоїсь межі.
Наведені рівняння інактивації (29) - (34) найбільш поширені, існують також й інші більш складні залежності.
Модель накопичення продукту метаболізму на прикладі лейцину.
L-лейцін-незамінна амінокислота, необхідна для промислового отримання лізину. Виробництво лізину базується на лейцінозавісімих штамах. Річне виробництво лізину становить приблизно 500 000 т / г. Лізин широко використовується в с / г в якості кормової добавки. Лейцин також застосовується в спортивному харчуванні, т.к. є попередником незамінних жирних кислот, що входять до складу клітинних мембран.
Елементна формула L-лейцину (L-? - Аміноізокапроновая кислота): C5H10NH2COOH.
Основним способом виробництва L-лейцину є мікробіологічний синтез з використанням штаму Corynebacterium glutamicum. Біосинтез проводився в лабораторному біореакторі. В відбираються пробах визначалася оптична щільність - Х, зміст лейцину - P і зміст редукуючих речовин (РВ) по Бертрану - S.
Отримані результати наводяться у таблиці 1
Таблиця 1

Найпростішим припущенням про механізм мікробіологічного биосинтетического процесу є узагальнення даних про те, що біосинтез, з одного боку, асоційований з ростом, а з іншого, здійснюється спочиває клітиною.
Тому було вирішено використовувати наступне співвідношення (8):
(35),
де P - концентрація продукту (лейцину), г / л;
AP, bP - емпіричні константи.
AP, bP були визначені методом найменших квадратів: aP = 13.27, bP = 1.249, сума квадратів відхилень QP склала 0,884, а середня квадратична помилка SP дорівнює ± 0.6648.
На рис. 3 показані експериментальні значення концентрації лейцину і модельні, з малюнка видно, що модель (8) в даному випадку достатньо добре описує біосинтез продуктів метаболізму.
Рис. 2. Графічна інтерпретація моделі біосинтезу лейцину (35).



Список літератури.
1. Арзамасцев А.А., Андрєєв А.А Математичні моделі кінетики мікробного синтезу: можливості використання та нові підходи до розробки // Укр. Тамбо. ун-ту. Серія: Естеств. і техн. науки.- 2000.- т.V., № 1-с. 111-130.
2. Renss M. Моделювання та оптимізація процесів // 8th Int. Biotechnol. Symp., Paris-1988.- vol. 1.- p. 523-536.
3. Zeng An-Ping Кінетична модель одержання продуктів мікробних клітин і клітин ссавців // Biotechnol. and Bioeng.- 1994.- vol. 45., N 4.- p. 314-324.
4. Vanrolleghem P.A. Структурний підхід для вибору серед кандидатів в модель схеми метаболізму і встановлення невідомих стехиометрических коефіцієнтів // Biotechnol. and Bioeng.- 1998.- vol. 2., N 3.- p. 133-138.
5. Перт С.Дж. Основи культивування мікроорганізмів і клеток.- М .: світ.- 1978.
6. Luedeking R., Piret EL A kinetic study of the lactic acid fermentation: Batch process at controlled pH // J. Biochem. Microbiol. Technol. Eng.- 1959.- vol. 1., N 4.- p. 393-412.
7. Осипов Д.С., Гусельникова Т.В. та ін. Математична модель біосинтезу L-лейцину // Праці МГУІЕ.- 2001.- т.V.- с. 19-23.
8. Mori A., Terui G. Kinetic studies on submerged acetic acid fermentation: Inhibition by ethanol // J. Ferment. Technol.- 1972.- vol. 50, N 11.- p. 776-786.
9. Музиченко Л.А., Валуєв В.І. Використання полунепреривного культивування мікроорганізмів для отримання продуктів біосинтезу // В кн .: Теорія і практика безперервного культивування мікроорганізмов.- Красноярск.- 1978.- с. 112-113.
10. Bajpai RK, Reuss M. A mechanistic model for penicillin production // J. Chem. Technol. and Biotechnol.- 1980.- vol. 30, - p. 332-344.
11. Баснакьян І.А., Бірюков В.В., Крилов Ю.М. Математичний опис основних кінетичних закономірностей процесу культивування мікроорганізмів // В кн .: Підсумки науки і техніки. Мікробіологія. Т. 5. Кероване і безперервне культивування мікроорганізмов.- М. - 1976.- с. 5-75.
12. Shu P. Mathematical model for product accumulation in microbiological processes // J. Biochem. Microbiol. Technol. Eng.- 1961.- vol. 3, N 1, - p. 95-109.
13. Aiba S., Hara M. Conception of average cumulative age of microorganisms // J. Gen. and Appl. Microbiol.- 1965.- vol. 11, - p. 25-41.
14. Бірюков В.В., Кантере В.М. Оптимізація періодичних процесів мікробіологічного сінтеза.- М .: Наука.- 1985.
15. Фішман В.М. Математичний опис і оптимальне управління процесом біосинтезу антибіотиків // Дис. канд. техн. наук.- М .: Московський інститут хімічного машинобудування-1970.
16. Ettler P., Votruba J. Determination of the optimal feeding

Сторінки: 1 2 3