WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

Лизоцим из белка куриных яиц (производитель Sigma) кристаллизовался из водного раствора (концентрация 50 мг/мл) с использованием в качестве осадителя соли NaCl (концентрация 8%, pH = 4,6). Для оптимизации экспериментов по кристаллизации использовалась известная зависимость растворимости белка от температуры.

На рис. 7 показаны кристаллы лизоцима, выращенные в капилляре без управления температурой, т.е. обычным методом свободной диффузии. Исходные водные растворы содержали 50 мг/мл белка и 8 % соли NaCl при pH = 4,6 соответственно. Продолжительность процесса кристаллизации – 1 сутки; в результате эксперимента было получено большое число кристаллов малого размера (0,1–0,2 мм) и низкого качества, при этом температура корпуса была постоянной и равной 20°C, с точностью поддержания ±0,1°C.

На рис. 8 показаны кристаллы лизоцима, выращенные в разработанной экспериментальной аппаратуре с применением теплового управления. Капилляр с кристаллами белка сфотографирован через микроскоп. Состав исходного раствора и капилляр те же. Продолжительность процесса до появления кристаллических зародышей – 1 сутки; роста образовавшихся кристаллов – 5 суток. Получено три кристалла большого размера
(0,6–0,8 мм). Температура корпуса устанавливалась равной 32°C, с точностью поддержания ±0,1°C, температура конуса в начале эксперимента составляла 7°C и увеличивалась до 19°C после обнаружения зародышей.

Рис. 7. Фотография кристаллов лизоцима, выращенных без управления
температурой методом свободной диффузии

Рис. 8. Фотография кристаллов лизоцима, выращенных в капилляре с применением метода управления температурой

Приводятся результаты рентгеновского исследования выращенных кристаллов. Снятые 75 рентгенограмм позволили собрать набор с полнотой 97,8% в интервале углов дифракции, позволяющих получение разрешения до 1,5 . Исследованный кристалл лизоцима принадлежал к пространственной группе P4 с параметрами элементарной ячейки:  79,131 ,  79,131 ,  37,992 ; мозаичность кристалла 0,204; средний R-фактор по эквивалентным отражениям – 5,63% в зоне разрешения до 1,6 .

Полученные характеристики набора интенсивностей указали на высокое, с современных позиций, качество выращенного кристалла, которое превосходит качество кристаллов, обычно выращиваемых в наземных изотермических экспериментах.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что управление температурой дает возможность не только управлять процессом на этапах зародышеобразования и дальнейшей кристаллизации, но и создать оптимальные условия для выращивания высококачественных кристаллов белков.

В 3-х приложениях приводятся материалы, иллюстрирующие программную реализацию основных аспектов диссертационной работы (алгоритм расчета взаимной диффузии белка и осадителя в практических кристаллизационных экспериментах; алгоритм расчета процесса кристаллизации лизоцима с управлением температурой, реализованный в математическом пакете Matlab на встроенном языке программирования; алгоритм обмена данными и командами между управляющим персональным компьютером и разработанной кристаллизационной аппаратурой, реализованный в среде разработки Delphi).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлены закономерности процессов тепломассопереноса при росте в капиллярах кристаллов биоматериалов, в том числе при действии возмущающих воздействий (конвективных и вибрационных), определяющие условия преобладания диффузионного массопереноса.

2. Разработана и программно реализована математическая модель, описывающая процесс зарождения и роста кристаллов белка из раствора. Математическая модель описывает образование зародышей кристаллов и их рост в зависимости от локального значения перенасыщения.

3. С помощью предложенной модели определены оптимальные условия (на примере выращивания кристаллов лизоцима из водного раствора) кристаллизации белков размером не менее 100 мкм: стабильность поддержания температуры должна быть не хуже ±0,1°C; локальный градиент температуры – не более 1°C/см. Созданная модель вполне адекватна моделируемому явлению и может быть использована для параметрических исследований и прогнозных расчетов процесса кристаллизации белков при переменных температурных полях.

4. На основе проведенных теоретических расчетов исследована и показана возможность кристаллизации в капиллярах белков с высоким совершенством их структуры, недостижимом при использовании традиционно используемых в настоящее время методов кристаллизации, заключающаяся в реализации метода управляемой кристаллизации белков, обеспечивающего раздельное управление процессом роста кристаллов как на этапе их зародышеобразования, так и в процессе кристаллизации.

5. Показано, что управление процессом зарождения и роста может осуществляться путем: а) задания и прецизионного поддержания требуемой температуры всего раствора белка в капилляре; б) поддержания в локальной точке капилляра с раствором соответствующей температуры для обеспечения необходимого пересыщения для зарождения единичных (1–2) центров кристаллизации; в) изменения температуры в локальной точке капилляра и, соответственно, пересыщения в процессе разращивания кристалла.

6. Разработан опытный лабораторный образец экспериментального блока-кристаллизатора биокристаллов. В этой системе осуществляется не только управление температурой раствора с точностью регулирования ±0,1°C, но и реализована возможность создания пересыщения белка в соответствующем месте капилляра за счет точечного подвода или отвода в этом месте тепла (т.е. создания в этом месте локального температурного градиента), что исключает возможность образования множества зародышей по всему объему раствора, находящегося в контролируемых изотермических условиях, что исключает и многоцентровую спонтанную кристаллизацию.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Математическое моделирование и оптимизация роста биокристаллов / И.Ж. Безбах, В.Г. Косушкин, В.И. Стрелов и др. // Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. – М., 2004. – Т.1. – С.277–278.

2. Numerical models for biocrystal growing / V.P. Ginkin, B.G. Zakharov, I.Zh. Bezbakh et al. // Abstracts of the 14th International Conference on Crystal Growth. – Grenoble (France), 2004. – P.335.

3. Управление процессами кристаллизации биоматериалов в земных и космических условиях / И.Ж. Безбах, Б.Г. Захаров, В.И. Стрелов и др. // Тезисы докладов XI Национальной конференции по росту кристаллов. – М., 2004. – С.355.

4. Математическое моделирование и экспериментальные исследования влияния вибраций и конвекции Марангони на микрооднородность кристаллов полупроводников / В.И. Стрелов, Б.Г. Захаров, И.Ж. Безбах и др. // Поверхность. – 2005. – №10. – С.80–87.

5. Моделирование процесса управления ростом кристаллов белков в земных и космических условиях / И.Ж. Безбах, В.И. Стрелов, В.Г. Косушкин и др. // Рост монокристаллов и тепломассоперенос: Труды
6-й международной конференции. – Обнинск, 2005. – Т.3. – С.545–551.

6. Математическое моделирование и экспериментальные исследования влияния температурных градиентов на процессы кристаллизации для земных и космических условий / В.И. Стрелов, Б.Г. Захаров, И.Ж. Безбах и др. // Кристаллография. – 2005. – Т.50, №3. – С.536–544.

7. Mathematical modeling and experimental investigation of the effect of temperature gradients on crystallization processes under terrestrial and space conditions / V.I. Strelov, B.G. Zakharov, I.Zh. Bezbakh et al. // Crystallography Reports. – 2005. – V.50, No.3. – P.490–498.

8. Прецизионное температурное управление процессом кристаллизации биоматериалов / И.Ж. Безбах, В.И. Стрелов, Н.И. Сосфенов и др. // Тезисы докладов XII Национальной конференции по росту кристаллов. – М., 2006. – С.330.

9. Оптимизация роста кристаллов белков с применением метода теплового управления / И.Ж. Безбах, В.Г. Косушкин, В.И. Стрелов и др. // Методы исследования и проектирования сложных технических систем: Сборник статей (Труды МГТУ №592). – М., 2006. – С.18–26.

10. Кристаллизация белка лизоцима в прецизионно-управляемом градиенте температуры / В.И. Стрелов, Б.Г. Захаров, И.Ж. Безбах и др. // Кристаллография. – 2007. – Т.52, №6. – С.1134–1139.

11. Безбах И.Ж., Стрелов В.И., Захаров Б.Г. Управление процессом зародышеобразования и роста биокристаллов // Тезисы докладов Российского симпозиума "Космическое материаловедение". – Калуга, 2007. – С.38.

12. Моделирование роста биокристаллов под воздействием управляющего теплового поля / В.П. Гинкин, И.Ж. Безбах, В.И. Стрелов и др. // Тезисы докладов Российского симпозиума "Космическое материаловедение". – Калуга, 2007. – С.43.

Безбах Илья Жанович

Оптимизация процессов кристаллизации биоматериалов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 25.09.2007.

Бумага офсетная 80 г/м2. Формат 60x84 1/16.

Усл. печ. л. 1. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 176.

Отпечатано в Редакционно-издательском отделе

КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана

248000, г. Калуга, ул. Баженова, 2, тел. 57-31-87

Pages:     | 1 | 2 ||






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»