стоящих перед современной микробиологией особенно в настоящее время, в связи с широким внедрением методов управления на основе вычислительной техники[82,831.
Цель работы. I. Разработка математического описания и качественное исследование взаимосвязи ростовых и биосинтетических характеристик микробных популяций на примере E. coli M-I7 и синтезируемых ею метаболитов /веществ пиридиннуклеотидной природы и пиридоксина/ при однои двухфакторном влиянии состава питательной среды на рост и биосинтез.
2. Создание инструментальной базы для исследования кинетики накопления биомассы и флуоресцирующих метаболитов.
3. Исследование динамики накопления флуоресцирующих метаболитов при культивировании E. coli M-I7 на питательных средах определенного состава в лимитируемых по ряду элементов /Mg, P, Ы,£/ и их комбинациям /P, Mg — Р, ЫМ^, Ы/ условиях.
4. Проверка адекватности математического описания наблюдаемым в эксперименте зависимостям между ростовыми и синтетическими характеристиками.
Основные задачи исследования. В задачу настоящего исследования входит:
1. Построение и качественное исследование математического описания взаимосвязи ростовых и биосинтетических характеристик микробных популяций при однои двухфакторном влиянии II 0JL.
2. Создание технического обеспечения эксперимента для получения кинетических кривых накопления биомассы и Флуоресцирующего метаболитаt14,32,33,52] в процессе культивирования.
3. Экспериментальное исследование процесса накопления флуоресцирующих метаболитов в стрессовых ситуациях /при однои двухфакторных лимитированиях/[1] .
Общая характеристика работы.
Математическое описание, построенное на базе ММ-систем [Ю] определяет взаимосвязь таких физиологических характеристик микробной популяции как удельной скорости роста биомассы и удельной скорости синтеза продукта. Качественное исследование системы уравнений, описывающей эти характеристики, позволило построить трехмерный параметрический портрет системы и внявить области с качественно различным характером фазовых траекторий. Разработанный применительно к данному случаю аппарат М-представ-ления [10,53] позволяет получить аналитическое решение исследуемой системы уравнений, что может представлять определенный интерес при адаптивном управлении процессом культивирования.
Техническое обеспечение данной работы реализовано в виде специально разработанной проточной системы измерения оптической плотности бактериальной суспензии с широким динамическим диапазоном измеряемых оптических плотностей /0 * 20 Д/, а также в виде двухволнового проточного флуориметра, принцип действия которого основан на измерении отношения интенсивностей флуоресценции на двух длинах волн, что позволяет в ходе эксперимента фиксировать не только интенсивность флуоресценции, но и изменение положения максимума спектра флуоресценции. Применение данных приборов в исследовании значительно повысило точность получаемых результатов, сократило затраты ручного труда при проведении анализов, уменьшило вклад неконтролирумых погрешностей в процессе измерения.
Полученные с помощью технических средств данные при культивировании E. coIL M-I7 в условиях лимитирования рядом неорганических элементов питания позволили выявить различный характер поведения зависимостей ^(fO для случаев однои двухфактор-ных лимитирований, а также сверхсинтез веществ пиридоксалевой природы при двухсубстратном лимитировании, когда одним из лимитирующих элементов был фосфор.
Сопоставление экспериментально полученных зависимостей как для метаболитов пиридиннуклеотидной, так и пиридоксалевой природы показывает, что математическое описание, предложенной в данной работе, качественно верно описывает взаимосвязь ростовых и синтетических характеристик популяции, что подтверждает правильность основных положений данного описания.
Научная новизна и основные результаты работы.
Для исследования ростовых и синтетических характеристик популяции создана инструментальная база, позволяющая получить в реальном масштабе времени /в темпе эксперимента/ полную и точную информацию о накоплении биомассы и флуоресцирующего метаболита. Два из разработанных в составе комплекса аппаратуры устройства — пробоотборное и измеритель оптической плотности защищены авторскими свидетельствами и положительным решением / A.c. W 9I3I2I, заявка № 2 955 128 от 14.07.80 — A.c. № 991,230, заявка W 3 303 671 от 03.04.81. Положительное решение ВНШГГО от 28.06. 83 по заявке № 3 476 198/25 от 11.06.82/.
Предложенное математическое описание взаимосвязи удельных скоростей роста биомассы и синтеза продукта, построенное на основании MM-систем, позволяет качественно верно описать характер взаимосвязи физиологических характеристик популяции-продуцента, таких как удельная скорость роста биомассы и удельная скорость синтеза целевого продукта. Данная модель удовлетворительно описывает взаимосвязь С^ и J4 как в случае выделения популяцией продукта в тропофазе, так и при синтезе вторичных метаболитов. Характерным отличием данного математического описания от существующих является его универсальный характер, а наличие структурного портрета системы позволяет из получающихся экспериментальных данных оценить соотношение кинетических постояннных, определяющих характер протекающего процесса. ММ-представление, предложенное в рамках данной модели, позволяет расширить область применения данного описания на широкий класс биологических объектов, а также использовать его при решении задач управления /в т.ч. и адаптивного/.
Исследование динамики накопления метаболита пиридиннуклео-тидной природы в культуральной суспензии при выруливании Е. соЗд M-I7 в периодических условиях выявило зависимость синтеза этих соединений от условий культивирования.
Имеющаяся корреляционная связь между ростом биомассы и интенсивностью флуоресценции позволяет использовать флуоресценцию суспензии для оценки концентрации биомассы кулктуры в широком диапазоне оптических плотностей /0 * 5 Д/. При культивировании E. coli M-I7 на питательных средах, лимитированных по двум элементам питания — Р, N и Р, М<^, обнаружен сверхсинтез культурой веществ пиридоксалевой природы /концентрация пиридоксина достигает 20 от/л/. До настоящего времени в научной литературе информация по данному вопросу отсутстует.
Практическое внедрение. На базе Научно-исследовательского Центра автоматизации /НИЦ биоавтоматика/ налажено производство составных элементов устройства для кинетического измерения характеристик роста, которые включены в состав серийно выпускаемых систем для культивирования микроорганизмов: «Шермус-З» /про-боотборное устройство/ и «Фермус-4» /проточный измеритель оптической плотности/ с объемом выпуска 15 единиц в год.
Математическое описание используется в автоматизированной биотехнологической системе «Автоферм-2». Результаты исследования, а также аппаратура используется в научно-исследовательской работе сотрудников НИЦ биоавтоматика.
Связь работы с целевыми комплексными программами Работа выполнена в связи с целевой комплексной научно-технической программой 0.Ц.027 /тема-задание 06.19/, утвержденной ГКНТ СМ СССР, Госпланом СССР и АН СССР /постановление № 474/250/132 от 12 декабря 1980 г./. Автор защищает следующие положения:
1. Математическое описание взаимосвязи ростовых и синтетических характеристик микробной популяции-продуцента.
2. Аппаратурное оформление метода исследования кинетических характеристик популяции-продуцента.
3. Результаты экспериментальных исследований кинетики накопления биомассы Ё. соК М-17 и флуоресцирующих метаболитов в процессе периодического культивирования.
