Математическое моделирование биосинтеза продуктов метаболизма

МЕТАБОЛИЗМ – греческое слово metabole, означающее перемена, превращение.

В физиологическом смысле метаболизм – это промежуточный обмен, т. е. превращение определенных веществ внутри клеток с момента их поступления до образования конечных продуктов (напр., метаболизм белков, метаболизм глюкозы, метаболизм лекарственных препаратов).

С точки зрения промышленной биотехнологии метаболизм – это образование в процессе роста и развития клеток ценных биохимических продуктов – некоторые из них выделяются в среду (внеклеточные продукты), некоторые накапливаются в биомассе (внутриклеточные продукты). С помощью метаболизма получают антибиотики, молочную и лимонную кислоту, пищевые консерванты и многие другие продукты.

В естественных условиях метаболизм настроен так, чтобы производить минимальное количество необходимых метаболитов. Промышленное производство, направленное на получение максимальной прибыли, такая ситуация никак не устраивает. Поэтому, для максимизации прибыли необходимо произвести оптимизацию следующих технологических параметров:

­– выхода продукта в расчете на потребленный субстрат;

– концентрация продукта;

– скорость образования продукта.

Оптимизация технологии биосинтеза метаболитов состоит из следующих основных этапов [5]:

1) Первоначальная селекция штамма микроорганизмов;

2) Определение оптимальных значений температуры, рН, тоничности и потребности в кислороде;

3) Определение оптимального режима питания и накопления биомассы;

4) Изменение генетической структуры организма для увеличения образования продукта.

Разработка 3-его этапа, непосредственно связана с биосинтезом. Для нахождения режима питания и накопления биомассы, оптимального для биосинтеза метаболитов необходимо математическое описание процесса [1,2,3,4]. Кроме нахождения оптимальных условий проведения процесса, математическая модель используется для автоматизации биосинтеза, что в современной биотехнологической промышленности не менее важно.

Прежде чем приступить, к описанию моделей приведем принятые обозначения основных количественных характеристик процесса биосинтеза.

• Кинетические характеристики процесса биосинтеза.
• Математические модели кинетики биосинтеза продуктов метаболизма как функции от удельной скорости роста.
• Субстрат-зависимые модели кинетики биосинтеза продуктов метаболизма.
• Модели, основанные на концепции возраста культуры микроорганизмов.
• Модели деградации (инактивации) продуктов метаболизма.
• Модель накопления продукта метаболизма на примере лейцина.