Використання лазерного випромінювання при культивуванні галобактерій

Главная » Каталог статей » Статьи на украинском » Нанотехнології » Використання лазерного випромінювання при культивуванні галобактерій

news011208_2

В наш час розширюється спектр аеробних мікроорганізмів використовуваних у мікробіологічній промисловості для одержання біомаси клітин, а також синтезу білків, амінокислот, вітамінів і інших біологічно-активних речовин. Кількість і якість одержуваних продуктів метаболізму в достатньому ступені залежать від умов вирощування мікроорганізмів у ферментері. Особливе місце займають процеси культивування (ферментації) за участю аеробних світлочутливих мікроорганізмів. Основними керуючими впливами в таких процесах є світло і кисень. Одним з перспективних напрямків удосконалювання процесів за участю світлочутливих мікроорганізмів є використання лазерних джерел випромінювання. Лазери успішно використовуються в багатьох областях медицини: у хірургії (у тому числі хірургії ока, при руйнуванні каменів у нирках і т.д.) і терапії різних захворювань. Однак у біотехнологічних процесах лазерний вплив дотепер не застосовувався. Це пов’язано з відсутністю експериментальних даних про вплив лазерного випромінювання на клітини мікроорганізмів на молекулярному і генетичному рівнях. Проте за даними, отриманими з літературних джерел, можна припустити, що застосування лазерів при проведенні і керуванні ферментаційними процесами, одержанні нових продуктів біосинтезу є перспективним напрямком біотехнології сьогодення і майбутнього.

Очевидні переваги впливу лазерного випромінювання обумовлені когерентністю випромінювання, можливістю селективного впливу на процеси внутрішньоклітинного метаболізму.

Метою роботи є використання унікальних властивостей лазерного випромінювання для керування процесами росту мікроорганізмів і біосинтезу біологічно активних з’єднань. Як основні об’єкти досліджень використовувалися екстремальні архебактерії, зокрема галобактерії. Даний вид бактерій використовується для одержання каротиноїдів використовуваних у косметичних препаратах, білка бактеріородопсина, який входить до складу пурпурних мембран, що містять близько 75% бактеріородопсина (при сухій вазі). Підвищений інтерес, що спостерігається останнім часом до одержання великої кількості бактеріородопсина, пов’язаного з перспективністю його застосування як одного з основних компонентів різних біоелектронних пристроїв і оптичних інформаційних систем — при створенні середовищ для збереження й обробки інформації, одержання голографічних зображень, у голографічній інтерферометрії.

Досліди з культивування проводилися в мікропланшетах, у колбах (обсягом 10 л). Біореактор оснащений теплообмінними пристроями, турбінними мішалками для перемішування культуральної рідини, системами піногасіння і контролю й автоматичного регулювання параметрів процесу — Т°, р, р2 -, швидкості подачі повітря. Як живильне середовище культивування галобактерій використовували спеціальне середовище, що містить хлорид натрію, пептон, дріжджовий екстракт і інші компоненти.

Від умов культивування галобактерій залежить кількість вироблюваного ними бактеріородопсину. Основний спосіб одержання енергії екстремальними галофілами — аеробний подих. В умовах нестачі кисню в пурпурних мембранах галобактерій індукується синтез білка бактеріородопсину, що дозволяє здійснювати процес подиху за рахунок фотофосфорування. Інтенсивність утворення бактеріородопсина залежить від інтенсивності висвітлення.

Відомо, що для свого росту бактерії використовують енергію сонячного світла для часткового забезпечення енергетичних потреб внутрішньоклітинних процесів біосинтезу. Одним зі способів збільшення кількості біомаси клітин, які утворяться, є вплив на мікроорганізми, крім енергії сонячного світла, також і лазерного випромінювання в синьому, зеленому або червоному діапазонах видимого світла. Випромінювання лазера стимулює клітинний метаболізм, у тому числі збільшує потенціал мітохондріальних мембран, синтез АТФ і споживання кисню. У залежності від довжини хвилі опромінення в плазматичних мембранах спостерігається фотоіндукована зміна протонного градієнта й активація іонних каналів, що приводить до зрушення, перерозподілу іонів кальцію і стимулювання метаболізму і клітинного розподілу. Що, в остаточному підсумку, відбиває на загальній кількості біомаси клітин, одержуваної в ході культивування і змісту в них бактеріородпсину. Із серії дослідів, проведених на мікропланшетах і в колбах, було встановлено, що короткочасний вплив лазерного випромінювання з довжиною хвилі Л=660 нм (червоне світло) практично не робить стимулюючого впливу на клітини, а при випромінюванні з Л=430 нм (синє світло) відзначене збільшення швидкості росту клітин у 3 рази.

В даний момент проводяться роботи з виявлення умов впливу лазерного випромінювання (довжини хвилі випромінювання, щільності потужності, тривалості експозиції, режиму опромінення — імпульсно-періодичного, безперервного, модульованого) на нагромадження біомаси галобактерій і цільового білкового продукту — бакгеріородопсину при різному ступені аерації, а також оцінка впливу різних параметрів лазерного випромінювання на ріст генетично різних культур галобактерій.

Отримані результати можуть бути корисні при розробці оптимальних умов і технологій культивування світлочутливих мікроорганізмів, а також для організацій можливостей, що займаються вивченням бактеріородопсину.

Термін реалізації- друга — четверта чверть XXI століття.

Біологія. Стане можливим упровадження наноелементів у живий організм на рівні атомів. Наслідки можуть бути різними — від «відновлення» вимерлих видів до створення нових типів живих істот, біороботів.

Термін реалізації: середина XXI століття.

Екологія. Повне усунення шкідливого впливу діяльності людини на навколишнє середовище. По-перше, за рахунок насичення екосфери молекулярними роботами-санітарами, що перетворюють відходи діяльності людини у вихідну сировину, а по-друге, за рахунок переведення промисловості і сільського господарства на безвідхідні нанотехнологічні методи.

Термін реалізації: середина XXI століття.

Освоєння космосу. Очевидно, освоєнню космосу «звичайним» порядком буде передувати освоєння його нанороботами. Величезна армія роботів-молекул буде випущена в навколоземний космічний простір і підготує його для заселення людиною — зробить придатними для проживання Місяць, астероїди, найближчі планети, спорудить з «підручних матеріалів» (метеоритів, комет) космічні станції. Це буде набагато дешевше і безпечніше існуючих нині методів.

Кібернетика. Відбудеться перехід від нині існуючих пленарних структур до об’ємних мікросхем, розміри активних елементів зменшаться до розмірів молекул. Робочі частоти комп’ютерів досягнуть терагерцових величин. Одержать поширення схемні рішення на нейроноподібних елементах. З’явиться швидкодіюча довгострокова пам’ять на білкових молекулах, ємність якої буде вимірятися терабайтами. Стане можливим «переселення» людського інтелекту в комп’ютер.

Термін реалізації: перша — друга чверть XXI століття.

Розумне середовище існування. За рахунок упровадження логічних наноелементів в усі атрибути навколишнього середовища воно стане «розумним» і винятково комфортним для людини.

Термін реалізації: після XXI століття

Основні етапи в розвитку нанотехнології.

1959 р. Лауреат Нобелівської премії Річард Фейнман заявляє, що в майбутньому, навчившись маніпулювати окремими атомами, людство зможе синтезувати усе, що завгодно.

1981 р. Створення Бінігом і Рорером сканувального тунельного мікроскопа — приладу, що дозволяє здійснювати вплив на речовину на атомарному рівні.

1982-85 р. Досягнення атомарного дозволу.

1986 р. Створення атомно-силового мікроскопа, що дозволяє, на відміну від тунельного мікроскопа, здійснювати взаємодія з будь-якими матеріалами, а не тільки з провідними.

1990 р. Маніпуляції одиничними атомами.

1994 р. Початок застосування нанотехнологічних методів у промисловості.

Однак прийнято вважати, що нанотехнологія «почалася» коли 70 років тому Г. А. Гаморів вперше одержав рішення рівняння Шредингера, що описують можливість подолання частинкою енергетичного бар’єра навіть у випадку, коли енергія частинки менша висоти бар’єра. Нове явище, назване тунелюванням, дозволило пояснити багато експериментальних процесів. Знайдене рішення дозволило зрозуміти велике коло явищ і було застосовано для опису процесів, що відбуваються при вильоті частинки з ядра — основи атомної науки і техніки. Багато хто вважає, що за грандіозність результатів його робіт, які стали основними для багатьох наук, Г. А. Гаморів повинний був бути визнаний гідним декількох Нобелівських премій.

Розвиток електроніки підійшов до використання процесів тунелювання лише майже 30 років по тому: з’явилися тунельні діоди, відкриті японським ученим Л. Есаки, відзначеним за це відкриття Нобелівською премією. Ще через 5 років Ю. С. Тиходєєв, який керував сектором фізико-теоретичних досліджень у московському НДІ «Пульсар», запропонував перші розрахунки параметрів і варіанти використання приладів [186, 187].

Напуск технологічного газу або пар речовини, використовуваних у технологічній реакції, приводить до утворення на поверхні підкладки адсорбованого шару. Зонд скануючого тунельного мікроскопа наближається до поверхні підкладки й практично поринає в адсорбовану кулю. Збільшення напруги між зондом і підкладкою стимулює проходження декількох процесів:

— поверхневої міграції полярних молекул адсорбованої речовини до зонда;

— поляризації речовини під зондом;

— видалення речовини з-під зонда за рахунок нагрівання;

— виникнення й поглинання плазмових коливань;

— межатомній взаємодії зонда, підкладки й речовини;

— локальних хімічних реакцій.

Оставьте комментарий к статье