Введение к работе
Актуальность
В настоящее время, в связи с экономическими и экологическими проблемами, возникающими при использовании традиционных видов топлива, возрастает научная и инновационная актуальность разработок по альтернативным источникам энергии. Водород является перспективным экологически чистым топливом. Хотя в современной промышленности водород получают из ископаемых видов топлива, однако в лабораторных условиях разрабатываются пути его синтеза, безопасные для окружающей среды.
Одним из наиболее перспективных путей синтеза водорода является его получение за счет солнечной энергии с помощью фотосинтезирующих микроорганизмов. В частности, пурпурные несерные бактерии способны образовывать водород как побочный продукт роста культуры на органических отходах. Когда этот процесс будет доведен до индустриальных масштабов, это позволит не только производить экологически чистое топливо, но и очищать окружающую среду. Однако такие существенные преимущества будут достигнуты, только если будет сконструирована рентабельная система производства водорода. Такая система должна быть основана на бактериальных штаммах, производящих водород с наибольшим выходом в удобных для промышленности условиях. Наиболее перспективными кандидатами для крупномасштабного производства биоводорода считаются бактерии из группы пурпурных несерных бактерий, так как они показывают наибольшую эффективность преобразования энергии и могут использовать большое разнообразие субстратов. Из этой группы бактерии рода Rhodobacter являются наиболее распространенными участниками экспериментов по производству водорода.
До недавнего времени выбор подходящего штамма и условий для его оптимального роста и производства водорода требовал постановки большого количества экспериментов. В то же время современные методы системной
биологии дают возможность построить эффективно производящую биоводород систему теоретически, что заметно уменьшает объем экспериментальной работы. Один из таких методов, называемый метод баланса стационарных метаболических потоков (Flux Balance Analysis), предложенный в начале 90-х годов Б.О. Палсоном с соавторами (Varma&Palsson, 1994, Appl. Environ. Microbiol. 60, 3724-3731), позволяет построить математическую модель метаболизма бактерии в стационарном приближении на основе данных о наборе генов бактерии. Такая модель называется потоковой или стехиометрической моделью метаболизма. Потоковая модель может быть использована для компьютерной симуляции экспериментов и подбора оптимальных условий для наработки биотоплива. Кроме того, она может быть использована для поиска генных модификаций, приводящих к увеличению наработки водорода или другого химического вещества.
В связи с необходимостью конструирования эффективной производящей биоводород системы, актуальным оказывается построение потоковой модели метаболизма бактерий рода Rhodobacter, связанного с производством водорода и изучение особенностей этого метаболизма.
Цель и задачи исследования
Главной целью проведённой работы было создание потоковой модели анаэробного метаболизма бактерий рода Rhodobacter, а именно R. sphaeroides и R. capsulatus, с помощью которой можно будет разработать инновационную технологию производства водорода этими бактериями, а также исследовать возможности коррекции метаболизма этих бактерий.
В задачи работы входило:
для каждой из бактерий R. sphaeroides и R. capsulatus создание и сопоставление с литературными данными списка биохимических реакций, описывающих анаэробный метаболизм бактерий и достаточных для описания производства водорода этой бактерией;
для каждой из бактерий R. и R. capsulatus создание потоковой модели анаэробного фотогетеротрофного метаболизма с помощью метода баланса стационарных метаболических потоков;
поиск экспериментальных данных, достаточно подробно описывающих рост и производство водорода культурами R. sphaeroides и R. capsulatus, и проведение сравнения экспериментальных данных с предсказаниями построенной модели;
на основе потоковых моделей R. sphaeroides и R. capsulatus провести сравнение их анаэробного метаболизма;
определение изменений в экспериментальных условиях, необходимых
для увеличения наработки водорода;
предсказание мутантов бактерий R. sphaeroides и R. capsulatus,
производящих водород с повышенной скоростью.
Научная новизна
Впервые создана потоковая модель анаэробного метаболизма бактерии Rhodobacter. Эта модель позволяет описывать распределение стационарных потоков вещества, как в центральном метаболизме, так и в метаболизме аминокислот, липидов, и в фотосинтетическом аппарате. Проведено сравнение предсказаний модели с экспериментальными данными и продемонстрирована ее работоспособность.
Впервые с помощью потоковой модели проведена интерпретация экспериментальных данных на всей продолжительности жизни бактериальной культуры.
Впервые предсказаны мутанты R. sphaeroides и R. capsulatus способные производить водород с более высокой скоростью, чем природные штаммы.
Практическое значение работы
Построенная модель анаэробного метаболизма бактерий рода Rhodobacter позволяет провести компьютерный анализ экспериментальных данных о
производстве водорода бактериальной культурой и предложить пути изменения экспериментальных условий для оптимизации процесса и увеличения объема наработанного водорода. Кроме того, модель позволяет предсказать влияние различных факторов внешней среды, таких как освещение и тип субстрата, на результат эксперимента. Модель позволяет предсказать генные модификации R. sphaeroides и R. capsulatus, приводящие к созданию штаммов с повышенным выделением водорода. Использовать такой материал можно будет в создании биореакторов, подборе субстратов и штаммов для запуска производства водорода бактериями R. sphaeroides и R. capsulatus в промышленных масштабах.
Апробация работы
Основные результаты диссертации были представлены на XVII международной конференции "Математика. Компьютер. Образование" (Дубна, 2010). Доклады о результатах работы были представлены на семинаре сектора информатики и биофизики сложных систем кафедры биофизики биологического факультета МГУ и семинаре лаборатории физической биохимии ГНЦ РАМН.
По материалам диссертации опубликовано 4 работы, из них 3 публикации в реферируемых журналах по списку ВАК и 1 тезисы в трудах международных конференций.
Структура работы
Диссертация представлена на 136 страницах и состоит из введения, 6 глав и трех приложений. Работа проиллюстрирована 21 рисунком и содержит 12 таблиц, список литературы включает 140 источников.
