CC BY
21
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 4_
УДК 004.942; 579.61
В. И. Глаголев, Э. М. Кольцова*
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 * e-mail: [email protected]
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РОСТА ШТАММА STREPTOMYCES TSUKUBAENSIS ПРОДУЦЕНТА - ЛЕКАРСТВЕННОГО ПРЕПАРАТА ТАКРОЛИМУС В ФЕРМЕНТАЦИОННОЙ УСТАНОВКЕ
Аннотация
Работа посвящена математическому моделированию процесса биосинтеза штамма Streptomyces tsukubaensis продуцента - лекарственного препарата Такролимус. Проведена серия опытов культивирования штамма. На основе полученных экспериментальных данных получено хорошее соответствие между экспериментальными и расчетными данными.
Ключевые слова: штамм Streptomyces tsukubaensis, математическое моделирование, ферментационная установка.
концентрации
Высокоактивный штамм Streptomyces tsukubaensis, продуцентом которого является имуносупрессивный лекарственный препарат такролимус, был впервые обнаружен и выделен учёными из японской компании Fujisawa Pharmaceuticals в 1984 г. [1]. Изначально такролимус применялся системно для лечения пациентов, перенесших трансплантацию органов, с целью предотвращения отторжения трансплантата. Однако, было отмечено, что такролимус вызывал улучшение течения фоновых дерматозов у пациентов, которые получали его в связи с трансплантацией. Таким образом, открытие такролимуса привело к лучшему пониманию патогенеза ряда кожных заболеваний, в частности атопического дерматита [2].
Эксперименты по осуществлению процесса культивирования штамма Streptomyces tsukubaensis проводились в лаборатории биотехнологии физиологически активных веществ центра «Биоинженерия» РАН. Было проведено 4 эксперимента: 1 - без внесения дополнительных источников питания; 2 - с внесением дополнительных компонентов углеродного питания; 3 - с внесением дополнительных компонентов азотного питания; 4 - с внесением дополнительных компонентов углеродного и азотного питания.
Математическая модель процесса
культивирования штамма Streptomyces tsukubaensis имеет вид:
• уравнение изменения концентрации биомассы в культуральной жидкости
• уравнение изменения компонентов азотного питания
dCa dt
= -КзРХ + V,
4 "аз'
(3)
• уравнение изменения концентрации содержании такролимуса в культуральной жидкости
dP dt
= k
5
dX_ dt
+k
dX
m
\ dt j
• удельная скорость роста биомассы
i ^ „ \
(4)
C
Уг
Ca
\
k1 + C
Уг
k2 + Ca3 j
(5)
где X - биомасса, г/л; Суг - концентрация компонентов углеродного питания, г/л; Саз -концентрация компонентов азотного питания, г/л; P -концентрация содержания такролимуса в культуральной жидкости; t - время, мин; ц - удельная скорость роста биомассы, 1/мин; М, k2 - параметры, характеризующие сродство клеток к субстратам, г/л;
k3 - коэффициент смертности бактерий;
■уг
^аз -
коэффициенты, характеризующие расход компонентов углеродного и азотного питания,
идущих на рост биомассы; Уу,
- коэффициенты,
dX_ dt
= |uX
\ Xn
• уравнение изменения компонентов углеродного питания
(1)
концентрации
dC
характеризующие скорость подачи компонентов углеродной и азотной подпитки, г/л/мин; k4 -корректирующий коэффициент скорости подачи компонентов подпитки; k5, Ы - константы.
Сопоставление расчетных данных, полученных с помощью математической модели (1)—(5), и экспериментальных данных представлено на рисунке 1.
Уг
dt
= -X уг |uX + k4 v
уг
(2)
v
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 4
О 141» ¿№0 4530 ПН ВНО ШЗО 11530 119« 14404 □ ., мл , . J
в г
Рис. 1. Сопоставление результатов расчётов с экспериментальными данными: а - без внесения дополнительных источников питания, б - при дополнительном углеродном питании,
в - при дополнительном азотном питании, г - при дополнительном углеродном и азотном питании; - -/♦ - биомасса (расчет/эксперимент); -/• - концентрация углеродного питания (расчет/эксперимент); -•-/▲ - концентрация азотного питания (расчет/эксперимент); •_/■ _ концентрация такролимуса (расчет/эксперимент)
Работа выполнена при частичной поддержке грата РФФИ №14-07-00960.
Глаголев Владислав Игоревич, студент 5 курса факультета Информационных технологий и управления РХТУ им. Д.И.Менделеева, Россия, Москва.
Кольцова Элеонора Моисеевна, д.т.н., профессор, заведующая кафедрой Информационных компьютерных технологий РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Kino T., Goto T. Discovery of FK-506 and Update // Annals of the New York Academy of Sciences. - 1993. - V.685. - P. 13-21.
2. FK506 in the treatment of inflammatory skin disease: promises and perspectives / Michel G. [et al.]. Immunol Today. - 1996. - № 17. Р. 106-108.
Glagolev Vladislav Igorevich, Koltsova EleonoraMoiseevna* D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]
MATHEMATICAL MODELING OF THE GROWTH PROCESS OF A PRODUCER STAIN STREPTOMYCES TSUKUBAENSIS - MEDICINAL DRUG TACROLIMUS IN A FERMENTATION PLANT
Abstract
This work is devoted to mathematical modeling of the process of a producer stain Streptomyces tsukubaensis biosynthesis -medicinal drug Tacrolimus. Sets of experiments of stain cultivation has been carried on. Based on experimental data a good consistency between experimental and calculated data has been obtained.
Keywords: stain Streptomyces tsukubaensis, mathematical modeling, fermentation plant.
