Рубин А.Б., Пытьева Н.Ф., Ризниченко Г.Ю. Кинетика биологических процессов

Подождите немного. Документ загружается.

вымыванию

культуры

из культиватора. Теория таких систем

разработана Моно

(1950)

(Романовский, Степанова, Чернавскнп.

1975).

Рассмотрим простейшую теорию

хемостата.

Пусть в культива-

тор подается среда, лишь один (известный) компонент которой

ограничивает рост популяции. Например, это может быть глюкоза,

если бы она служила единственным источником

углерода

для

микроорганизмов. Уравнения содержат две переменные: концен-

трацию, или плотность, популяции микроорганизмов и концентра-

цию лимитирующего вещества.

Если отвлечься от вымывания клеток из культиватора, рост

биомассы описывается уравнением

//г

И*, - (И. 10—2}

где )1 — удельная скорость роста биомассы. При неограниченных

ресурсах

питательных веществ эта величина постоянна, и уравне-

ние

(11.10—2)

описывает экспоненциальный рост

культуры

клеток.

Если же какие-либо причины начинают лимитировать рост, вели-

чина

|л

будет

уменьшаться. Уменьшение скорости размножения

при

увеличении численности популяции можно представить мате-

матически различным образом. При описании экологических си-

туаций обычно пользуются уравнением типа Ферхюльста, подробно

описанным

ранее:

^rN

, (П. 10-3)

dt k

которое приводит при

t-^-oo

к постоянному размеру популяции

Однако эта теория не указывает на причины того, почему прекра-

тился рост популяции: из-за нехватки пищи, либо из-за отравления

продуктами жизнедеятельности, или из-за непосредственного

меха-

нического влияния клеток

друг

на

друга

— эффекта

«тесноты».

В микробиологических

задачах

экспериментально показано,

что, как правило, лимитирующей скорость роста популяции вели-

чиной

является концентрация

субстрата.

Поскольку эта величина

легко регулируется, наиболее удобной (и соответствующей дей-

ствительности) оказалась форма записи, учитывающая насыщение

скорости роста

культуры

по питательному

субстрату,

предложен-

ная

Моно:

— =

-^^5-*.

(II. 10—4)

s'rS

Здесь \i

— максимальная скорость роста организмов при данных

условиях; ks — константа, численно равная концентрации

субстра-

та, при которой скорость роста

культуры

равна половине макси-

мальной.

181

Преимущество закона Моно заключается в том, что вид

кине-

тических уравнений в этом

случае

аналогичен формулам Михазли-

са — Ментен в ферментативной кинетике. По-видимому, это не

только формальное сходство. Действительно, в основе жизнедея-

тельности любой клетки лежат ферментативные реакции. Скорость

роста биомассы определяется в конечном счете скоростью перера-

ботки лимитирующего субстрата ферментом узкого места в цепи

этих ферментативных реакций. Пусть концентрация фермента на

единицу биомассы равна Е

. Тогда согласно закону Михаэлпса

скорость переработки субстрата единицей биомассы определяется

формулой

-1 JL. = _

(II. 10-5)

х dt k

-~S '

где km — константа Михаэлиса, k — константа скорости реакции.

Вся биомасса концентрации х обладает количеством фермента Е

х,

п.

следовательно, суммарная скорость убыли субстрата

будет

равна

_ _ kE

dt k

\-S

(II.

10-6)

Предположим теперь, что прирост биомассы пропорционален убы-

ли

субстрата

dx I dS

dt a dt

(II. 10-7)

f /7

Обозначив k

— k

и fx

= ——, получим формулу (11.10—4).

В формулах

(11.10—4)

(11.10—6)

имеются важные различия.

Формула Михаэлиса — Ментен

(11.10—6)

относится к отдельной

ферментативной реакции, и все константы, входящие в нее, выра-

жаются через скорости соответствующих химических реакций.

В формуле же Моно

(11.10—4)

константы k

и \i

являются

неки-

ми

эффективными величинами и определяются по эмпирической

зависимости скорости роста культуры от концентрации питатель-

ного субстрата ,и(5). При этом предполагается, что в формулу

входит

концентрация субстрата, лимитирующего рост. На самом

деле

при исследовании конкретных условий выращивания часто

бывает нелегко выделить лимитирующий фактор. Здесь может

играть роль соотношение коэффициентов растворимости различных

веществ или проницаемости мебраны клеток культуры по отноше-

нию

к этим веществам. Только специально поставленные экспери-

менты

могут

выявить в каждой конкретной ситуации управляющее

звено — тот лимитирующий

субстрат

S, который

входит

в форму-

лу (11.10—4).

Итак,

мы рассматриваем простейшую модель проточной куль-

туры

(концентрация клеток х), растущей на питательном субстра-

182

ге (концентрация

S). При

непрерывном перемешивании весь

объем культиватора можно считать однородно заполненным

концентрации

субстрата

клеток

каждой точке культиваторе*

одинаковыми.

Это

позволяет описывать поведение этих концентра-

ций

во

времени

при

помощи системы обыкновенных дифференци-

альных уравнений

—

^\i(S)x

—

D'(x),

(a)

—

= — ац (S) x — П (S° —

S),

(б) (II. 10-8)

Здесь

5 —

концентрация субстрата;

.v —

концентрация клеток

культиваторе;

S° --

концентрация субстрата, поступающего

культиватор;

D' —

скорость протока (разбавления") культуры;

' — так

называемый «экономический коэффициент», показываю-

щий,

какая часть поглощенного субстрата идет

на

построение

био-

массы.

Поясним

смысл членов, входящих

правые части уравнений.

Член

ц(3)* в

уравнении

(а)

представляет собой прирост биомас-

сы

за

счет поглощения субстрата,

— D'x -

отток биомассы

из

культиватора.

уравнении

(б)

член

—

a|i(S)x характеризует

ко-

личество субстрата, поглощенного клетками культуры,

D'S -•••

приток

субстрата

культиватор

и,

наконец,

— D'S —

отток неис-

пользованного субстрата

из

культиватора. Скорость роста биомас-

сы

предполагается зависящей только

от

концентрации субстра-

та

соответствии

формулой Моно

(в).

Изложенные

нами методы качественной теории дифференциаль-

ных уравнений позволяют исследовать вопрос

о том,

какие стацио-

нарные

концентрации биомассы

субстрата возможны

проточ-

ном

культиваторе, описываемом системой (11.10-

8),

определить

тип

устойчивости этих стационарных состоянии,

также рассмот-

реть переходные процессы выхода культиватора

па

стационарный

режим.

Для удобства исследования приведем систему (11.10—

8) к без-

размерному вид\-. введя безразмерные концентрации

_ ах _ S S»

безразмерное время

t'=t\\

, и

скорость протока

D =

D'i\\,

новых переменных система

будет

иметь

вид

~--M.").v-D.v,

18о

(II.

10-9)

(Штрихи

безразмерного времени

безразмерной концентрации

биомассы отброшены.)

В первую очередь найдем стационарные концентрации биомас-

сы

субстрата,

устанавливающиеся

культиваторе

состоянии

равновесия.

Для этого приравняем правые части уравнений систе-

мы (II. 10—9) нулю

-г

(И.

10—10)

-(—*!-=-)

D(y

-y)

= 0.

Система алгебраических уравнений

(11.10—10)

имеет два решения,

п.

следовательно, система дифференциальных уравнений

(11.10—9)

имеет две особые точки

координатами

= о,0

= 0

; (и. ю—и)

{И1012)

у,—^-,

у* =73^

Учитывая, что безразмерная концентрация клеток

имеет

смысл только при значениях х>0,

безразмерная концентрация

субстрата

ограничена

сверху

значением

—г—

(концентрация

притекающего субстрата), легко видеть, что ненулевое стационар-

ное

решение для биомассы

(11.10—12)

имеет смысл только

том

случае, когда безразмерная скорость протока

меньше опреде-

ленной

величины

Уо

В. (II.

10—13)

гУо

Граничное значение скорости протока

называется скоростью

вымывания

'°=V

=^f^.

(И.

10-14)

При

скоростях протока, больших D', прирост биомассы не может

уже компенсировать

ее

отток,

культура

полностью вымывается

из

культиватора.

Определим теперь характер устойчивости особых точек

(11.10—11, 12), используя метод Ляпунова.

Введем

новые пере-

184

менные,

характеризующие малые отклонения

х и у от

стационар-

ных значений:

— х,

ц = у

—

у.

Напомним,

что характер поведения фазовых траекторий систе-

мы вблизи особой точки определяется видом корней характеристи-

ческого уравнения линеаризованной системы, записанной для

ма-

лых отклонений

и г):

г ,—

-fr

[V-

(У)

(11.10—15>

Характеристический определитель системы

(11.10—15)

имеет

вид

МУ)-О-Х

—I—

-г

_ D —

(11.10—16)

Исследуем сначала характер устойчивости режима вымыва-

ния

—

особой точки

координатами *i

{

этом

случае

1+У'о

Д.

характеристический детерминант

прини-

мает вид

Д,

— Л

(II.

10—17)

Корни

характеристического уравнения

(11.10—17)

A,i

—Д

7;2

D действительны

имеют различные знаки при

D<LD\

т.

е.

при скоростях разбавления, меньших скорости вымывания.

При

этом точка (0,

)

неустойчива (седло). Если же

D>D

оба

корня

отрицательны

особая точка (xi

0, у

) является

устойчивым узлом, что соответствует полному вымыванию

культу-

ры

из

культиватора

(x=0).

Концентрация субстрата

культива-

торе

равна при этом концентрации поступающего субстрата

S°.

Для второй особой точки

координатами

Хо

Уо

—

•

1—

•D

характеристический определитель имеет вид

-X

-D)(\~y

)(l~D)

-D _(D

-D)(l-:-«/„)(!-D)-D-A.

(П.

10—12):

0.(11.

10—18)

185

Корни

уравнения (11.10—18), соответственно, равны

Напомним,

что состояние равновесия

(11.10—12)

существует в

положительном квадранте лишь при значениях скорости разбавле-

ния

D<cD

(условие (11.10—13)). Так как D

г/о

все три сомножителя, входящие в выражение для л

, положитель-

ны

и, следовательно, Яг<0, т. е. точка (х

, г/г) — устойчивый узел.

Рис.

11.15.

Фазовый портрет системы

(11.10—9):

а — D<Db, точка / — седло, 2 — устойчивый

узел;

б —

D~>D\,,

точка /—ус-

тойчивый

узел

Это и есть рабочее состояние проточного культиватора. Фазовые

портреты системы для

двух

значений скоростей разведения

D<CDb

D>Db

приведены на рис. 11.15, а, б. Уравнение изоклины гори-

зонтальных касательных можно получить, приравняв правую часть

уравнения для ——

(11.10—9)

нулю, — это кривая

D (j/o — У) (1 + У)

Изоклины

вертикальных касательных — ось х=0 и прямая

у — (//). В случае /)<Оь (рис. 11.15, а) главные изо-

клины

пересекаются в положительном квадранте, и точка их пере-

сечения

является устойчивым узлом, а точка пересечения кривой

(/) с осью х = 0—седлом. В случае /)>£>ь (рис. 11.15, б) главные

186

изоклины

(/) и (//) пересекаются вне положительного квадранта,

устойчивым узлом является особая точка (Х] = 0, r/i = «/o), соот-

ветствующая режиму вымывания.

Исследованная

нами система уравнений

(11.10—8)

применима

для описания разных типов культиваторов: для хемостата, в кото-

ром скорость протока остается постоянной, для турбидостата, где

скорость протока поддерживается автоматически равной скорости

роста культуры. В турбидостате обычно

S^>k

т. е. концентрации

субстрата далеки от лимитирующих, поэтому ц=(л

ах и, следова-

тельно, скорость протока, равная скорости роста, достигает мак-

симальной

величины для данных микроорганизмов и условий

среды.

Естественно, рассмотренная модель слишком упрощенная и

далеко не всегда соответствует реальным процессам, хотя и поз-

воляет оценить наиболее общие закономерности процессов непре-

рывного культивирования. Так, на скорость роста биомассы может

оказывать влияние концентрация продуктов метаболизма в среде,

окружающей клетки. Тогда к

двум

основным уравнениям, описы-

вающим динамику концентрации биомассы и субстрата в непре-

рывном

процессе, добавляется третье, выражающее динамику кон-

центрации

продуктов метаболизма:

—— = ацх — Dx.

dt *

Зависимость удельной скорости роста от концентрации суб-

страта и продукта можно записать в виде

(формула Моно — Иерусалимского).

Исследование модели, учитывающей ингибирующее действие

продукта, показывает, что значение скорости вымывания в такой

системе совпадает с величиной D

, полученной при использовании

модели Моно. В то же время ингибирующее влияние продукта

ведет

к значительному уменьшению стационарных концентраций

при

всех

значениях скоростей протока. Подробное исследование

этого и

других

типов зависимости удельной скорости роста кле-

ток

от концентраций субстрата и продукта можно найти в рабо-

тах Н. В. Степановой и др. (Романовский, Степанова, Чернавский,

1975). Там же, наряду с моделями культуры в протоке, рассмат-

риваются модели непроточных культур, урожай которых снимается

периодически по достижении определенной концентрации биомас-

сы.

По такой методике выращиваются культуры, образующие

большие колонии, некоторые виды дрожжей, грибов, а также бак-

терий,

углеродное питание которых доставляется в газообразном

виде.

Мы

уже говорили об основных достоинствах проточной куль-

туры

микроорганизмов как объекта экспериментальных исследова-

187

ний

и математического моделирования. Микробные популяции

обладают

еще одной особенностью, существенно облегчающей ко-

личественные исследования их роста и микроэволюции, — это

огромные скорости размножения микроорганизмов. Проведем про-

стое сравнение. Пусть

требуется

изучить мнкроэволюционный про-

цесс в популяции, протекающий в течение 100 генераций: просле-

дить

результат

резкого повышения фона радиации. В популяции

однолетних организмов (например, сельскохозяйственных

культур)

для проведения такого исследования не

хватит

всей жизни одного

исследователя. Для человеческой популяции на сто поколений по-

требуется

больше

2000

лет. А для микробной популяции с време-

нем генерации g=20 мин наблюдение 100 генераций займет около

полутора суток. В условиях непрерывного культивирования время

генерации может быть снижено до 5—9 мин.

Всестороннему анализу кинетики и микроэволюции микробных

популяций в непрерывной

культуре

посвящена работа Н. С. Пе-

чуркина и М. А. Терскова (1975).

В природе важным условием выживания популяции является

ее способность к быстрому восстановлению после снятия действия

неблагоприятного фактора. Посмотрим, как

будет

происходить

подобный процесс в условиях непрерывного культивирования.

Предположим, что в микробной популяции, развивающейся в

протоке (скорость протока постоянна), в

результате

неблагоприят-

ного внешнего воздействия погибает значительная часть клеток.

Затем действие такого неблагоприятного фактора снимается, и в

популяции должен происходить процесс восстановления активного

состояния.

Действительно, в

результате

действия протока количе-

ство мертвых клеток

будет

уменьшаться за

счет

их вымывания из

культиватора, а количество живых клеток

будет

определяться не

только их вымыванием, но и нарастанием за

счет

размножения.

Следовательно, доля живых клеток в популяции возрастает, все

большее число клеток становится способным к размножению, и

популяция возвращается к активному состоянию. Рассмотрим си-

стему

дифференциальных уравнений, описывающих процесс вос-

становления популяции. Разделим все клетки на два типа: поте-

рявшие способность к размножению (неживые клетки, образовав-

шиеся в

результате

действия неблагоприятного фактора) и

сохра-

нившие способность к размножению, растущие с удельной скоро-

стью

роста а в благоприятных условиях после снятия отрицатель-

ного воздействия. Динамика живых и мертвых клеток популяции

определяется системой уравнений

—Dx,,,

(II.

10-20)

188

D (S

~~S)-~

cc,u (S) х

, х

f x

= x,

где л'

— концентрация живых клеток; х

— концентрация нежи-

вых клеток; х — общая концентрация клеток популяции; S — кон-

центрация

лимитирующего рост субстрата. Функция

= ^(S),

характеризующая зависимость скорости роста размножающихся

клеток

от концентрации лимитирующего субстрата, может быть

представлена в форме Моно (11.10—4).

Если

воздействие неблагоприятного фактора было сильным и

погибла большая часть популяции, потребление субстрата, по

крайней

мере в начальные моменты процесса восстановления,

будет

незначительным. Поэтому концентрация субстрата в среде, окру-

жающей клетки, существенно повысится за счет его постоянного

поступления, что выведет процесс развития популяции из области

лимитирования

недостатком субстрата. При этом можно предполо-

жить, ЧТО ^=[imax = const.

Тогда анализ кинетики процесса восстановления сведется к

рассмотрению простой системы первых

двух

уравнений

(11.10—20).

Решая

их, нетрудно получить соотношение, определяющее долю

живых клеток в популяции в любой момент времени t:

Х^

«рАпах'

(11.10—21)

1 J ^'

х,

где а

= —- отношение концентраций живых и неживых кле-

Но

ток в начальный момент времени t

Из

формулы

(11.10—21)

видно, что нарастание доли живых

клеток в популяции существенно зависит от исходного ее состоя-

ния

— начального соотношения живых и

мертвых

клеток. Опреде-

лим время восстановления популяции — разрешив выражение

(11.10—21)

относительно времени:

п=±-~

1пд-1пя, (И.

10-22)

0,693

где а — —— отношение концентраций живых и неживых кле-

ток

в момент времени t. В формуле

(11.10—22)

сделан переход

относительному времени, характеризующемуся числом генераций

исходной популяции.

помощью формулы

(11.10—22)

можно определить время, не-

обходимое растующей популяции для устранения последствий

неблагоприятного воздействия. Пусть в

результате

восстановле-

ния

в популяции в момент времени t

отношение числа живых и

неживых клеток (или концентраций биомассы) достигло величины

100 : 1, т. е. в популяции имеется одна неживая клетка на сто жи-

вых, и процесс восстановления можно считать практически закон-

ченным.

Найдем время, в течение которого происходит восста-

новление,

если начальное отношение живых клеток к неживым

составляло 1 : 100. Подсчет по формуле

(11.10—22)

дает

189

восст

13,4, т. е. для изменения отношения живых клеток к нежи-

вым в 10

раз необходимо примерно 13,5 генераций исходной куль-

туры. Отметим, что

даже

при очень сильном неблагоприятном

воздействии на популяцию, например

=\0~

время восстанов-

ления

до 90%-ного уровня живых клеток в популяции составляет

только 27 генераций. Это объясняется логарифмической зависимо-

стью времени восстановления от начального отношения живых

клеток

к мертвым.

Для сравнения с экспериментом установим характер изменения

общей концентрации клеток популяции х, так как на опыте очень

трудно отличить живую клетку, способную к размножению, от

мертвой. Для этого решим упрощенную систему уравнений

dx dx

, dx

dt dt dt '

, .

(11.10—22a)

* -„ v —Dx J^

-Dx

dt '

ж ж>

В первое уравнение системы подставим вместо х

и х

их зна-

чения

из второго и третьего уравнений

(11.10—23)

Член

ц-^- определяет суммарную скорость прироста популяции.

Заменим

—%- через его значение по формуле

(11.10—21)

(XX I U(\& П1ЛЛ *~. 1

•и \.

ЭТО

уравнение решается методом разделения переменных, и в

конечном

виде решение записывается в форме

еР*,

(Н.10-24)

-г а

где хо — общая концентрация клеток популяции в начальный мо-

мент времени. Кривая x=x(t) согласно формуле

(11.10—24)

имеет

минимум для

всех

D<.\i.

Условие минимума

-£- = 0, — >0

(11.10—25)

dt dt* '

дает

соотношение

fWmin

= ln- ^— . (II.10-26)

(Нтах ~ D) по

В условии

(11.10—26)

т1п

означает время, прошедшее от нача-

ла процесса до того момента, когда общая плотность популяции

проходит через минимум. Наличие минимума на кривой свиде-

тельствует

о том, что при восстановлении на постоянном протоке

вначале происходит уменьшение общего числа клеток популяции,

190