Российская холерная химическая вакцина производства института «Микроб» не менее эффективна, чем ее зарубежные аналоги [4]. Производство данной вакцины состоит из ряда биотехнологических этапов, определяющим из которых является культивирование производственных штаммов холерных вибрионов с целью получения их антигенов. Общепризнано, что использование методов математического моделирования позволяет оптимизировать работу действующих ферментационных установок. Математическому описанию процессов выращивания микроорганизмов и биосинтеза продуктов посвящено достаточно большое количество исследований, изложенных в работах Моно Ж., Бирюкова В.В., Кантере В.М., Уэбба Ф.Ч., Винарова А.Ю., Перта С.Дж., Васильева Н.Н., Амбросова В.А., Складнева А.А. и ряда других. Между тем работ, посвященных математическому описанию процессов биосинтеза протективных антигенов холерных вибрионов, нам обнаружить не удалось. Поэтому исследования, направленные на разработку математических моделей накопления протективных антигенов холерных вибрионов, являлись актуальными.
Материалы и методы
При выполнении работы использовали производственные штаммы V. cholerae 569В Инаба – продуцент токсина и О-антигена и V. cholerae М-41 Огава – продуцент О-антигена (Государственная коллекция патогенных бактерий РосНИПЧИ «Микроб»), которые выращивали при 37 °С в биореакторе на среде из ферментативного гидролизата казеина в условиях глубинного культивирования. Культивирование прекращали добавлением формалина до конечной концентрации 0,6 %. Расчеты коэффициентов дифференциальных уравнений осуществляли с использованием программы Mathcad 15.0.
Результаты и обсуждение
Нами сформулированы математические модели кинетики накопления О-антигена штамма V. cholerae М-41 серовара Огава, а также О-антигена и токсина штамма V. cholerae 569В серовара Инаба с лимитацией по углеродному субстрату. При разработке моделей были сделаны следующие основные допущения: биореактор является реактором идеального смешения; реологические свойства культуральной среды в реакторе остаются постоянными в течение всего процесса; неисследуемые параметры (температура, рН, концентрация растворенного кислорода) не являются лимитирующими в ходе всего процесса [2, 3].
Оптимальная температура проведения процесса культивирования поддерживалась системой автоматического регулирования. рН культуральной среды при снижении до 7,6 восстанавливали до 8,0 введением 10 % раствора аммиака. Содержание растворенного кислорода до минимального критического уровня 30 % поддерживалось при ранее экспериментально обоснованных режимах аэрации-перемешивания культуральной среды, позволяющих обеспечить массопередачу кислорода на уровне от 2,2 до 3,1 гО2/(дм3/ч) [5]. При обильном пенообразовании данные режимы сохранялись за счет введения пеногасителя «Антиспумин TZ» в количестве (4,5±1,5) мл на 150 дм3 культуральной среды [1].
Система дифференциальных уравнений, характеризующая кинетику накопления О-антигена штамма V. cholerae М-41 серовара Огава, выглядела следующим образом (1):
(1)
где Х – концентрация клеток V. cholerae М-41 серовара Огава, г/л; Р – концентрация О-антигена, г/л; μmax – удельная максимальная скорость роста микроорганизмов, ч-1; qРmax – удельная максимальная скорость образования О-антигена, ч-1; SL – текущая концентрация растворенной глюкозы, г/л; КS, KiS, Kр, Kip – кинетические константы, г/л; YXS – расходный коэффициент, г/г.
Система дифференциальных уравнений, характеризующая кинетику накопления О-антигена и токсина штамма V. cholerae 569В серовара Инаба, выглядела следующим образом (2):
(2)
где Х – концентрация клеток V. cholerae М-41 серовара Огава, г/л; Р1 – концентрация О-антигена, г/л; Р2 – концентрация токсина, г/л; μmax – удельная максимальная скорость роста микроорганизмов, ч-1; qРmax1 – удельная максимальная скорость образования О-антигена, ч-1; qРmax2 – удельная максимальная скорость образования О-антигена, ч-1; SL – текущая концентрация растворенной глюкозы, г/л; КS, KiS, Kр1, Kip1, Kр2, Kip2 – кинетические константы; YXS – расходный коэффициент, г/г.
С использованием разработанной программы для ЭВМ в среде Mathcad при решении систем дифференциальных уравнений были определены значения кинетических коэффициентов и получены зависимости, характеризующие рост холерного вибриона, накопление антигенов и потребления глюкозы (рис.1 и рис. 2).
Рис. 1. Результаты моделирования процесса культивирования V. cholerae М-41 серовара Огава
1 – динамика накопления О-антигена; 2 – кривая роста холерного вибриона;
3 – динамика потребления глюкозы
Рис. 2. Результаты моделирования процесса культивирования V. cholerae 569 серовара Инаба
1 – динамика накопления О-антигена; 2 – кривая роста холерного вибриона;
3 – динамика накопления токсина; 4 – динамика потребления глюкозы
На основании кривой, характеризующей потребление глюкозы, был разработан и реализован алгоритм ее автоматического введения в культуральную среду при культивировании V. cholerae М-41 серовара Огава и 569В серовара Инаба. Реализация данного алгоритма в условиях эксперимента показала удовлетворительную сходимость результатов моделирования.
Рецензенты:
Похиленко В.Д., д.т.н., старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник отдела биологических технологий, Государственный научный центр прикладной микробиологии и биотехнологии, Московская область, п. Оболенск;
Лещенко А.А., д.т.н., профессор, профессор кафедры микробиологии ФГБОУ ВПО «Вятский государственный университет», г. Киров.