На главную Написать сообщение Поиск по сайту Новости публикаций Плакаты и знаки по охране труда и БЖД Видео по охране труда и технике безопасности Зарубежные средства индивидуальной защиты Юридическая консультация онлайн
В начало разделаМикробиология и биотехнологии → Автоматизация биотехнологических исследований

Автоматизированная система построения математических моделей процессов микробного синтеза


Диалоговая система моделирования DISM предназначена для построения на основе структурно-функционального портрета процесса биосинтеза его математической модели. Для выполнения программы требуется ЭВМ типа СМ—4 и операционные системы РАФОС, ОСРВ или ИНМОС.


Одним из методов теоретической микробиологии является метод математического моделирования. Практическая значимость математического моделирования заключается в возможности научно обоснованного поиска технологических режимов исходя из построенных моделей.


Диалоговая система моделирования D1SM предназначена для построения на основе структурно-функционального портрета процесса биосинтеза его математической модели с виде системы дифференциальных уравнений. DISM является реализацией на ЭВМ правил специальной теории относительно обособленных систем.


Работа с диалоговой системой является одним из промежуточных этапов построения и использования модели и предполагает выполнение следующих предварительных этапов: 1) изучение исследуемого явления; 2) выбор наиболее существенных переменных и определение структурных и функциональных связей между ними; 3) построение модели в графическом виде (структурно-функциональный портрет — СФП) и соответствующее обозначение существенных переменных для работы с диалоговой системой моделирования.


Работа предполагает также выполнение последующих этапов: идентификация модели, проверка адекватности модели и использование модели для управления.


Входной информацией для диалоговой системы моделирования будут являться существенные переменные и их структурно-функциональные связи в виде структурно-функционального портрета. Сбор этой информации осуществляется в процессе диалога ЭВМ и исследователя, который построен в форме «вопрос — ответ».


Вопросы, которые задает исследователю DISM, позволяют выяснить структурные и функциональные связи каждой существенной переменной, для которых формируются уравнения динамики с другими существенными переменными.


На все вопросы D1SM нужно отвечать целыми числами. При этом, если вопрос требует ответа «да» или «нет», вводится 1 или 0 соответственно. Если требуется указать продукт, то вводятся два числа, соответствующие индексам продукта через запятую, пробел или на разных строчках. В остальных случаях вводится одно число — индекс фермента или субстрата. Если требуется ввести список из нескольких элементов, то признаком конца списка является элемент с нулевыми индексами.


Распечатка системы дифференциальных уравнений модели может быть выдана как на терминал, так и на печать.


В DISM при формулировке моделей используется следующая символика: A(I, J) — функция активности фермента или удельная скорость роста продукта; dY[J, I]/dT= W[J, I] — скорость изменения; Eo[J, I] — коэффициент, определяющий расход субстрата на поддержание активности; F[I] — концентрация фермента; М[К] — активность фермента или удельная скорость роста продукта; S [I] — концентрация целевых (J = 1) или ключевых (J = 2) продуктов; I — индекс продукта согласно структурно-функциональному портрету; С, D, М, N, Q с соответствующими индексами — кинетические параметры в выражениях для функции активности.


Построение моделей осуществляется по начальному диалогу с исследователем и включают следующие вопросы (рис. 16):


1. Из скольких предшественников образуется продукт Y(I, J)?
2. Назовите субстраты-предшественники.
3. Есть ли взаимозаменяемые субстраты?
4. Расходуется ли S(I) на поддержание Y(I, J)?
5. На синтез каких продуктов расходуется Y(l, J)?
6. Каким ферментом контролируется потребление Y(l, J)?
7. Каким продуктом контролируется синтез Y(I, J)?
8. Есть ли целевые продукты?
9. Каким субстратом лимитируется A(l, J)?
10. Степень лимитирования?
11. Каким субстратом ингибируется A(I, J)?
12. Степень ингибирования?


Блок-схема диалоговой программы автоматического построения математических моделей процессов биосинтеза

Рис. 16. Блок-схема диалоговой программы автоматического построения математических моделей процессов биосинтеза


Построение математической модели динамики накопления биомассы дрожжевой популяции Saccharomyces cerevisiae при рассмотрении внутриклеточного компонента и с учетом изменения концентрации ферментов, контролирующих синтез биомассы (Ф[2]) и ключевого продукта (Ф[1]). Структурно-функциональный портрет, соответствующий данному процессу, приведен на рис. 17, где концентрация биомассы обозначена Y[l,l], продукта-предшественника Y[2,1 ] и лимитирующего субстрата S[l].


Структурно-функциональный портрет процесса накопления биомассы с учетом влияния внутриклеточного компонента

Рис. 17. Структурно-функциональный портрет процесса накопления биомассы с учетом влияния внутриклеточного компонента


Результатом работы программы автоматизированного построения математических моделей является распечатка системы дифференциальных уравнений:


dF[I]/dT = K[11*F(B*Y[1,1] - W[U1);
W[l,l] = A[1,1)*F[1];
dY [l.l)/dT = W[1.1J;
W[l,lj =A[2,1]*Y[2,1);
dS[l]/dT= -E[2,1]*W[2,11 — E0[2.1]*Y[2,1];
W[2,l] =A[2,ll * F[2[;
dY [2,l]/dT = W[2,l] - W[l,l]