Назначение и область применения. Зональный электрофорез наряду с хроматографией является наиболее точным и доступным методом разделения макромолекул в биологических исследованиях. Широкое распространение получили многочисленные варианты зонального электрофореза, характер которых определяется применением различных гомогенных и инертных носителей.
Набор белковых фракций, разделенных при электрофорезе, называется «электрофореграммой», как синонимы применяются термины «протеинограмма», «белковый спектр»; электрофореграммы после двумерного электрофореза обозначают как «белковые карты». С внедрением в микробиологические исследования новых модификаций зонального электрофореза, в частности в крахмальном и полиакриламидном геле, создалась возможность широкого изучения белков, свободных и связанных с субклеточными структурами бактерий разных систематических групп.
Особенно эффективны электрофоретические методы исследования биополимеров с использованием количественной оценки состава электрофоретических спектров белков и их комплексов с помощью денситометров. В настоящее время существует достаточно обширный ассортимент денситометров, в состав которых входят как простейшие денситометрические преобразователи, позволяющие получать сканограмму (денситограмму), так и автоматические денситометры, с помощью вычислительных устройств которых количественно оценивается состав электрофоретических спектров.
Выбор типа денситометра для количественной оценки электрофореграмм зависит от количества образцов, получаемых в ходе эксперимента, а также числом и четкостью разделенных на гель-носителе фракций веществ. Например, при определении чистоты и однородности белковых препаратов, которые характеризуются небольшим количеством электрофореграмм и малым числом достаточно четко разделенных фракций на гель-носителе, целесообразно применять простейшие денситометры.
Автоматические денситометры используются при таксономическом исследовании микроорганизмов (с использованием электрофоретических методов анализа), которые характеризуются большим объемом информации, требующей быстрой и точной интерпретации. Достоверность количественной оценки электрофореграмм, получаемой с помощью автоматических денситометров, определяется «интеллектуальными способностями» вычислительной системы, сопряженной с анализатором. Роль вычислительных устройств в системах обработки могут играть различные варианты интеграторов, микропроцессоры и ЭВМ.
Наиболее гибким, обладающим широкими возможностями при количественной обработке электрофоретических спектров является такой комплекс аппаратуры, который образует с денситометром многоуровневую вычислительную систему. В свою очередь многоуровневая система «денситометр—ЭВМ» с соответствующим периферийным оборудованием и программным обеспечением дает возможность организовать автоматизированное рабочее место (рис. 22, см. цв. вклейку), позволяющее исследователю использовать различные варианты алгоритмов для получения количественной оценки состава электрофоретических спектров и их комплексов.
Рис. 22. Внешний вид АРМа «Электрофорез» для таксономических исследований
Создание комплекса технических средств и математического обеспечения автоматизированного рабочего места (АРМа) для обработки электрофореграмм подразумевает реализацию следующих функциональных возможностей вычислительной системы:
- обработку данных, включая прием, сжатие и преобразование данных;
- управление устройствами, входящими в состав комплекса технических средств АРМа;
- взаимодействие исследователя с системой;
- интерпретацию результатов.
Прием данных относится к этапу обработки, при этом аналоговый сигнал, поступающий от аналитического прибора (в случае АРМа «Электрофорез» от денситометрического преобразователя), преобразуется в цифровую форму и передается в распоряжение драйверной программы. Процесс сжатия данных состоит в извлечении полезной информации из массива введенных данных.
Под преобразованием данных понимается их обработка после процедуры сжатия до результатов, имеющих значение для исследователя (например, получение численных значений содержания вещества во фракциях, значений относительной электрофоретической подвижности, вычисление коэффициентов подобия). Интерпретация может заключаться в сравнении полученных результатов с ранее известными данными.
Структура комплекса технических средств, обеспечивающая функции АРМа для обработки электрофоретических спектров, приведена на рис. 23. В состав АРМа включены: сканатор — устройство съема информации с гелевой подложки (1-й уровень); микропроцессорное вычислительно-управляющее устройство, обеспечивающее функции автоматического денситометра (2-й уровень); многоуровневая вычислительная система, включающая комплекс микро-ЭВМ «Электроника—60» и мини-ЭВМ «Электроника—100/25» (3-й и 4-й уровни), которая реализует «гибкие» алгоритмы обработки.
Рис. 23. Общая схема организации комплекса технических средств автоматизированных рабочих мест для исследований в области биотехнологии
Исходным материалом при разработке математического обеспечения АРМа «Электрофорез» является денситограмма, которая формируется на первом и втором уровнях АРМа и имеет вид многоэкстремальной кривой. Проблеме создания надежных алгоритмов и программ для обработки экспериментальной информации, имеющей вид многоэкстремальных кривых, посвящено достаточное количество работ.