Биотехнология микробного синтеза — это частная наука, предмет которой — многообразие биосинтетических процессов, осуществляемых с помощью микроорганизмов, а методы, как и в любой другой науке — общие, особенные и частные.
Остановимся на моделировании — особенном методе исследования каких-либо объектов (конкретных и абстрактных) на моделях.
Наиболее общее определение модели принадлежит выдающемуся ученому и педагогу Н. А. Умову (1971): «… все наше миросозерцание от своего наиболее обыденного до наиболее возвышенного содержания представляет собой собрание моделей, образующих более или менее удачный отклик существующего, соответствующих или не соответствующих тем вещам, которые имелись в виду при их построении».
Н. И. Кондаков в Логическом словаре-справочнике дает следующее определение модели: «модель — искусственно созданный объект в виде схемы, чертежа, логико-математических знаковых формул, физической конструкции и т. п., который будучи аналогичен исследуемому объекту…, отображает и воспроизводит в более простом, уменьшенном виде структуру, свойства, взаимосвязи и отношения между элементами исследуемого объекта, непосредственное изучение которого связано с какими-либо трудностями, большими затратами средств и энергии или просто недоступно, и тем самым облегчает процесс получения информации об интересующем нас предмете».
Все существующие модели обычно подразделяют на три типа: физические, вещественно-математические и логико-математические.
Физические модели имеют природу, сходную с природой изучаемого объекта, и отличаются от него лишь размерами, скоростью течения исследуемых явлений и иногда материалом.
Вещественно-математические модели имеют отличную от прототипов физическую природу, но допускают одинаковое с оригиналом математическое описание.
Логико-математические модели конструируются из знаков. Это абстрактные модели, которые строятся как исчисления. Исчисления — такая система изучения тех или иных областей объективного мира, в которой предметам какой-либо определенной области ставятся в соответствие материальные знаки (цифры, буквы и т. п.), с которыми затем чисто формально по принятым в системе точным логическим правилам производятся операции, необходимые для достижения поставленной цели.
Физические модели широко используются в физико-химической биологии. Это главным образом физические модели макромолекул — ДНК, РНК, белка, с помощью которых макетируются способы связей между элементами, образующими макромолекулы. К физическим моделям относятся также модель рибосомы, предложенная А. С. Спириным (1971). В биотехнологии микробиологического синтеза процесс культивирования микроорганизмов — это физическая модель промышленного производства.
Вещественно-математические модели применяются в биотехнологии микробного синтеза с начала XX столетия. Это системы дифференциальных уравнений различной степени сложности, разработкой которых занимались Мак-Кендрик, Пай, Моно, Н. Д. Иерусалимский и многие другие исследователи. В настоящее время общее число таких моделей оценивается в 103.
Логико-математические модели также находят применение в биотехнологии микробного синтеза; так, например, В. В. Бирюков (1985) с успехом использовал булевы модели для прогнозирования ферментативных процессов. Нельзя не подчеркнуть, что за логико-математическими моделями большое будущее, так как они могут и должны составить основу формализованного языка биотехнологических процессов (в том числе микробиологического синтеза).
Формализованный язык в отличие от обычного языка, выполняющего познавательную функцию и функцию общения и представляющего систему звуков и букв, является системой таких знаков (символов), операции с которыми совершаются по правилам, определяющимся только формой выражений, составленных из символов.
Если в обычном языке встречается многозначность, что ведет к неясности и неточности, то при создании формализованного языка стремятся к полной однозначности и предельной точности символов. Преимущество языка формул заключается также в том, что изложение мысли отличается компактностью и ясностью.
Для описания биотехнологических процессов на различных уровнях организации используются разнообразные языки (как естественный, так и искусственный). Биотехнология занимается изучением живых систем различной степени сложности. Причем, для описания разнообразных явлений наряду с естественным языком используются биохимический, морфологический, физико-химический, генетический, энергетический и физиологический языки. Эти языки применяются на различных уровнях организации живой материи: клеточном, тканевом, популяционном, биоценотическом.
Необходимо отметить, что программы для ЭВМ в случае автоматизации биотехнологических исследований формулируются также на искусственном формализованном языке. Он предназначен для записи информации, хранящейся в запоминающем устройстве вычислительных машин, для описания программ (алгоритмов), указывающих очередность арифметических и логических операций и последовательность выполнения команд по вводу данных из запоминающего устройства, по переработке и преобразованию поступающей в ЭВМ информации.
В процессе исследования биотехнологических процессов микробиологического синтеза происходит непрерывная трансформация моделей изучаемого объекта, их усложнение и изменение характера согласно следующей триаде:
эксперимент — теория — практика
На основе данных, полученных из анализа литературных источников или предварительно проведенных экспериментов, биотехнолог-исследователь строит гипотезу о наиболее существенных факторах процесса микробиологического синтеза. Гипотеза, как правило, формулируется словесно и представляет собой описательную модель на естественном языке.
Затем осуществляется постановка эксперимента, физическое моделирование биотехнологического процесса, на основе результатов которого подтверждаются или опровергаются первичные гипотетические представления о ходе процесса микробиологического синтеза. Полученные результаты затем используются как в лабораторной, так и промышленной биотехнологической практике.
В случае применения математического моделирования наряду с другими методами исследователь-биотехнолог после описательной модели создает вещественно-математическую модель (как правило, в виде систем дифференциальных уравнений), на основе которой после ее идентификации и проверки адекватности он осуществляет поиск оптимального режима биотехнологического процесса.
Преимущество количественного теоретического подхода перед эмпирическим заключается в том, что после получения адекватной математической модели оптимальный биотехнологический режим выбирается на основе расчетов по математическому описанию (на основе имитации биотехнологического процесса), а экспериментально проверяется только лучший из найденных режимов, который рекомендуется к практическому использованию.
В настоящее время имеется большое количество работ по математическому моделированию биотехнологических процессов микробиологического синтеза, начиная от моделей накопления биомассы, антибиотиков, аминокислот и других продуктов жизнедеятельности микроорганизмов и кончая моделями, учитывающими возрастную структуру популяции, автоселекцию и адаптацию микробных сообществ. Математические описания основываются на законах биохимии и уравнениях ферментативного катализа; в последние годы для построения математических моделей биотехнологических процессов микробиологического синтеза с успехом используется аппарат L-систем.
Как правило, в биотехнологических исследованиях осуществляется построение схемы изучаемого процесса. Экспериментатор определяет набор: 1) начальных субстратов; 2) ферментов и других внутриклеточных регуляторов, влияющих на кинетику микробного синтеза, а также 3) конечных продуктов. Затем он, обычно с помощью коллеги-математика, записывает уравнения, представляющие собой вещественно-математическую модель процесса.
Центральным моментом построения уравнений является фиксация ключевых реакций, скорость протекания которых ограничивает интенсивность накопления целевого продукта. Подобная методология была взята на вооружение Н. Д. Иерусалимским (1963, 1966) и широко используется в настоящее время при моделировании биотехнологических процессов микробиологического синтеза.
Следует подчеркнуть, что его работы положили начало исследованиям внутриклеточных факторов регуляции процессов микробиологического синтеза и в первую очередь РНК. Тем самым от функционального подхода был сделан переход к структурно-функциональному, когда наряду с входными и выходными переменными в системе анализируются характеристики внутреннего состояния и изучается их связь с входными и выходными переменными. Идеи Иерусалимского получили свое развитие (с точки зрения математического моделирования) в работах Д. С. Чернавского, Ю. М. Романовского, Н. В. Степановой и других исследователей.
Любое экспериментальное изучение биотехнологических процессов микробиологического синтеза складывается из двух этапов. На первом этапе исследователь выбирает: 1) объект культивирования — конкретную популяцию, которая обеспечивает накопление целевого продукта; 2) установку для культивирования данного объекта; 3) исходную питательную среду; 4) способ культивирования — периодический или непрерывный с конкретизацией способа регулирования скорости роста популяции микробов в ферменте (режим — хемостат, рН-стат, турбидостат, оксистат или какие-либо другие варианты); 5) условия культивирования по регулируемым параметрам.
После этого биотехнолог переходит ко второму этапу — экспериментальному изучению динамики накопления целевого продукта микробиологического синтеза. Для изучения причинно-следственных связей в объекте используются биохимический, морфологический, физико-химический, генетический и физиологический языки описания.
Количественные результаты эксперимента выражаются в виде динамических кривых роста популяций, потребления экзогенных субстратов, синтеза эндогенных низко- и высокомолекулярных соединений, накопления продуктов жизнедеятельности, применения морфологических, физико-химических и генетических параметров микробной популяции.
Следует подчеркнуть, что в случае большого числа взаимосвязей, входных и выходных переменных в исследуемой системе изучаемый объект помещается в экстремальные условия путем лимитирования или ингибирования жизнедеятельности микробной популяции компонентами среды обитания. Это позволяет установить причинно-следственные связи между трофикой микробных клеток, их метаболизмом и таким физиологическим параметром, как скорость изменения концентрации целевого физиологически активного соединения, динамикой накопления которого интересуется экспериментатор.
Целевым физиологически активным соединением может быть суммарная биомасса микробных клеток, их низко- или высокомолекулярные эндометаболиты (например, для ферментов нуклеинового обмена), а также экзометаболиты (например, аминокислоты, антибиотики, витамины и т. п.).