БИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Абиева А.О. БИОФИ́ЗИКА раздел биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ Биологические объекты, как правило, очень сложны и на протекающие в них процессы влияют многие факторы, которые часто зависят друг от друга. Физика позволяет создать упрощенные модели объекта, которые описываются законами термодинамики, электродинамики, квантовой и классической механики. С помощью корреляции физических данных с биологическими можно получить более глубокое понимание процессов в исследуемом биологическом объекте. В физике имеется множество методов, которые в своей первоначальной форме не могут быть использованы для исследований биологических объектов. Поэтому ещё одной задачей биофизики является приспособление этих методов и методик для решения задач биологии. Сегодня для получения информации в биологических системах применяют различные оптические методы, рентгено-структурный анализ с использованием синхротронного излучения, ЯМР- и ЭПР-спектроскопию, 7-резонансную спектроскопию, различные электрометрические методы, микроэлектродную технику, методы хемилюминесценции, лазерную спектроскопию, метод меченых атомов и др. Это используется, в частности, для медицинской диагностики и терапии. Также разрабатываются специальные методики с использованием эффектов при восприятии некоторых воздействий на биологическую форму материи. Основу промышленного производства продуктов биосинтеза составляет единая биотехнологическая система, которая включает основные компоненты, взаимодействующие между собой в определенном режиме посредством соответствующей аппаратуры Основные технологические стадии биотехнологического процесса включают: 1. Приготовление к стерилизации питательных сред; 2. Приготовление посевного материала; 3. Культивирование; 4. Обработку культуральной жидкости; 5. Выделение и очистку биопрепарата; 6. Получение готовой продукции К определяющим факторам биотехнологического процесса относят: – вид используемого биотехнологического процесса; – субстрат с его биохимическими и биофизическими характеристиками; – аппаратурное оформление, включая систему контроля управления; – технологический режим; – соответствие требованиям GMP. Прямые методы дифракция рентгеновских лучей (рентгеноструктурный анализ) прямая информация о пространственной структуре (расположении всех атомов в пространстве). Необходимы гомогенные, хорошо очищенные, кристаллические препараты вещества Непрямые методы исследования структуры и свойств (позволяют изучать биомолекулы в растворе в условиях, когда их состояние и поведение приближено к нативному состоянию молекул в клетке) электронная микроскопия форма и размер макромолекул, упаковка субъединиц, расположение субъединиц в ассоциатах электрофорез, седиментационный анализ, хроматография чистота препарата, субъединичный состав, форма и размер макромолекул, молекулярная масса Абсорбционная спектроскопия (спектрофотометрия) вторичная структура макромолекул, ионизация отдельных групп, контроль технологических процесов Дифференциальная спектрофотометрия конформационные изменения макромолекул Инфракрасная спектроскопия (ИК-спектроскопия) вторичная структура макромолекул изменение структуры макромолекул Круговой дихроизм (КД-спектроскопия) вторичная структура, связывание с лигандами Спектроскопия комбинационного рассеяния конформационные изменения макромолекул Флуоресцентная спектроскопия (флуоресценция) конформационные изменения макромолекул, подвижность групп и динамика структуры ЯМР (ядерный магнитный резонанс) конформация макромолекул, изменения структуры ЭПР (электронный парамагнитный резонанс) конформация макромолекул, подвижность групп Масс-спектрометрия выявление и идентификация биомолекул, исследование структуры биомолекул 2. Методы исследования биообъектов (в том числе нанобиообъектов) Флуоресцентная микроскопия Метод гибридизации in situ с применением флуоресцентных ДНКзондов (fluorescence in situ hybridization, FISH) Создание биочипов и молекулярных биосенсоров Биосенсоры – это в высокой степени интегрированные устройства, включающие мембрану (не обязательно), биологический (ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК) или биомиметический чувствительный элемент (рецептор или систему распознавания), первичный преобразователь сигнала и его усилитель. Отвечают требованиям современного анализа чувствительность, избирательность, дешевизна, экспрессность, миниатюрный размер. – высокая простота и Создание биочипов и молекулярных биосенсоров
