Математические модели в биотехнологии: деревообрабатывающая промышленность

Одна из наиболее востребованных на сегодняшний день область применения биологических технологий – это деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная промышленности. Основная задача состоит в утилизации лигнина – основной составляющей древесины.  При производстве бумаги и в ходе переработки отходов деревообрабатывающих предприятий – при изготовлении древесно-стружечных плит, биопластиков, биоклеев, важной задачей является  утилизация лигнина – основной составляющей древесины. Переработка лигнина важна и с экологической точки зрения, поскольку гниющий лигнин выделяет вредные соединения – фенолы.

Очень ограниченное количество живых организмов способно разрушать лигнин. Среди них – грибы белой гнили, а точнее – комплекс ферментов, выделяемый этими грибами. Одним из представителей биодеструкторов лигнина является гриб Panus tigrinus. Он выделяет так называемый внеклеточный лигнолитический ферментный комплекс (ВЛФК), в котором главную роль играет лакказа и лигнинпероксидаза. Лакказа играет ведущую роль в разрушении лигнина, а пероксидаза участвует в детоксикации накапливающихся продуктов биодеградации лигнина (фенолы, хиноны и др.)

Изучение процессов жизнедеятельности гриба Panus tigrinus является фундаментальной комплексной биофизической задачей. В исследовании механизмов его функционирования можно выделить следующие проблемы: внутриклеточный синтез ферментов; транспорт ферментов и продуктов их работы через мембрану во внешнюю среду и в клетку; непосредственно действие внеклеточных ферментов на древесину; взаимосвязь и взаиморегуляция перечисленных процессов.

Работа ферментов ВФЛК может быть описана математической моделью. Ферментативный цикл каждого из них описывается системой дифференциальных уравнений, которые затем объединяются в общую схему работы лигнолитического комплекса.

Результаты исследований в этой области станут первым шагом на пути комплексного описания системы жизнедеятельности гриба. Они позволят объединить процессы, происходящие во внешней среде с внутриклеточным метаболизмом, судить в дальнейшем о возможных способах их взаиморегуляции. В области практического применения математическая модель работы ВЛФК даст возможность определить оптимальное соотношение ферментов в ВЛФК, а также дать рекомендации по субстратным составляющим.

Иллюстрации

Ферментативный цикл лакказы.

Фермент может находиться в трех формах: «обычной» (E), активированной пероксидом водорода (E1) и претерпевшей конформационный переход, связанный с производством первого продукта (E2). Каждая из трех форм фермента может обратимо протонироваться и дважды протонироваться. S – субстрат (крупные куски лигнина), P1 – первый продукт (олигофенолы), P2 – второй продукт (монофенолы).

Блок I (0-3 сутки)
0) Процессы синтеза белков (целлюлаз) для расщепления природного субстрата целлюлозы (первый, начальный слой древесины). В это же время, по-видимому, синтезируются и белки ВФЛК.
1) Мембранный транспорт целлюлаз во внешнюю среду
2) Расщепление целлюлозы до сахаров
3) Поступление сахаров в клетку. Клетка накапливает питательные вещества. Нарастание биомассы гриба
4) Инициация дополнительного синтеза белков лигнолитического комплекса и возможно белков, пропускающих через мембрану LK. К этому времени гриб «съел» целлюлозу, достал необходимые для него питательные вещества и достиг следующего слоя древесины  лигнина, для расщепления которого и требуются ферменты ВФЛК
Блок II (4-9 сутки)
5) Мембранный транспорт LK
Блок III (4-9 сутки)
6) Расщепление лигнина до карбоксильных производных
Блок IV (4-9 сутки)
7) Поступление продуктов расщепления лигнина в клетку
8) Участие их в (как предполагается) цикле Креббса
Пунктирными стрелками обозначены возможные связи регуляции между блоками, которые предполагается изучить более подробно.

По теме работают: к.ф.-м.н. Полина Викторовна Фурсова, к.б.н. Анастасия Игоревна Лаврова.

Сектор информатики и биофизики сложных систем