Математические модели в биотехнологии: водородная энергетика

Изучение метаболизма клетки часто связано с решением биотехнологических задач. Для решения задачи оптимизации продукции водорода клетками водоросли Chlamydomonas reinhardtii рассматривались реакции центрального метаболизма, сопряженные с реакциями фотосинтеза. Все реакции были объединены в общую метаболическую сеть, для которой затем был проведен анализ стационарных метаболических потоков (Flux Balance Analysis), заключающийся в следующем. Анализируется структура основных метаболических путей клетки данного вида водорослей и составляется схема («карта») метаболических потоков. Далее рассматривается стационарное состояние системы. Предполагается, что для каждого метаболита в стационарном состоянии выполняются условия баланса всех метаболических потоков, в которых участвует данный метаболит, то есть сумма скоростей реакций, приводящих к образованию данного метаболита, равна сумме скоростей реакций, приводящих к его распаду. Такое предположение, с учетом ограничений величин потоков (которые возникают из ограничения ресурсов и возможностей клетки), позволяет ставить и решать задачи оптимизации. Основные типы задач оптимизации: 1) максимизировать (или минимизировать) уровень биомассы данного вида водорослей, 2) максимизировать (минимизировать) выход целевого метаболита. Анализ метаболических потоков позволяет определить 1) оптимальный состав среды для максимального (минимального) уровня биомассы, 2) генные мутации, приводящие к увеличению (уменьшению) уровня биомассы и целевого метаболита.

Иллюстрации:

Взаимосвязь процессов фотосинтетического электроннного транспорта и центрального метаболизма с продукцией водорода (структурная и энергетическая схемы).

По теме работают: доцент к.ф.-м.н. Татьяна Юрьевна Плюснина, к.ф.-м.н. Полина Викторовна Фурсова, асс. Лада Джураевна Терлова.

Сектор информатики и биофизики сложных систем