УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ БЕЛКА Российский патент 1995 года по МПК C30B7/00 C30B29/52 

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для получения монокристаллов макромолекул в условиях микрогравитации на борту орбитальной станции и на Земле.

Кристаллизация макромолекул в условиях микрогравитации (МГ) позволяет получить высокооднородные и крупные монокристаллы белков, необходимые для рентгеноструктурного анализа, с помощью которого можно изучать пространственную структуру биообъектов, например, таких, как белковые препараты и определять их свойства и механизмы функционирования в организме.

Известно устройство кристаллизации в условиях космического корабля [1] которое содержит по крайней мере одну основную камеру, связанную со средствами ввода и вывода осадителя и другую, герметичную камеру, включающую тигли с раствором кристаллизуемого вещества. Герметичная камера снабжена внутренней дисковой перегородкой с мембранами, с помощью которой обеспечивается доступ кристаллизуемого вещества к осадителю в камере.

Герметичная камера в процессе подготовки устройства к работе вставляется в основную камеру вместо съемной крышки. Средства ввода и вывода осадителя (вкупе с перегородкой) позволяют включать в действие процесс и выполнять функцию регулирования процесса кристаллизации. Включение в процесс и регулирование осуществляется посредством использования системы подачи осадителя из двух шприцов с разными концентрациями в герметичную камеру, предварительно заполненную раствором осадителя недостаточной концентрации и доведения концентрации до необходимого заданного уровня.

Устройство обладает следующими недостатками:
для того, чтобы начать процесс кристаллизациии необходимо либо во время предстартовой подготовки, либо в условиях космического корабля снять крышку в основной камере и заменить ее на герметичную камеру с белковыми тиглями. В этот момент происходит расстерилизация стыков камер, возможно попадание нежелательных микроэлементов в камеру с осадителем, что приводит к изменению характеристик растворов и ставит под угрозу надежность проведения всего процесса кристаллизации. Чтобы провести новый эксперимент с данным устройством, его необходимо целиком вернуть с орбиты на Землю для лабораторного регламентного обслуживания (замена шприцов с осадителем, промывка гидросистемы и стерилизация);
кроме того, большая часть устройства, например основная камера с системой подачи и термостатом, монтируется заранее в условиях предполетной подготовки и только герметичная камера устанавливается в основную перед началом работы. Это создает условия невозможности быстрой замены растворов белка и осадителя в случае разгерметизации гидросистемы и опасность расстерилизации;
наличие двухшприцевой системы подачи и камеры для сбора "лишнего осадителя" делает устройство инерционным по регулированию процесса, сложным, с недостаточной надежностью, трудоемким при подготовке к работе и достаточно громоздким.

Наиболее близким к изобретению является устройство для выращивания кристаллов белка [2] которое содержит разъемный корпус, состоящий из двух частей, в одной из которых выполнены по одной или несколько пар камер для белкового и буферного растворов, а в другой камера с раствором осадителя и размещенное между ними клапанное устройство, выполненное в виде двух перегородок, являющихся стыкуемыми плоскостями корпусов с коническими соосными отверстиями и размещенными в них ответными конусными клапанами, выступающими за поверхность перегородки.

Устройство в отличие от аналога гораздо удобнее при подготовке к работе и в условиях орбитального полета, однако имеет следующие принципиальные недостатки:
для приведения устройства в рабочее состояние необходимо состыковать части корпуса, содержащие соответственно камеры с белковыми растворами и раствором осадителя. Это действие опять же производят в условиях орбитального полета при невозможности соблюдения главного требования для обеспечения надежной работы стерильности. Поверхности стыков соприкасаются с окружающей средой приборного отсека;
клапанное устройство, выполняющее при стыковке частей корпуса функцию включения его в рабочее состояние, совсем не обеспечивает регулирования самого процесса кристаллизации белка.

Задачей изобретения является создание устройства для кристаллизации белков, работающего преимущественно в условиях орбитального полета, предназначенного для экспериментальной отработки режимов процесса и отвечающего требованиям высокой надежности, возможности реализации различных методов кристаллизации (диализного, метода паровой диффузии) с широким спектром комбинаций растворов белок-осадитель, удобства в эксплуатации, возможности быстрой замены функциональных узлов на любом этапе работы с устройством и его герметичности.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для выращивания монокристаллов белка, содержащем корпус, в котором расположены камеры для белкового и буферного растворов, разделенные полупроницаемой мембраной и камеру осадителя, взаимодействующую с ними через соединительный канал с помощью средства включения, корпус выполнен в виде сплошного тела, имеющего цилиндрическое отверстие, пересекающее соединительный канал, средство включения выполнено в виде эластичной трубки, взаимодействующей с профилированным кулачком и установленной внутри соединительного канала, а профилированный кулачок выполнен на наружной поверхности втулки, установленной в цилиндрическом отверстии корпуса и снабженной указателем, взаимодействующим с градуировочной шкалой, размещенной на корпусе, и фиксатором угла поворота.

Технический результат новой конструкции заключается в том, что она обеспечивает возможность регулирования процесса кристаллизации за счет воздействия на диффузионный поток осадителя простыми, надежными и малоинерционными средствами и одновременно сохраняет стерильность весь внутренний объем устройства: камеры, соединительные каналы, исключается попадание в среду растворов белка и осадителя микроорганизмов и загрязняющих примесей из окружающей среды в течение всего времени работы с устройством. Оба эти качества обеспечивают высокую надежность процесса производства монокристаллов устройством.

Благодаря выполнению в едином корпусе всех функциональных камер и соединительного канала с элементами регулирования и включения устройство обладает качествами надежности, мобильности, удобством и доступностью в эксплуатации на орбите и в условиях предполетной подготовки. Камеры осадителя заправляются одним видом осадителя на Земле (не надо иметь громоздкую и инерционную систему подготовки концентрации осадителя к работе и сборной емкости для лишнего осадителя). На Земле все устройство проходит цикл лабораторного регламентного обслуживания, проверяется на герметичность, стерилизуется в стационарных условиях и заправляется растворами белка и соответствующего ему буфера и осадителя. И только в случае аварийной разгерметизации на любом этапе работы легко заменяется целиком одно устройство на другое в общем термостате. Также поступает оператор, если есть необходимость проводить эксперимент и с другими парами белков и осадителей.

Основная цель проведения такого рода экспериментов получить качественную структуру выращиваемых монокристаллов, этого можно добиться подбором соответствующего режима с оптимальной скоростью кристаллизации в условиях МГ, которая зависит от скорости диффузионного потока осадителя на границе с белковым раствором.

Цель достигается за счет наличия в предлагаемом устройстве соединительного канала, снабженного эластичной трубкой и взаимодействующего с ней профилированного кулачка. На поверхности корпуса устройства выполнена градуировочная шкала, которая отражает полученную при наземной отработке тарировку площади проходного сечения эластичной трубки, зависящей от угла поворота пережимающего ее профильного кулачка. Изменяя проходное сечение эластичной трубки, можно менять расход потока осадителя и регулировать диффузионный поток на границе с белковым раствором. Так как регулирование диффузионного потока достигается наружными средствами, дозированным вращением втулки (в отличие от средств аналога и прототипа), то при этом разгерметизация стыков не происходит, стерильность устройства на любом этапе работы не нарушается, что повышает надежность работы устройства. Этой же цели повышению надежности протекания "очень тонкого" процесса кристаллизации способствует выполнение центральной части корпуса в виде сплошного тела и размещения в нем соединительного канала с эластичной трубкой. Эластичная трубка выполнена из силиконового упругого материала, а он пористый. В процессе работы через пористую трубку может происходить его усушка, что означает изменение основных параметров процесса плотности паровой фазы между растворами белка и осадителя (в случае паровой диффузии), или образование небольших газовых включений (в случае диализного метода), а это может нарушить динамику массопереноса и отрицательно повлиять на кристаллизацию. Сплошное тело препятствует указанному явлению, сохраняя эластичные свойства трубки. С другой стороны, обладая значительной теплоемкостью, оно способствует более плавной скорости изменения температуры. Кроме того, наличие сплошного тела как конструктивного элемента позволяет исключить другие опорные элементы и более точно фиксировать регулируемое проходное сечение эластичной трубки в соединительном канале.

На фиг. 1 представлен сборочный чертеж устройства; на фиг.2 поперечный разрез А-А на фиг.1.

Устройство содержит неразъемный корпус 1, выполненный в виде цилиндра с центральной частью 2, представляющую собой сплошное тело. В тоpцовых частях корпуса выполнены симметричные выемки в виде стаканов, наружные поверхности торцовых частей корпуса снабжены резьбой 3. В стакане одной торцовой части последовательно размещены стекло 4, герметизирующая прокладка 5, диск 6, в котором выполнены камеры белкового раствора 7, герметизирующие прокладки 8 и 9 и размещенная между ними полупроницаемая мембрана 10, диск 11, в котором соосно с камерами 7 для белкового раствора выполнены камеры 12 для буферного раствора и втулка 13 с коллекторной полостью 14, объединяющей буферные камеры 12. Герметизирующие прокладки 5, 8 и 9 имеют отверстия, соосные с камерами для белковых растворов 7 в диске 6. В стакане противоположной торцовой части корпуса последовательно размещены диск 15 с камерой для раствора осадителя 16 и втулка 17 с коллекторной полостью 18.

В сплошном теле 2 корпуса выполнен канал 19, который соединяет камеры белкового 7 и буферного 12 растворов и камеру с раствором осадителя 16 через коллекторные полости 14 и 18. Внутри соединительного канала 19 размещена трубка 20 из эластичного материала. В сплошном теле корпуса перпендикулярно оси соединительного канала выполнено пересекающее канал сквозное цилиндрическое отверстие 21, в котором установлена втулка 22. Наружная поверхность втулки выполнена профилированной и представляет собой кулачок 23, взаимодействующий с эластичной трубкой 20 при вращении втулки. Втулка герметизирована с корпусом с помощью уплотнительных колец 24, уложенных в кольцевые проточки на втулке. Втулка фиксирована от выпадания в сплошном теле корпуса благодаря наличию винта 26 и проточки 25. Втулка снабжена указателем 27, взаимодействующим с градуировочной шкалой 28, расположенной на сплошном теле 2. Имеются также фиксатор 29 угла поворота и установочные винты 30 и 31. Торцовые поверхности корпуса закрыты резьбовыми гайками 32, в которых выполнены смотровые окна 33. Герметичность устройства обеспечивается рядом уплотнительных колец 34. Во втулке выполнено отверстие 34 под ключ. Все детали устройства выполнены из прозрачного материала, например плексиглаза.

Устройство готовят к работе на Земле, в период предполетной подготовки. Устройство стерилизуют на специальном оборудовании комплексом различных методов в лабораторных условиях (масса специального оборудования 200 кг, занимаемый объем 2 м³, поэтому его невозможно применять в условиях орбитального полета, а другие средства стерилизации в настоящее время отсутствуют. Затем камеры его заполняют соответствующими растворами белка, буфера и осадителя и проверяют на герметичность. В пассивных термостатах (специальных термосах) устройства доставляются на орбиту, где оператор устанавливает их в активно термостатируемый общий корпус.

Устройство работает следующим образом.

Для приведения устройства в рабочее состояние оператор поворачивает ключом втулку 22 на заданный угол по указателю 27 на градуировочной шкале 28, при этом профильная поверхность кулачка 23, отжимаясь от эластичной трубки 20, открывает на определенное проходное сечение эластичную трубку в соединительном канале, соответствующее углу поворота втулки. Происходит процесс переноса растворителя из белкового раствора в камерах 7 через полупроницаемую мембрану 10 в раствор осадителя. Начинается процесс кристаллизации. Изменяя затем проходное сечение эластичной трубки вращением вала втулки на заданный угол, регулируют изменение расхода потока осадителя на границе с белковым раствором, воздействуя таким образом на скорость процесса кристаллизации.

По окончании процесса кристаллизации или в случае другой необходимости прекратить процесс кристаллизации кулачком пережимают проходное сечение эластичной трубки.

Таким образом, по сравнению с известными техническими решениями предлагаемое устройство, созданное для работы в условиях орбитального полета, обладает несомненными преимуществами: надежностью, так как благодаря съемности всех функциональных элементов удобно в эксплуатации, обеспечивает возможность регулирования процесса кристаллизации простыми и малоинерционными средствами и сохраняет стерильными все основные функциональные элементы конструкции в течение всего времени его работы.

Изобретение относится к биотехнологии и используется для получения монокристаллов макромолекул в условиях микрогравитации на борту орбитальной станции и на Земле. Устройство содержит корпус с камерами для растворов белка и осадителя, соединенными каналом. Средство включения, которое представляет собой эластичную трубку и взаимодействующий с ней профилированный кулачок. Эластичной трубкой снабжен канал, выполненный в сплошном теле центральной части корпуса, а профилированный кулачок выполнен на наружной поверхности втулки, установленной в цилиндрическом отверстии корпуса, пересекающем соединительный канал. На втулке жестко закреплен указатель, взаимодействующий с градуировочной шкалой, размещенной на корпусе. В устройстве обеспечивается возможность регулирования процесса кристаллизации за счет воздействия на диффузионный поток осадителя простыми и малоинерционными средствами и одновременно сохраняется стерильным все устройство в течение всего времени работы с ним. Все это обеспечивает высокую надежность процесса выращивания монокристаллов в данном устройстве. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ БЕЛКА, содержащее корпус, в котором расположены камеры для белкового и буферного растворов, разделенные полупроницаемой мембраной, и камеру осадителя, взаимодействующую с ними через соединительный канал с помощью средства включения, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде сплошного тела, имеющего цилиндрическое отверстие, пересекающее соединительный канал, средство включения в виде эластичной трубки, взаимодействующей с профилированным кулачком и установленной в соединительном канале, а профилированный кулачок выполнен на наружной поверхности втулки, установленной в цилиндрическом отверстии корпуса и снабженной указателем, взаимодействующим с градуировочной шкалой, размещенной на корпусе, и фиксатором угла поворота.