УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ БИОЛОГИЧЕСКИХ МАКРОМОЛЕКУЛ
APPARATUS FOR GROWING CRYSTALS OF BIOLOGICAL MACROMOLECULES

Изобретение относится к кристаллографии, а более конкретно к устройству для выращивания кристаллов биологических макромолекул, например кристаллов белка. Это необходимо для развития биотехнологии, фармакологии, создания нового поколения лекарственных средств и решения многих других задач, связанных с развитием национальной экономики.
В настоящее время весьма перспективным направлением в области выращивания кристаллов биологических макромолекул является кристаллизация биопрепаратов в условиях космического полета, которая может выполняться при орбитальных полетах на международной космической станции. В условиях микрогравитации возможно получение крупных однородных кристаллов большого спектра биообъектов, а также оперативное получение на Земле видео и телеметрической информации об основных параметрах процесса и получаемых результатах.
Предлагаемое устройство может быть использовано по своему назначению как в условиях, существующих на поверхности земли, так и в космическом пространстве.
Известно устройство для выращивания кристаллов биологических макромолекул («Device and method for forming macromolecule crystal», United States Patent №7531037, опубл. 12 мая 2009, МПК C30B 29/58), содержащее кристаллизационный контейнер, который имеет корпус с крышкой, внутри контейнера размещен капилляр с образцом макромолекулярного вещества, заполненный гелем трубчатый элемент, сопрягающийся с капилляром, который установлен таким образом, что гель может вступать в соприкосновение как с образцом макромолекулярного образца, находящегося внутри капилляра, так и осадителем.
Основным недостатком известного устройства является невозможность обеспечить контроль начала и окончания процесса кристаллизации, что особенно существенно в условиях выращивания кристаллов на космическом аппарате.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства, в котором обеспечивается контроль начала и завершения процесса кристаллизации биологических макромолекул при проведении экспериментов в космическом пространстве непосредственно после вывода аппарата (особенно беспилотного) на орбиту. Другой задачей является создание устройства, имеющего достаточную жесткость конструкции, которая обеспечивает надежную защиту капилляра с образцом биологических макромолекул и кристаллами при вибрациях космического аппарата и в случае его жесткого приземления.
Техническим результатом изобретения является создание технологичной конструкции кристаллизационного устройства, обеспечивающего проведение широкого круга экспериментов по выращиванию кристаллов биологических макромолекул.
Поставленная задача решается, а указанный результат достигается тем, что в устройстве, содержащем кристаллизационный контейнер, который имеет корпус с крышкой, внутри контейнера размещен капилляр с образцом макромолекулярного вещества, заполненный гелем трубчатый элемент, сопрягающийся с капилляром, который установлен таким образом, что гель может вступать в соприкосновение как с образцом макромолекулярного образца, находящегося внутри капилляра, так и осадителем, капилляр размещен внутри трубчатого элемента, полость которого, не занятая капилляром, заполнена гелем. При этом сторона капилляра, противоположная полости, которая заполнена гелем, заглушена. Крышка контейнера установлена со стороны заглушенной части капилляра, а в теле корпуса контейнера со стороны, противоположной крышке, выполнен сквозной канал, полость которого сообщается с полостью трубчатого элемента, заполненной гелем. Одно из выходных отверстий сквозного канала подключено через гидравлическую линию к нагнетательной стороне насоса, а другое отверстие - к всасывающей стороне насоса с образованием герметически замкнутого гидравлического контура. В полости линии нагнетания размещен осадитель, причем между осадителем и гелем имеется газовая прослойка, а в линии связи нагнетательной стороны насоса с контейнером до полости, занятой осадителем, установлен датчик перемещения осадителя. Линии связи сквозного канала в контейнере с насосом могут быть выполнены в виде гибких трубок, причем линия связи контейнера с нагнетательной стороной имеет U-образное колено, заполненное осадителем. В качестве датчика перемещения осадителя возможно применение электромагнитного клапана, срабатывающего в результате перемещения электропроводящей жидкости, которая размещена в гидравлической линии между датчиком и стороной нагнетания насоса. Функцию электропроводящей жидкости может выполнять осадитель. В качестве насоса может быть применен насос с приводом от шагового электродвигателя, причем насосом может быть насос объемного типа, например перистальтический насос. Газовая прослойка между осадителем и гелем может быть образована инертным газом или нейтральной консервирующей жидкостью. Возможно выполнение корпуса контейнера и его других деталей из прозрачного оргстекла, что позволяет наблюдать за процессом кристаллизации визуально. Для проведения кристаллизации сразу нескольких биологических макромолекул ряд контейнеров, содержащих различные биологические макромолекулы, могут быть объединены в блок с образованием единой замкнутой гидравлической системы путем соединения полостей сквозных каналов каждого из контейнеров друг с другом и подключением одного из крайних контейнеров блока к нагнетательной стороне насоса, а другого - к всасывающей стороне насоса.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами.
На фиг.1 приведена схема контейнера для выращивания кристаллов биологических макромолекул.
На фиг.2 - схема устройства для выращивания кристаллов биологических макромолекул.
На фиг.3 - схема блока из нескольких контейнеров для выращивания кристаллов различных биологических макромолекул в нерабочем состоянии.
На фиг.4 представлена схема блока из нескольких контейнеров для выращивания кристаллов различных биологических макромолекул в рабочем состоянии.
Контейнер 1 имеет корпус 2 с крышкой 3. Внутри корпуса 2 выполнен осевой канал, в который вставлен трубчатый элемент 4. В полости трубчатого элемента 4 размещен капилляр 5, который заполнен биологической макромолекулой 6, подлежащей кристаллизации. В полости над капилляром 5 помещен гель 7. Для герметизации концевой части капилляра используется кольцо 8 и шайба 9. Эти элементы могут быть выполнены из резины и фиксироваться относительно друг друга и торцевой части корпуса 2 посредством клея. В верхней части корпуса выполнен сквозной канал 10. Полость канала 10 сообщается с полостью трубчатого элемента 4, заполненной гелем. В выходные отверстия канала 10 могут быть установлены штуцеры 11 и 12. Штуцер 11 посредством гидравлической линии 13 (фиг.2) подключен к нагнетательной стороне насоса 14, а штуцер 12 подключен посредством гидравлической линии 15 к всасывающей стороне насоса 14. Обе линии могут быть выполнены в виде гибких трубок, например силиконовых. Линия 13 может иметь U-образное колено, которое заполняют осадителем 16. В линии 13 между U-образным коленом и нагнетательной стороной насоса размещен датчик 17 перемещения осадителя. Датчик может срабатывать в результате перемещения контрольной магнитоэлектрической жидкости 18 при работе насоса 14. Внутренние полости контейнера 1, линий 13, 15 и полости насоса 14 образуют герметически замкнутую гидравлическую линию. Газовые прослойки в этой системе обозначены позицией 19.
Несколько контейнеров 1 могут быть объединены в один блок (фиг.3) путем соединения полостей сквозных каналов 10 каждого из контейнеров друг с другом и подключением одного из крайних контейнеров блока к нагнетательной стороне насоса, а другого к всасывающей стороне насоса. При этом штуцеры 12 и 11 каждого из контейнеров соединяются гидравлической линией, например в виде U-образного колена, заполненного осадителем. Объединение нескольких контейнеров в единый блок позволяет вести процесс кристаллизации сразу нескольких биологических макромолекул, которые заполняют капиллярные трубки разных контейнеров 1 блока.
Функционирование устройства осуществляют следующим образом. Вначале собирают контейнер 1. Первой операцией сборки является заправка стеклянного капилляра 5, например, с помощью шприца веществом, подлежащим кристаллизации - биологической макромолекулой. На концевую часть заправленного капилляра устанавливают кольцо 8, к которому крепят, например, с помощью клея шайбу 9. В верхнюю часть трубчатого элемента 4 помещают гель 7. Затем трубчатый элемент устанавливают внутри корпуса 2 контейнера 1 и фиксируют названный элемент внутри корпуса с помощью крышки 3. Собранный контейнер 1, снабженный переходными штуцерами 11 и 12, подключают через гидравлическую линию 13 к нагнетательной стороне насоса 14, а через гидравлическую линию 15 - к стороне всасывания насоса 14.
Гидравлические линии 13 и 15 могут выполняться в виде гибких силиконовых трубок. Линия 13 может иметь U-образное колено, которое предварительно заполняют осадителем 16.
Между слоем осадителя и нагнетательной стороной насоса в линии 13 размещают датчик 17 перемещения осадителя. Между датчиком и стороной нагнетания насоса 14 в линии 13 может быть размещена контрольная электропроводящая жидкость 18, в качестве которой может применяться осадитель, являющийся электропроводящей жидкостью. В качестве насоса возможно применение насоса объемного типа, например перистальтического насоса. Полости контейнера, гидравлических линий и насоса, свободные от геля, осадителя и электропроводящей жидкости заполнены газом, например воздухом или инертным газом. Эти газовые прослойки при работе насоса выполняют функцию «газовых поршней», которые, перемещая осадитель, вводят его в контакт с гелем, обеспечивая начало диффузионного процесса между осадителем и биологической макромолекулой через слой геля, что, в конечном счете, обеспечивает возникновение кристаллизационного процесса и рост кристаллов биологических макромолекул.
Полностью собранное и заправленное всеми ингредиентами устройство может находиться в готовности длительное время, что особенно важно в случае, если устройство планируется для использования на космическом аппарате, когда момент его включения достаточно неопределенен. Устройство может быть задействовано после выхода космического аппарата на орбиту по сигналу с земли. Данное обстоятельство является существенным преимуществом перед прототипом, в котором процесс начинается сразу же после его сборки, что в случае отсрочки запуска космического аппарата на орбиту является крайне нежелательным.
Для приведения устройства в действие подают сигнал на включение насоса 14. Насос, создавая давление в линии 13, вызывает перемещение «газовых поршней» (газовой прослойки между стороной нагнетания насоса и электропроводящей жидкостью, а также газовой прослойкой между электропроводящей жидкостью и осадителем). В результате перемещения «газовых поршней» осадитель поступает в канал 10 корпуса и вступает в контакт с гелем, что приводит к началу диффузионного процесса между осадителем и веществом - биологической макромолекулой. Перемещение осадителя продолжается до тех пор пока датчик 17 не отключит насос 14. Датчик срабатывает после того, как электропроводящая жидкость минует в линии 13 контакты названного датчика. Для управления работой насоса могут применяться и датчики других хорошо известных типов. Насос может быть снабжен также и шаговым приводным двигателем. В этом случае можно отказаться от применения датчика 17. Процесс кристаллизации может быть прерван путем реверсирования насоса, например, изменением поворота приводного механизма насоса на противоположное. Результатом реверсирования будет выталкивание осадителя 16 из полости канала 10 контейнера 1 обратно в U-образное колено, что приведет к окончанию процесса кристаллизации.
Возможно агрегатирование контейнеров 1 в виде единого блока (фиг.3). Такое агрегатирование позволяет производить кристаллизацию различных биологических макромолекул одновременно. Конструкция блока из нескольких контейнеров понятна из фиг.3, на которой представлено устройство в нерабочем состоянии. Положение ингредиентов в рабочем состоянии блока, состоящего из нескольких контейнеров, приведено на фиг.4. Принцип действия блока контейнеров аналогичен принципу действия устройства, содержащего один контейнер - при включении насоса осадитель подается в каналы 10 контейнеров 1 и входит в соприкосновение с гелем, находящимся в каждом из контейнеров. Происходит диффузия ингредиентов через слой геля и начинается процесс кристаллизации.
Промышленная применимость данного устройства обусловлена следующими факторами:
- возможность контролируемого начала и окончания процесса кристаллизации биологических макромолекул в космических экспериментах непосредственно после вывода спутника на орбиту, причем возможно проведение кристаллизации одновременно нескольких различных биологических макромолекул;
- возможность раздельного нахождения осадителя и биологической макромолекулы внутри жесткой герметичной конструкции, являющейся технологически просто реализуемой и надежной;
- возможность обеспечения длительного сохранения и консервации биологических макромолекул в результате применения для заполнения полостей контейнера инертного газа или жидкости-консерванта.