Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок
Шифр эксперимента: Константа-2
Направление НПИ: 4. Космическая биология и биотехнология
Секция КНТС: 1. Космическая биология и физиология
Наименование эксперимента: Изучение влияния факторов космического полета на изолированные фермент-субстратные системы
Цель эксперимента:

Целью КЭ является исследование наличия и характера влияния факторов космического полета на активность различных ферментных препаратов по отношению к специфическому субстрату в зависимости от принципа действия (расщепление, синтез) и молекулярной массы.

Описание эксперимента:

Начиная с 2009г на РС МКС выполнялся КЭ «Константа». Техническим заданием на КЭ «Константа» ставилась задача по выявлению наличия и характера влияния факторов космического полета на активность модельного ферментного препарата по отношению к специфическому субстрату. Для этого была сделана попытка измерить Км непосредственно на МКС с проведением синхронного наземного эксперимента. На основе анализа информативности известных фермент-субстратных систем, степени их разработки, условий проведения экспериментов на МКС, прежде всего требований по обеспечению безопасности экипажа для КЭ была выбрана система бутирилхолинэстераза – бутирилтиохолин. В этой системе измеряется единственный параметр – время распада бутирилтиохолина.

В целом Техническое задание на КЭ «Константа», включающее два этапа эксперимента выполнено в полном объёме. На первом этапе в 2009-2010 гг. с использованием научной аппаратуры «Рекомб-К» установлена возможность определения ферментативной активности изолированного препарата холинэстеразы по отношению к специфичному субстрату в условиях РС МКС.

При подготовке ко второму этапу КЭ в 2010-2012 гг. создана специальная НА «Константа», проведена наземная отработка фермент-субстратной системы и проведены биолого-технические испытания НА. Разработаны методики снаряжения НА, циклограммы проведения эксперимента на РС МКС, включая методику документирования его результатов, а также обучения и тренировок экипажей.

Результаты КЭ, полученные в 2011-2013гг позволяют считать, что в проведенных сеансах решена главная задача научной программы КЭ «Константа». Экспериментально изучена классическая зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации специфичного субстрата, рассчитаны значения константы Михаэлиса. Установлено, что в условиях космического (орбитального) полета активность бутирилхолинэстеразы по отношению к бутирилтиохолину значительно выше, чем в синхронном эксперименте на Земле.

В сеансах активность фермента на МКС регистрируется через 2-3 недели после того, как на Земле ферментативная активность в той же системе полностью отсутствует. Наблюдаемый эффект может быть обусловлен только действием микрогравитации.

Описанные выше результаты получены на основе биокаталитической системы бутирилхолинэстераза-бутирилтиохолин-индикактор БАС-хлор, которая была разработана в СССР для использования в войсковых средствах обнаружения и контроля фосфорорганических отравляющих веществ в различных средах.

В других целях фермент бутирилхолинэстераза (гидролаза) в РФ и за рубежом практически не используется.

В интересах науки и для закрепления приоритета полученных результатов исследований необходимо их подтверждение на других фермент-субстратных системах или из других классов ферментов (оксидоредуктазы, трансферазы, лиазы, изомеразы и лигазы).

Соотношение размеров ферментов и их субстратов варьирует в очень широких пределах. Так, молекулярная масса ацетилхолинэстеразы составляет немного более 300000 дальтон, а молекулярная масса гидролизуемого ею субстрата - ацетилхолина составляет всего 146 дальтон. Напротив, небольшие по размеру пищеварительные ферменты, такие как a-амилаза (молекулярная масса не превышает 50000 дальтон) атакуют одну специфическую сложноэфирную связь высокомолекулярного субстрата – крахмала (молекулярная масса исчисляется миллионами дальтон).

Также представляется целесообразным провести исследование влияния величины молекулярной массы фермента на скорость ферментативной реакции в условиях микрогравитации.

С целью максимального использования существующей научной аппаратуры и методических наработок, предлагается провести серию экспериментов с уже изученными системами. Полученные в такой системе результаты, во-первых, будут сопоставимы с известными литературными данными, во-вторых, могут быть прямо использованы в интересах космической медицины.

1) Задачи НИР:

-исследование влияния величины молекулярной массы фермента на скорость ферментативной реакции в условиях микрогравитации;

- экспериментальное определение активности ферментных препаратов по отношению к специфичному субстрату в сравнении с проводимыми параллельно наземными экспериментами;

- изучение совокупного действия ФКП, присущих орбитальному полету и космическому пространству, на специфическую активность ферментов;

- получение данных, позволяющих количественно оценить зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.

2) Технически проведение эксперимента может быть реализовано следующим образом:

Для проведения КЭ на борт доставляется и используется аппаратура «Константа». Рекомендуемое время начала сеанса 4-е – 5-е сутки после доставки аппаратуры на МКС.

Перед началом эксперимента включить видеокамеру и произвести фотографирование исходного состояние кассеты. Затем произвести одновременное перемещение жидкости из емкостей №1 и №2 в камеры смешения и включить электронный секундомер. Время перемещения рабочих растворов является временем начала эксперимента.

Визуально наблюдать за изменением окраски дисков в камерах смешения до её совпадения с цветовыми шаблонами (закреплены на кассета) и проводить фотосъёмку. В момент совпадения окраски на диске какой-либо камере смешения с цветом эталона сфотографировать диск, записать это время и продолжить наблюдение за изменением окраски раствора на остальных дисках.

Весь эксперимент фиксируется видеокамерой, что позволяет уточнить результаты и оценить работу оператора.

Одновременно на Земле проводится такой же эксперимент с идентично снаряженной кассетой. Поскольку активность фермента в процессе КЭ постоянно снижается, быстрое получение результатов КЭ и сопоставление их с наземными экспериментами позволяет оперативно ориентировать космонавта о возможном ходе следующей сессии КЭ.

3) Порядок и сроки изготовления, испытаний и поставки аппаратуры для КЭ должны осуществляться в соответствии с требованиями, установленными в Положении НА-99, П32958-106, П32928-103, П35592-104, SSP50094, SSP50146.

4) Реализация эксперимента осуществляется по согласованной с РКК "ЭНЕРГИЯ" программе космического эксперимента, по методике и бортовой документации, выпускаемой РКК "Энергия".

5) Специальных требований к орбите станции и к ее ориентации не предъявляются.

6) Для обработки данных, полученных при проведении эксперимента на РС МКС, специализированное программное обеспечение не требуется.

7) Экипаж станции должен быть обучен методике проведения эксперимента

Новизна эксперимента:

Экспериментальные данные об изменении характеристик реакций биокатализа в условиях Космоса являются оригинальными. Они дают возможность приблизиться к выявлению причин изменений молекулярных механизмов реакций живой материи в условиях Космоса.

Такие данные необходимы для создания надежных средств профилактики и защиты от агрессивных факторов космоса, а также в реальном освоении биотехнологий, необходимых для реализации длительных космических полетов и колонизации космических объектов солнечной системы. Работы по получению количественных характеристик активности ферментов в их реакции со специфичным субстратом на РС МКС, в условиях орбитального космического полета и последующего наземного анализа за рубежом не проводились.

 

Научная аппаратура:

При проведении эксперимента должна использоваться ранее разработанная аппаратура «Константа», имеющая следующий состав:

- укладка «Константа» № 1;

- укладка «Константа» № 2;

- укладка «Константа» № 3;

- укладка «Константа» № 4;

- укладка «Константа» № 5.

Габаритные размеры укладки «Константа» - 165х95х105 мм, масса 1,2 кг. Все пять укладок идентичны по своему составу, габаритам и массе. Укладка «Константа» состоит из шести кассет «Константа», каждая из которых представляет собой четыре экспериментальные ячейки, соединенные между собой в единую сборку. Экспериментальная ячейка представляет из себя конструкцию, состоящую из двух капсул с рабочими растворами № 1 и № 2 емкостью до 0,5 мл, приспособлений для передавливания рабочих растворов в камеру смешения.

В материале экспериментальной ячейки должны быть сформированы каналы для передавливания жидкости от капсул к камере смешения. Кассета позволяет проводить одновременно во всех составляющих ее экспериментальных ячеек передавливание рабочих растворов в камеру смешения. НА «Константа» устанавливается в ГО (МЛМ или СМ) РС МКС.

 

Ожидаемые результаты:

- экспериментальное определение интегрального влияния факторов космического полета на устойчивость и биокаталитическую активность важнейших ферментов млекопитающих;

 

- определение возможности как оперативного, так и систематического контроля биохимических показателей космонавтов в условиях космического полета с помощью ферментных тест-систем;

- определение возможных направлений защиты ферментных систем животных от нежелательных воздействий факторов космического полета

 

Полученные результаты:

При проведении эксперимента должна использоваться ранее разработанная аппаратура «Константа», имеющая следующий состав:

- укладка «Константа» № 1;

- укладка «Константа» № 2;

- укладка «Константа» № 3;

- укладка «Константа» № 4;

- укладка «Константа» № 5.

Габаритные размеры укладки «Константа» - 165х95х105 мм, масса 1,2 кг.

Все пять укладок идентичны по своему составу, габаритам и массе. Укладка «Константа» состоит из шести кассет «Константа», каждая из которых представляет собой четыре экспериментальные ячейки, соединенные между собой в единую сборку.

Экспериментальная ячейка представляет из себя конструкцию, состоящую из двух капсул с рабочими растворами № 1 и № 2 емкостью до 0,5 мл, приспособлений для передавливания рабочих растворов в камеру смешения.

В материале экспериментальной ячейки должны быть сформированы каналы для передавливания жидкости от капсул к камере смешения. Кассета позволяет проводить одновременно во всех составляющих ее экспериментальных ячеек передавливание рабочих растворов в камеру смешения. НА «Константа» устанавливается в ГО (МЛМ или СМ) РС МКС.

Сроки проведения:
Состояние эксперимента: Реализуется
Организация постановщик: Открытое акционерное общество «Биопрепарат»
Организации участники: ОАО «Биохиммаш», РКК «Энергия» , НПП «БиоТехСис», ООО
Научный руководитель: Евстигнеев В.И., ОАО «Биопрепарат», первый зам.ген. директора, к.мед.н., профессор
Публикации по эксперименту:

1. А. Ленинджер Биохимия, изд. Мир, Москва, 1974

2.И. В. Березин и др. Биотехнология. Т. 7. Иммобилизованные ферменты, Высшая школа,1987.

3.Шлегель Г. Общая Микробиология М: «Мир» 1987 576 с.

4. Шуб Г.М., Швиденко И.Г., Корженевич В.И., Лунева И.О. Основы медицинской бактериологии, вирусологии и иммунологии. - М.: Логос, 2003. 264 с.

5.Варфаламеев С.Д., Колюжный С.В. Биотехнология: генетические основы, микробиологические процессы. – М., 2002. – 245 с.

6.Биологическая наука и Биотехнология в России, Национальный исследовательский Совет, theNationalAcademies of Sciences, USA, РАН, Москва, 2006г.

7.Н.Н. Каркищенко. Альтернативы медицины. Том 1. Основы биомедицины и фармакомоделирования, Москва. 2007г.

8. Экспресс-отчет по КЭ «Константа» в период МКС-25, инв. № 2295.

9. Экспресс-отчет по КЭ «Константа» в период МКС-27, инв. № 2325.

10. Этапный отчет по КЭ «Константа» за 2011г., инв. № 2342.

11. Экспресс-отчет по КЭ «Константа» в период МКС-29, инв. № 2325.

12. Экспресс-отчет по КЭ «Константа» в период МКС-31, инв. № 2325.

13. Экспресс-отчет по КЭ «Константа» в период МКС-33, инв. № 2456.14. Экспресс-отчет по КЭ «Константа» в период МКС-35, инв. № 2482.

 

Последнее обновление: 15.11.2017

Информационная справка

Программы

Изображения