Biotexnologiya asoslari

-----------
------------
-------------
-------------

Energiya Energiya Energiya Energiya

Yoqilg’i kimyoviy energiyasini elektr energiyaga aylantirishda dastlabki qadam, yoqilg’i elementlari deb ataladigan elektrokimyoviy generatorlar toki yaratish hisoblanadi. Bunda energiya konversiyasi bir bosqichda amalga oshadi:

Kimyoviy energiya  Elektr energiya

YOqilg’ining elektrokimyoviy oksidlanishi va oksidlovchining (odatda kislorod) qaytarilishiga, elektrolit eritmada mos keladigan elektrod tabiati bilan xulosalanadi. Elektrodda vodorod - kislorodli element, masalan: reaksiya quyidagicha kechadi:

Anod Katod

2H₂ ------------- - 4H^qq4e^-; O₂q4H^q 2H₂O - 4e^-
Bunda, hosil bo’lgan erkin energiya hisobidan vodorod suvgacha oksidlanadi.
Biokatalizatorlar va mikrobli tizimlarni qo’llash orqali yaratilajak yoqilg’i elementlarining biokimyoviy reaksiyalari quyidagi yo’llarga bo’linadi:

• 
  organik xarakterli noananaviy manbalardan yoqilg’i sifatida foydalanib yoqilg’i elementlari yaratish;
  
• 
  elektronlarni yoqilg’ida elektrodga o’tkazish bilan xarakterlanadigan katalizatorlar sifatida fermentlardan foydalanish;
  
• 
  fermentlarni immobillash yo’li orqali yoqilg’i elementlari imkoniyatlarini oshirish.
  

YOqilg’i konversiyasi uchun mikroorganizmlardan foydalanish bir necha yo’llarga bo’linadi:

Elektrod tizimida samarali oksidlanadigan noananaviy yoqilg’ini elektrokimyoviy faol

birikmalarga aylantirish; batafsil o’rganilgan va keng qo’llaniladigan yoqilg’i vodorod hisoblanadi, shuning uchun ham vodorod hosil qiluvchi mikroorganizmlar istiqbolli hisoblanadi.
Bu maqsadda maxsus fermentyorlarda vodorodning uzluksiz to’planishini vujudga keltirish mumkin, vodorodning oksidlanishi esa vodorod - kislorodli maxsus moslamalarda amalga oshadi.
Vodorod hosil qiluvchi mikroorganizmlar uchun istiqbolli oziqalar: uglevodlar, uglevodorodlar, metan, spirtlar va organik kislotalar hisoblanadi.

Elektrod tizimida elektrokimyoviy potensial to’plovchi oziqa muhitida bevosita yordamchilar mavjud. Bu jarayonda substratni parchalash natijasida hosil qilinadigan metabolitlar aniq elektrokimyoviy faollik namoyon qilishi mumkin.

Mikroorganizmlar fermentlari toza holda yoqilg’ida elektronlarning elektrodga o’tishini tezlashtirishlari mumkin: .

Immobillangan gidrogenazalar vodorodning elektrokimyoviy ionizasiyasi reaksiyasida asosiy katalizator bo’lib xizmat qilishlari mumkin. Ushbu usulning o’ziga xos xususiyati kultural suyuqlikda bevosita elektrokimyoviy potensial paydo qilishidir. Birqadar muvaffaqiyatli yo’l bu
- turli xil organik birikmalarni yuqori miqdorda qayta ishlaydigan anaerob mikroorganizmlardan foydalanib, biokimyoviy yoqilg’i elementlar yaratish hisoblanadi. Bunday element bioanod va katoddan tuzilgandir.
Katodni qaytaradigan oksidlovchi bo’lib havodagi kislorod xizmat qiladi. Elektrod mahsuloti sifatida plastinadan foydalaniladi.
Mikrobli bioyoqilg’i elementining kamchiligi, generasiyasida yoqilg’i elementning hajm birligida taqqoslaganda imkoniyati kamligidir.

Bioelektrokataliz

Elektrokimyoviy jarayonlarda fermentlardan katalizatorlar sifatida foydalanish enzim (oqsil) muxandisligida yangi soha hisoblanadi. Bioelektrokatalizlardan foydalanishni asosiy 3 yo’nalishga ajratish mumkin:

Texnik o’zgarishlarni aniqlash, ta’sir spesifikligini va sezgirligini oshiruvchi-fermentli elektrolitik qurilma-bioaniqlagichlar yaratish;

Spesifik elektrosintez boshqaruvchi immobillangan fermentlar asosidagi tizim ishlab chiqish;
YAngi, yuqori samarali energiya almashtirgichlar yaratish uchun fermentlar, birinchi navbatda immobillangan fermentlardan foydalanish.

Elementlarni elektrolizda qo’llashda asosiy muammolardan biri fermentativ va elektrokimyoviy reaksiyalarni kuzatish va elektrodda fermentlar faol markazini elektronlarning faol transporti bilan ta’minlash hisoblanadi.

Ushbu muammoni ikki xil yo’l bilan hal qilish mumkin - kichik molekulyar diffuz - harakatchan uzatgichni qo’llash va elektrodda ferment faol markazida bevosita oksidlash; masalan, elektrodda molekulyar vodorod elektrooksidlanish, immobillangan gidrogenaza faol markazi bilan to’g’ridan-to’g’ri elektronlar o’tkazish imkoniyatlari mavjudligi o’rganilgan. Fermentli elektrod ingichka oltinli sim kukuniga Thiocapsa roseopersicina purpur serobakteriyasi gidrogenazasini immobillash orqali tayyorlanadi.
Elektrodga vodorod bilan fosfatli bufer (pH 7,0) kiritilganda elektrodda vodorodli potensial bilan elektrod vodorodi barqaror tenglashganligi (tenglik 0,0 V) kuzatiladi.
N.YArapolov va boshqalar (1984 yil) birinchi bosqichda, EH^- protonsiz forma bilan uning EH₂ ferment-substrat kompleksi hosil qiladigan tenglikning kinetik chizmasini taklif etganlar.
Jarayonning oxirida ikkita elektronlar o’tkazish sodir bo’ladi: EH^- E q H^q q e^- ;
EH^ EH^q q e^-.
Protonsizlangan ferment H² fermentativ oksidlanishini to’xtatadi:


EH^q E q H^q.

Biologik mikroqurilma

Ushbu texnologiyaga XX asrda - turli xil qurilmalarni arzonlashtirish va ularning sezgirligini oshirish extiyoji sezilgandanoq asos solingan edi.

Dastlab ilmiy manbalarda biologik mikroqurilmalar ishlab chiqarish, ulardan bioaniqlagichlar, prosessorlar va foydalaniladigan elementlar sifatida qo’llanilganligi haqida ma’lumotlar berila boshlandi.
Avvallari texnikada tirik tizim ta’sir mexanizmidan foydalanish vazifasi qo’yilgan bo’lsa, hozirgi kunda metallga elementlardek kiritiladigan - bioelementlardek gibridli sistemalar yaratilmoqda.
Biologik mikroqurilmalar texnik qurilishiga ko’ra quyidagicha xulosalanadi:

• 
  Mikroqurilmalar uchun ishlatiladigan biologik mahsulotlar nisbatan arzon (oqsil, fermentlar va x.k.), ularning zahiralari amalda cheksiz, ularni ajratish, tozalash va immobillash tannarxi arzondir.
  

• 
  Bioqurilma juda ko’p turdagi energiyani qayta hosil qilish qobiliyatiga ega, ba’zi hollarda teskari qayta hosil qilish imkoniyatlari mavjud, bu esa masalan: xemomexanik va mexanik- kimyoviydek biridan foydalanib yana undan bioqayta hosil qilishi mumkin.
  
• 
  Bioqayta hosil qiluvchining foydali ta’sir koeffisienti juda yuqori (ba’zan 100% ga yaqin), energiyani qayta hosil qilish jarayonida ulardagi kechayotgan avtokatalitik xarakterni aniqlash imkoniyatiga ega.
  
• 
  Bioaniqlagich - mahsulotning keng spektri regitasiyasi bilan ta’minlanishi va chuqur sezgirligi bilan xarakterlanadi (uchraydigan mahsulotning miqdorini 10^-8 - 10^-19 M darajagacha aniqlaydi).
  
• 
  Namunaviy qayta hosil qiluvchi - modul yig’indisini yaratish mumkin.
  

Bunday modullar yig’indisi kimyoviy jarayonlarni tezligini oshirishni maksimal darajaga etkazish mumkin, tirik hujayra metabolitik reaksiyalari ishtirokida, fermentsiz tizimga nisbatan ularni tezligi taqqoslanganda 10⁸ - 10¹⁰ marataba oshganligi kuzatilgan.

Biosensorli tizimning umumiy chizmasi 2.20-rasmda, bioaniqlagichlarning - blok chizmasi esa 2.11-rasmda aks ettirilgan.

-rasm

Biosensorli tizimning umumiy chizmasi

Rossiya Fanlar Akademiyasi biologik fizika institutida ishlab chiqarilgan bioaniqlagich o’tasezgir va universal uskunalardan biri hisoblanadi. Uning yordamida globullardagi o’zgarishlarni 10^-3 mm. gacha aniqlash mumkin.

Oqsil molekulalaridagi konformasion o’zgarishlar xarakteri va o’lchamini aniqlash va mahsulotlardagi eritma holidagi substratlar, ingibitorlar va boshqa spesifik ligandlarni aniqlash maqsadida bioaniqlagichlarning turli xil variantlarini yaratish mumkin.
Aniqlagichlarni konstruksiya qilishning boshqa yo’nalishi - biolyuminessensiyalarni qo’llashdir. SHuningdek, maxsus fermentlar yordamida substratlarni katalitik oksidlanish jarayonida paydo bo’ladigan kvant nurlarini ajratish asosida yaratilgan o’ta sezgir uskunalardan foydalanish ham o’z natijalarini ko’rsatgan.
Bunday reaksiyalarda ishtirok etuvchi substratlar lyusiferinlar, fermentlar esa lyusiferiza degan nom olgan.
Biolyuminessen - X - mahsulot, spesifik o’xshashlik namoyon qiluvchi lyusiferaza esa ishchi tana bo’lib xizmat qiladi. Bu reaksiyalarda to’g’ri yoki egri yo’l bilan ishtirok etadi. Reaksiya natijasida namoyon bo’lgan intensiv o’zgarishlarni registrasiya qiladi.
Aniqlagichlarni ferment substratlarni bog’lanish markazidan ma’lum o’ziga xos bo’lgan mahsulotlarni siqib chiqarish mexanizmidan foydalanib yaratish mumkin. Mexanik- kimyoviy va biolyuminessentli aniqlagichlarni yaratish uchun, bundan tashqari reseptorli oqsil, transportli va deponirlanadigan oqsil, antitelo va antigenlar ham qo’llanilishi mumkin.

-rasm