Отсеивающий эксперимент

Математиками разработаны поисковые и оптимизационные планы многофакторных экспериментов, методы статистической обработки результатов качественных измерений или измерений с большой ошибкой, сравнимой с ответом системы. Существует много доступных программ для ПК, устранившие длительные, утомительные и ненадежные ручные вычислительные операции.

Вычислительная часть работы по поиску и оптимизации в микробиологии хорошо изложена /1,4/, не требует мощной техники и нередко достаточно уметь работать только с программируемым калькулятором. Имеются большие, постоянно пополняемые достижения общей физиологии и генетики микробов, которые служат теоретическим фундаментом для изучения конкретного продуцента.

Проведение поиска возможных регуляторных факторов иногда бывает проще осуществить путем конструирования семейства сред известного химического состава из индивидуальных химических соединений, синтетических питательных сред и добавок известных компонентов к питательным средам неизвестного состава, уменьшив до минимума компоненты типа сыворотки, крови или иного продукта из сырья природного происхождения с неизвестным составом. В идеале, вообще отказавшись от таких добавок. Тем не менее, осталось ряд проблем, мешающих широкому применению вышеназванных возможностей.

Несмотря на то, что в литературе описано колоссальное количество сред известного химического состава и синтетических питательных смесей и добавок для представителей различных таксономических групп микроорганизмов и культур эукариотических клеток, в литературе описана лишь очень общая стратегия конструирования таких сред. Недостаточно подробно рассмотрена роль активного многофакторного отсеивающего эксперимента для поиска регуляторных факторов нужных синтезов /1,4/, отсутствуют четко сформулированные критерии оптимальности поиска, а также недостаточно подробно прокомментированы слабые места и области применимости двухуровневых оптимизационных экспериментов. Планы трех - и более уровней варьирования управляемых переменных в литературе упоминают, но не приводят в конкретных работах и руководствах. В предлагаемой работе сделана попытка восполнить указанные пробелы в практической теории планирования эксперимента на примере микробиологических задач.

ВП, синтез микроорганизмами экономически важного целевого продукта в зависимости от концентрации регуляторных компонентов питательной среды (интенсивности фактора) имеет сложный вид. В общем случае это многомерная поверхность (поверхность отклика), о форме которой можно сделать достаточно общие предположения на основании большой работы, проведенной при изучении значительного количества конкретных объектов и опубликованных в многочисленных статьях и руководствах, а так же на основании собственных неопубликованных ранее данных.

Рисунок 1. Зависимость выхода процесса от концентрации метаболизируемого индуктора в питательной среде

В простейшем случае, когда ВП зависит от одного фактора, можно отобразить зависимость в виде двумерной кривой, рис.1. Можно выделить следующие участки 0-А допороговый уровень концентрации регуляторного фактора, нераспознаваемый микроорганизмом, не вызывающий нужного синтеза, А-В участок лимитирования, В-С уровень насыщения влияния регуляторного фактора, С-D участок ингибирования нужного синтеза контролируемым фактором (группой факторов). На рис.1 отображен наиболее общий случай. Углы наклона кривой (первая производная) в каждой точке будут строго индивидуальны и могут варьировать в широких пределах. В частности, некоторые факторы могут не достигать уровня ингибирования, прерываясь на т.С., например аэрация для аэробов, интенсивность перемешивания и т.д.