Ганусов В.В.
Красноярский государственный университет, кафедра биофизики, 660041, Красноярск, пр. Свободный 79, Россия
После интродукции в лабораторные и природные экосистемы популяционная динамика клеток генетически модифицированных микроорганизмов, выражающих необходимые признаки, зависит от целого ряда факторов. Для плазмидсодержащих генноинженерных штаммов большое значение в сохранении варианта с определенным количеством копий плазмиды имеют внутриклеточные (уровень экспрессии плазмидных генов, регуляция числа копий плазмиды в клетке), популяционные характеристики (скорость размножения вариантов), условия среды (тип лимитирования), трофические взаимодействия и т.д.
Для исследования закономерностей популяционной динамики многокопийного плазмидсодержащего штамма в различных условиях среды и интродукции в экосистемы разработан подход, основанный на математическом моделировании распределения клеток в популяции с различным числом копий плазмид с использованием уравнения непрерывности. В моделях учитываются репликационная (сегрегационная) нестабильность плазмид и влияние числа копий плазмид на кинетические характеристики вариантов. Как частный случай рассматривается влияние зависимости удельной скорости роста от эффективности экспрессии клонированных генов в фазе экспоненциального роста на конечное распределение плазмид по клеткам. Предложен метод оценки влияния эффективной экспрессии на динамику распределения копий плазмид по клеткам. Проведен анализ на устойчивость по методу малых отклонений, получен фазовый портрет системы в приближении малых градиентов, построена бифуркационная диаграмма двух управляющих параметров в случае хемостатного культивирования. В тех случаях: когда аналитического решения получить не удалось, проанализированы численные решения для системы с разными параметрами.
Показано, что влияние экспрессии плазмидных генов на копийность плазмид в клетках приводит к различным исходам конкуренции вариантов в хемостате. При моделировании интродукции рекомбинантных бактерий в природные экосистемы показана возможность длительного сосуществования вариантов исходного штамма, в том числе и в колебательных режимах.
С помощью численных и аналитических расчетов показано, что естественная элиминация нестабильных генноинженерных микроорганизмов в хемостате происходит гораздо медленнее, чем в случае внедрения 0.1% бесплазмидных изогенных клеток, что связано со снижением селективного преимущества малокопийных вариантов при естественной элиминации. Получено, что характерная нестабильность рекомбинантных бактерий при низких скоростях протока в хемостате связана возрастанием селективного преимущества малокопийных вариантов, а также возрастанием вероятности потери плазмиды при делении клеток при интенсивной транскрипции клонированных генов.
Математическое моделирование динамики различных вариантов плазмидных штаммов является необходимым этапом в изучении закономерностей интродукции генетически модифицированных микроорганизмов в природные экосистемы.