CHEMOSTAT: CHARAKTERYSTYKA, HISTORIA I ZASTOSOWANIA - BIOLOGIA - 2026

Chemostacie jest urządzenie lub urządzenia stosowane do hodowli komórek i drobnoustrojów. Jest również nazywany bioreaktorem i ma zdolność eksperymentalnego odtwarzania środowisk wodnych, takich jak między innymi jeziora, sedymentacja lub stawy lecznicze.

Jest ogólnie opisywany jako pojemnik (rozmiar będzie zależał od tego, czy jest używany do celów przemysłowych, czy laboratoryjnych) z wlotem, przez który wchodzi sterylny materiał, oraz wylotem, przez który wydostaje się materiał powstały w procesie, który jest zazwyczaj składnikami odżywczymi. m.in. odpady, materiały sterylne, mikroorganizmy.

Schemat chemostatu. Zrobione i zredagowane z: CGraham2332.

Został odkryty i zaprezentowany niezależnie i niemal jednocześnie przez naukowców Jacquesa Monoda, Aarona Novicka i Leo Szilarda w 1950 roku. Monod pracował sam i nazwał go baktogenem, podczas gdy Novick i Szilard pracowali razem i nazwali go chemostatem, nazwa, która trwa do dziś. .

Funkcje Chemostat

Chemostat charakteryzuje się ciągłym dodawaniem pożywki zawierającej pojedynczy składnik odżywczy, który ogranicza wzrost i jednocześnie usuwa część kultury, taką jak nadmierna produkcja, metabolity i inne substancje. To usuwanie jest stale zastępowane nowym materiałem, dzięki czemu uzyskuje się stabilną równowagę.

W tych warunkach szybkość, z jaką rozwija się kultura mikroorganizmów, jest równa szybkości, z jaką jest ona rozcieńczana. Ma to kluczowe znaczenie w porównaniu z innymi metodami uprawy, ponieważ stabilny stan można osiągnąć w stałym i określonym środowisku.

Inną ważną cechą jest to, że za pomocą chemostatu operator może kontrolować zmienne fizyczne, chemiczne i biologiczne, takie jak objętość osobników w hodowli, rozpuszczony tlen, ilość składników odżywczych, pH itp.

Zasada metody

Metoda składa się z populacji mikroorganizmów, które rosną od początku w sposób podobny do hodowli nieciągłych lub okresowych (najprostsza kultura płynna). Kiedy populacje rosną, konieczne jest jednoczesne wycofanie objętości kultury podobnej do dodanej, niezależnie od tego, czy wycofana kultura została wykorzystana, czy nie.

W ten sposób w chemostacie przeprowadza się rozcieńczanie, stosując ciągłe dodawanie świeżej pożywki i eliminację kultury, jak opisano częściowo w poprzednim akapicie. Pojedynczy składnik odżywczy jest odpowiedzialny za ograniczenie wzrostu w pojemniku, podczas gdy reszta jest obecna w nadmiarze.

Ten pojedynczy składnik odżywczy ograniczający wzrost jest z góry określony przez osobę opracowującą eksperyment, może to być dowolny składnik odżywczy iw wielu przypadkach będzie zależał od gatunku w kulturze.

Historia

Hodowle okresowe mikroorganizmów sięgają wieków wstecz (warzenie piwa i innych napojów). Jednak ciągłe uprawy są czymś stosunkowo bardziej nowoczesnym. Niektórzy mikrobiolodzy przypisują początki ciągłej uprawy słynnemu rosyjskiemu mikrobiologowi Siergiejowi Winogradskiemu.

Vinogradski badał wzrost bakterii sulforedukcyjnych w urządzeniu własnej konstrukcji (kolumna Vinogradski). Podczas studiów podawał do kolumny krople siarkowodoru jako pokarm dla tych bakterii.

Mówiąc o ciągłej kultywacji, obowiązkowo należy mówić o 3 postaciach: Jacquesie Monodzie, Aaronie Novicku i Leo Szilardzie. Monod był znanym biologiem i laureatem Nagrody Nobla w 1965 roku.

Badacz ten (Monod), będąc częścią Instytutu Pasteura, opracował wiele testów, obliczeń i analiz w latach 1931-1950. W tym czasie stworzył matematyczny model wzrostu mikroorganizmów, który później nazwano równaniem Monoda.

W 1950 roku, w oparciu o równanie, które nosi jego imię, zaprojektował model aparatu, który pozwalał na ciągłą hodowlę mikroorganizmów i nazwał go bakterogenem.

Z drugiej strony naukowcy Novick (fizyk) i Szilard (chemik) spotkali się podczas pracy nad projektem Manhattan (bomba atomowa) w 1943 roku; lata później zaczęli wykazywać zainteresowanie wzrostem bakterii, aw 1947 roku nawiązali współpracę, aby to wykorzystać.

Po wielu testach i analizach Novick i Szilard, opierając się na obliczeniach Monoda (równanie Monoda), również opracowali w 1950 r. Model ciągłej hodowli mikroskopijnych organizmów, który nazwali chemostatem i taką nazwę utrzymali do dziś. . Ale wszystkim trzem przypisuje się wynalazek.

Aplikacje

Biologia adaptacyjna i ewolucja

Narzędzia oferowane przez ten system ciągłej hodowli mikroorganizmów są wykorzystywane przez ekologów i ewolucjonistów do badania, w jaki sposób tempo wzrostu wpływa na procesy komórkowe i metabolizm oraz w jaki sposób kontroluje presję selekcyjną i ekspresję genów.

Jest to możliwe dzięki ocenie i utrzymywaniu dziesiątek do setek pokoleń w chemostacie w kontrolowanych warunkach.

Dwa chemostaty stosowane w analizie toksyczności amonu u drożdży. Zrobione i zredagowane z: (Zdjęcie: Maitreya Dunham).

Komórka biologiczna

Praktycznie wszystkie badania związane z chemostatem są związane z biologią komórki, nawet molekularną, ewolucyjną itp.

Jednak w szczególności zastosowanie chemostatu w tej gałęzi biologii dostarcza cennych informacji, które pozwalają na opracowanie modeli matematycznych niezbędnych do zrozumienia procesów metabolicznych w badanej populacji.

Biologia molekularna

W ciągu ostatnich 10 lub więcej lat wzrosło zainteresowanie zastosowaniem chemostatu w analizie molekularnej genów drobnoustrojów. Metoda hodowli ułatwia uzyskanie informacji do kompleksowej lub systemowej analizy kultur mikroorganizmów.

Badania Chemostat w tej dziedzinie umożliwiają analizę transkrypcji DNA w całym genomie, a także ilościowe określenie ekspresji genów lub identyfikację mutacji w określonych genach organizmów, takich jak na przykład drożdże Saccharomyces cerevisiae.

Wzbogacone kultury

Badania te prowadzone są od końca XIX wieku przy użyciu układów nieciągłych z pracami Beijerincka i Vinogradskiego, natomiast w latach 60. ubiegłego wieku zaczęto je prowadzić w kulturach ciągłych z użyciem chemostatu.

Badania te polegają na wzbogacaniu pożywek hodowlanych w celu zbierania różnych rodzajów drobnoustrojów (ogólnie bakterii), są również wykorzystywane do określania nieobecności niektórych gatunków lub wykrywania obecności niektórych, których odsetek jest bardzo niski lub prawie niemożliwy do zaobserwowania w pożywce. naturalny.

Wzbogacone kultury w otwartych systemach ciągłych (chemostaty) są również używane do tworzenia zmutowanych kultur bakterii, głównie auksotrofów lub takich, które mogą stać się oporne na leki, takie jak antybiotyki.

Produkcja etanolu

Z przemysłowego punktu widzenia stosowanie i produkcja biopaliw jest coraz powszechniejsza. W tym przypadku jest to produkcja etanolu z Gram-ujemnej bakterii Zymomonas mobilis.

W tym procesie stosuje się kilka dużych seryjnych chemostatów, utrzymywanych w stałych stężeniach glukozy i innych cukrów, aby przekształcić je w etanol w warunkach beztlenowych.

Bibliografia

1. Chemostat: idealny reaktor zbiornikowy z ciągłym mieszaniem. Odzyskany z: biorreactores.tripod.
2. Chemostat. Odzyskane z: en.wikipedia.org.
3. N. Ziv, NJ Brandt i D. Gresham (2013). Zastosowanie cheostatów w biologii systemów drobnoustrojów. Dziennik zwizualizowanych eksperymentów.
4. A. Novick i L. Szilard (1950). Opis chemostatu. Nauka.
5. J. Monod (1949). Wzrost kultur bakteryjnych Roczny przegląd mikrobiologii.
6. D. Gresham i J. Hong (2015). Funkcjonalne podstawy ewolucji adaptacyjnej w chemostatach. Przeglądy mikrobiologiczne FEMS.
7. HG Schlegel i HW Jannasch (1967). Kultury wzbogacające. Roczny przegląd mikrobiologii.
8. J. Thierie (2016). Wprowadzenie do teorii wielofazowych układów rozproszonych. (red.) Springer Nature. 210 s.