KEMOSTAT: EGENSKABER, HISTORIE OG ANVENDELSER - BIOLOGI - 2025

Den kemostat er en anordning eller apparat, der anvendes til dyrkning af celler og mikroorganismer. Det kaldes også en bioreaktor og har evnen til eksperimentelt at reproducere akvatiske miljøer såsom søer, sedimentation eller behandlingsdamme, blandt andre.

Det beskrives generelt som en beholder (størrelsen afhænger af, om brugen er industriel eller laboratorie) med et indløb, så sterilt materiale kommer ind, og et udløb, gennem hvilket materialet, der er resultatet af processen, vil forlade, hvilket generelt er næringsstoffer. affald, sterilt materiale, mikroorganismer blandt andre.

Diagram over en kemostat. Taget og redigeret fra: CGraham2332.

Det blev opdaget og præsenteret uafhængigt og næsten samtidig af forskerne Jacques Monod, Aaron Novick og Leo Szilard i 1950. Monod arbejdede alene og kaldte det en baktogen, mens Novick og Szilard arbejdede sammen og kaldte det en kemostat, et navn, der varer indtil i dag..

Kemostatfunktioner

Chemostaten er kendetegnet ved konstant tilsætning af et medium, der indeholder et enkelt næringsstof, der begrænser væksten og samtidig fjerner en del af kulturen, såsom overskydende produktion, metabolitter og andre stoffer. Denne fjernelse erstattes konstant med nyt materiale, hvilket giver en stabil balance.

Under disse betingelser er hastigheden, hvormed mikroorganismekulturen udvikler sig, lig med den hastighed, hvormed den fortyndes. Dette er nøglen sammenlignet med andre dyrkningsmetoder, da en stabil tilstand kan nås i et konstant og defineret miljø.

Et andet vigtigt træk er, at operatøren med kemostat kan kontrollere fysiske, kemiske og biologiske variabler, såsom volumen af ​​individer i kulturen, opløst ilt, mængde næringsstoffer, pH osv.

Metodeprincip

Metoden består af en population af mikroorganismer, der vokser fra begyndelsen på en lignende måde som for diskontinuerlige eller batchkulturer (den enkleste flydende kultur). Når befolkningen vokser, er det nødvendigt at trække et kulturvolumen tilbage, der ligner det tilsatte, uanset om den tilbagekaldte kultur er blevet brugt eller ej.

På denne måde udføres en fortynding i kemostat ved kontinuerlig tilsætning af frisk medium og eliminering af kulturen som delvist beskrevet i det foregående afsnit. Et enkelt næringsstof er ansvarlig for at begrænse væksten i beholderen, mens resten er til stede i overskydende.

Dette enkelt vækstbegrænsende næringsstof er forudbestemt af den person, der udvikler eksperimentet, det kan være ethvert næringsstof, og i mange tilfælde vil det afhænge af arten i kulturen.

Historie

Batchkulturer af mikroorganismer går tilbage i århundreder (brygning af øl og andre drikkevarer). Imidlertid er kontinuerlige afgrøder noget relativt mere moderne. Nogle mikrobiologer tilskriver begyndelsen af ​​kontinuerlig dyrkning til den berømte russiske mikrobiolog Sergey Vinogradsky.

Vinogradski studerede væksten af ​​sulforeduktive bakterier i en anordning efter hans eget design (Vinogradski-søjlen). I løbet af sine studier fodrede han dråber hydrogensulfid til søjlen som mad til disse bakterier.

Når man taler om kontinuerlig dyrkning er det obligatorisk at tale om 3 karakterer: Jacques Monod, Aaron Novick og Leo Szilard. Monod var en anerkendt biolog og vinder af Nobelprisen i 1965.

Denne forsker (Monod) udviklede, mens han var en del af Pasteur-instituttet, mange test, beregninger og analyser mellem 1931 og 1950. I løbet af denne tid skabte han den matematiske model for mikroorganismevækst, der senere ville blive kaldt Monod-ligningen.

I 1950 designede han på grundlag af den ligning, der bærer hans navn, en model af apparater, der tillader en kultur af mikroorganismer kontinuerligt og kaldte det en bactogen.

På den anden side mødtes forskerne Novick (fysiker) og Szilard (kemiker), mens de arbejdede på Manhattan-projektet (atombomben) i 1943; år senere begyndte de at vise interesse for bakterievækst, og i 1947 samarbejdede de med at arbejde sammen og drage fordel af dette.

Efter flere test og analyser udarbejdede Novick og Szilard, baseret på Monods beregninger (Monods ligning) også i 1950 en model for kontinuerlig kultur af mikroskopiske organismer, som de kaldte kemostat, og det er det navn, der er blevet opretholdt til dato.. Men alle tre krediteres opfindelsen.

Applikationer

Adaptiv biologi og udvikling

Værktøjerne, der tilbydes af dette system med kontinuerlig kultur af mikroorganismer, bruges af økologer og evolutionister til at undersøge, hvordan væksthastighed påvirker cellulære processer og metabolisme, og hvordan det styrer selektionstryk og genekspression.

Dette gøres muligt ved at evaluere og vedligeholde ti til hundreder af generationer i kemostat under kontrollerede forhold.

To kemostater, der anvendes til analyse af ammoniumtoksicitet i gær. Taget og redigeret fra: (Billede: Maitreya Dunham).

Cellebiologi

Stort set alle undersøgelser relateret til kemostat er relateret til cellebiologi, endda molekylær, evolutionær osv.

Specifikt giver brugen af ​​kemostat til denne gren af ​​biologi værdifuld information, der tillader udvikling af matematiske modeller, der er nødvendige for at forstå de metaboliske processer i studiepopulationen.

Molekylær Biologi

I de sidste 10 år eller mere er interessen for brugen af ​​kemostat i molekylær analyse af mikrobielle gener vokset. Kulturmetoden letter det, at man får information til omfattende eller systemisk analyse af mikroorganismekulturer.

Chemostat-undersøgelser på dette område tillader DNA-transkriptionsanalyse gennem genomet såvel som kvantificering af genekspression eller identifikation af mutationer i specifikke gener af organismer, såsom gæren Saccharomyces cerevisiae.

Berigede kulturer

Disse undersøgelser er blevet udført ved hjælp af diskontinuerlige systemer siden slutningen af ​​1800-tallet med værkerne fra Beijerinck og Vinogradski, mens de i 60'erne af forrige århundrede begyndte at blive udført i kontinuerlige kulturer ved hjælp af kemostat.

Disse undersøgelser består af berigende kulturmedier til høst af forskellige typer mikrober (bakterier generelt), det bruges også til at bestemme fraværet af visse arter eller detektere tilstedeværelsen af ​​nogle, hvis andel er meget lav eller næsten umulig at observere i mediet. naturlig.

Berigede kulturer i åbne kontinuerlige systemer (kemostater) bruges også til at udvikle mutante bakteriekulturer, hovedsageligt auxotrofer eller dem, der kan blive resistente over for medicin såsom antibiotika.

Ethanolproduktion

Fra et industrielt synspunkt er brug og produktion af biobrændstoffer mere og mere almindeligt. I dette tilfælde er det produktion af ethanol fra den Gram-negative bakterie Zymomonas mobilis.

I processen bruges adskillige store serielle kemostater, der holdes ved konstante koncentrationer af glukose og andre sukkerarter, der omdannes til ethanol under anaerobe betingelser.

Referencer

1. Chemostat: den ideelle kontinuerlige omrørt tankreaktor. Gendannes fra: biorreactores.tripod.
2. Kemostat. Gendannet fra: en.wikipedia.org.
3. N. Ziv, NJ Brandt, & D. Gresham (2013). Anvendelse af kemostater i mikrobiel systembiologi. Tidsskrift for visualiserede eksperimenter.
4. A. Novick & L. Szilard (1950). Beskrivelse af kemostat. Videnskab.
5. J. Monod (1949). Væksten af ​​bakteriekulturer Årlig gennemgang af mikrobiologi.
6. D. Gresham & J. Hong (2015). Det funktionelle grundlag for adaptiv udvikling i kemostater. FEMS mikrobiologi anmeldelser.
7. HG Schlegel, & HW Jannasch (1967). Berikelseskulturer. Årlig gennemgang af mikrobiologi.
8. J. Thierie (2016). Introduktion til polyfasisk spredt systemteori. (eds) Springer Nature. 210 s.