CHEMOSTAT: CHARAKTERISTIKA, HISTÓRIA A POUŽITIA - BIOLÓGIE - 2026

Chemostat je zariadenie, alebo zariadenie použité pre kultiváciu buniek a mikroorganizmov. Nazýva sa tiež bioreaktor a má okrem iného schopnosť experimentálne reprodukovať vodné prostredie, ako sú jazerá, sedimentácia alebo nádrže na úpravu.

Všeobecne sa opisuje ako nádoba (veľkosť bude závisieť od toho, či je použitie priemyselné alebo laboratórne) so vstupom, do ktorého vstupuje sterilný materiál, a výstupom, cez ktorý materiál, ktorý je výsledkom procesu, vystúpi, čo sú spravidla živiny. Odpad, sterilný materiál, mikroorganizmy.

Schéma chemostatu. Prevzaté a upravené: CGraham2332.

Vedci Jacques Monod, Aaron Novick a Leo Szilard to objavili a predložili nezávisle a takmer súčasne v roku 1950. Monod pracoval sám a označoval ho za bactogén, zatiaľ čo Novick a Szilard spolupracovali a nazývali ho chemostatom, menom, ktoré trvá dodnes. ,

Vlastnosti chemostatu

Chemostat je charakterizovaný neustálym pridávaním média obsahujúceho jednu živinu, ktorá obmedzuje rast a súčasne odstraňuje časť kultúry, ako je nadbytočná produkcia, metabolity a ďalšie látky. Toto odstránenie je neustále nahradené novým materiálom, čím sa dosiahne stabilná rovnováha.

Za týchto podmienok je rýchlosť, pri ktorej sa kultúra mikroorganizmov vyvíja, rovnaká ako rýchlosť, akou sa riedi. Toto je kľúčové v porovnaní s inými kultivačnými metódami, pretože stabilný stav sa dá dosiahnuť v konštantnom a definovanom prostredí.

Ďalšou dôležitou charakteristikou je to, že s chemostatom môže operátor kontrolovať fyzikálne, chemické a biologické premenné, ako je objem jednotlivcov v kultúre, rozpustený kyslík, množstvo živín, pH atď.

Princíp metódy

Metóda pozostáva z populácie mikroorganizmov, ktorá rastie od začiatku podobným spôsobom ako u diskontinuálnych alebo vsádzkových kultúr (najjednoduchšia tekutá kultúra). Keď populácie rastú, je potrebné súčasne odobrať taký objem kultúry, aký bol pridaný, či už bola alebo nebola použitá.

Týmto spôsobom sa v chemostate uskutočňuje riedenie pomocou nepretržitého pridávania čerstvého média a eliminácie kultúry, ako je opísané v časti v predchádzajúcom odseku. Jedna živina je zodpovedná za obmedzovanie rastu v nádobe, zatiaľ čo zvyšok je v prebytku.

Táto jediná živina obmedzujúca rast je vopred určená osobou vyvíjajúcou experiment, môže to byť akákoľvek živina av mnohých prípadoch to bude závisieť od druhu v kultúre.

histórie

Šaržové kultúry mikroorganizmov siahajú až do storočia (varenie piva a iných nápojov). Kontinuálne plodiny sú však niečo relatívne modernejšie. Niektorí mikrobiológovia pripisujú začiatok kontinuálnej kultivácie slávnemu ruskému mikrobiológovi Sergejovi Vinogradskému.

Vinogradski študoval rast sulforeduktívnych baktérií v zariadení podľa vlastného návrhu (stĺpec Vinogradski). Počas jeho štúdií kŕmil kvapkami sírovodíka do kolóny ako potrava pre tieto baktérie.

Keď hovoríme o nepretržitej kultivácii, je potrebné hovoriť o 3 znakoch: Jacques Monod, Aaron Novick a Leo Szilard. Monod bol renomovaným biológom a nositeľom Nobelovej ceny v roku 1965.

Tento výskumný pracovník (Monod), zatiaľ čo bol súčasťou Pasteurovho inštitútu, vypracoval v rokoch 1931 až 1950 mnoho testov, výpočtov a analýz. Počas tejto doby vytvoril matematický model rastu mikroorganizmov, ktorý by sa neskôr nazýval Monodova rovnica.

V roku 1950 navrhol na základe rovnice, ktorá nesie jeho meno, model prístroja, ktorý nepretržite umožňoval kultiváciu mikroorganizmov a označoval ho za bactogén.

Na druhej strane sa vedci Novick (fyzik) a Szilard (chemik) stretli v roku 1943 pri práci na projekte Manhattan (atómová bomba); O niekoľko rokov neskôr začali prejavovať záujem o bakteriálny rast a v roku 1947 sa spojili, aby spolupracovali a využili to.

Po viacerých testoch a analýzach navrhli Novick a Szilard na základe Monodových výpočtov (Monodova rovnica) v roku 1950 model kontinuálnej kultúry mikroskopických organizmov, ktorý nazývali chemostatom, a tento názov sa dodnes zachoval. , S vynálezom sa však pripisujú všetky tri.

aplikácia

Adaptívna biológia a evolúcia

Nástroje ponúkané týmto systémom kontinuálnej kultivácie mikroorganizmov používajú ekológovia a evolucionisti na skúmanie toho, ako rýchlosť rastu ovplyvňuje bunkové procesy a metabolizmus a ako riadi výberový tlak a génovú expresiu.

To je možné vyhodnotením a udržiavaním desiatok až stoviek generácií v chemostate za kontrolovaných podmienok.

Dva chemostaty, ktoré sa používajú pri analýze toxicity amónnych látok v kvasinkách. Prevzaté a upravené: (Obrázok: Maitreya Dunham).

Bunková biológia

Prakticky všetky štúdie súvisiace s chemostatom súvisia s bunkovou biológiou, dokonca s molekulárnou, evolučnou atď.

Konkrétne však použitie chemostatu v tomto odbore biológie poskytuje cenné informácie, ktoré umožňujú vývoj matematických modelov potrebných na pochopenie metabolických procesov v populácii štúdie.

Molekulárna biológia

V posledných 10 alebo viacerých rokoch vzrástol záujem o použitie chemostatu pri molekulárnej analýze mikrobiálnych génov. Kultivačná metóda uľahčuje získavanie informácií na komplexnú alebo systémovú analýzu kultúr mikroorganizmov.

Chemostatické štúdie v tejto oblasti umožňujú analýzu transkripcie DNA v celom genóme, ako aj kvantifikáciu génovej expresie alebo identifikáciu mutácií v špecifických génoch organizmov, ako sú napríklad kvasinky Saccharomyces cerevisiae.

Obohatené kultúry

Tieto štúdie sa uskutočňovali pomocou nespojitých systémov od konca 19. storočia s prácami Beijerincka a Vinogradského, zatiaľ čo v 60. rokoch minulého storočia sa začali vykonávať v kontinuálnych kultúrach pomocou chemostatu.

Tieto štúdie pozostávajú z obohatenia kultivačného média na zber rôznych typov mikróbov (baktérie všeobecne), používa sa tiež na stanovenie neprítomnosti určitých druhov alebo na zistenie prítomnosti niektorých, ktorých podiel je veľmi nízky alebo takmer nemožný pozorovať v médiu. prirodzené.

Obohatené kultúry v otvorených kontinuálnych systémoch (chemostaty) sa používajú aj na vývoj mutantných bakteriálnych kultúr, najmä auxotrofov alebo kultúr, ktoré sa môžu stať rezistentnými na lieky, ako sú antibiotiká.

Výroba etanolu

Z priemyselného hľadiska je používanie a výroba biopalív stále častejšie. V tomto prípade ide o výrobu etanolu z gramnegatívnej baktérie Zymomonas mobilis.

Pri tomto postupe sa používa niekoľko veľkých sériových chemostatov udržiavaných pri konštantných koncentráciách glukózy a iných cukrov, ktoré sa za anaeróbnych podmienok premieňajú na etanol.

Referencie

1. Chemostat: ideálny kontinuálny miešaný tankový reaktor. Získané z: biorreactores.tripod.
2. Chemostat. Obnovené z: en.wikipedia.org.
3. N. Ziv, NJ Brandt a D. Gresham (2013). Využitie chemostatov v biológii mikrobiálnych systémov. Žurnál vizualizovaných experimentov.
4. A. Novick a L. Szilard (1950). Opis chemostatu. Science.
5. J. Monod (1949). Rast bakteriálnych kultúr - Ročný prehľad mikrobiológie.
6. D. Gresham a J. Hong (2015). Funkčný základ adaptívneho vývoja v chemostatoch. Mikrobiologické recenzie FEMS.
7. HG Schlegel a HW Jannasch (1967). Obohatenie kultúr. Ročný prehľad o mikrobiológii.
8. J. Thierie (2016). Úvod do teórie viacfázových dispergovaných systémov. (eds) Springer Nature. 210 pp.