CHEMOSTAT: EGENSKAPER, HISTORIA OCH ANVÄNDNINGSOMRÅDEN - BIOLOGI - 2025

Den kemostat är en anordning eller apparat som används för odling av celler och mikroorganismer. Det kallas också en bioreaktor och har förmågan att reproducera vattenmiljöer, exempelvis sjöar, sedimentation eller behandlingsdammar.

Det beskrivs generellt som en behållare (storleken beror på om användningen är industriell eller laboratorie) med ett inlopp så att sterilt material kommer in, och ett utlopp genom vilket materialet som kommer från processen kommer att gå ut, vilket i allmänhet är näringsämnen. avfall, sterilt material, mikroorganismer bland andra.

Diagram över en kemostat. Hämtad och redigerad från: CGraham2332.

Det upptäcktes och presenterades oberoende och nästan samtidigt av forskarna Jacques Monod, Aaron Novick och Leo Szilard 1950. Monod arbetade ensamma och kallade det en baktogen, medan Novick och Szilard arbetade tillsammans och kallade det en kemostat, ett namn som kvarstår till denna dag. .

Chemostat funktioner

Chemostat kännetecknas av konstant tillsats av ett medium som innehåller ett enda näringsämne som begränsar tillväxten och samtidigt tar bort en del av kulturen, såsom överskottproduktion, metaboliter och andra ämnen. Detta avlägsnande ersätts ständigt av nytt material, vilket ger en stabil balans.

Under dessa förhållanden är hastigheten med vilken mikroorganismkulturen utvecklas lika med den hastighet med vilken den utspäds. Detta är viktigt jämfört med andra odlingsmetoder, eftersom ett stabilt tillstånd kan uppnås i en konstant och definierad miljö.

Ett annat viktigt kännetecken är att operatören med kemostat kan kontrollera fysiska, kemiska och biologiska variabler som volym av individer i kulturen, upplöst syre, mängd näringsämnen, pH etc.

Metodprincip

Metoden består av en population av mikroorganismer som växer från början på liknande sätt som hos diskontinuerliga eller satsvisa kulturer (den enklaste flytande kulturen). När populationerna växer är det nödvändigt att samtidigt dra tillbaka en volym kultur som liknar den tillagda, oavsett om den tillbakadragna kulturen har använts eller inte.

På detta sätt utförs en spädning i kemostat med kontinuerlig tillsats av färskt medium och eliminering av kulturen såsom delvis beskrivits i föregående stycke. Ett enda näringsämne ansvarar för att begränsa tillväxten i behållaren medan resten finns i överflöd.

Detta enda tillväxtbegränsande näringsämne är förutbestämt av personen som utvecklar experimentet, det kan vara vilket näringsämne som helst och i många fall beror det på arten i kulturen.

Historia

Batchkulturer av mikroorganismer går tillbaka i århundraden (bryggning av öl och andra drycker). Men kontinuerliga grödor är något relativt modernare. Vissa mikrobiologer tillskriver början av kontinuerlig odling till den berömda ryska mikrobiologen Sergey Vinogradsky.

Vinogradski studerade tillväxten av sulforeduktiva bakterier i en enhet av sin egen design (Vinogradski-kolumnen). Under sina studier matade han droppar vätesulfid i kolonnen som mat för dessa bakterier.

När man talar om kontinuerlig odling är det obligatoriskt att tala om tre karaktärer: Jacques Monod, Aaron Novick och Leo Szilard. Monod var en känd biolog och vinnare av Nobelpriset 1965.

Denna forskare (Monod) utvecklade många tester, beräkningar och analyser, medan han var en del av Pasteur Institute, mellan 1931 och 1950. Under denna tid skapade han den matematiska modellen för mikroorganismtillväxt som senare skulle kallas Monod Equation.

1950, baserat på ekvationen som bär hans namn, designade han en modell av apparater som tillät en kultur av mikroorganismer kontinuerligt och kallade den en baktogen.

Å andra sidan träffades forskarna Novick (fysiker) och Szilard (kemist) när de arbetade på Manhattan-projektet (atombomben) 1943; år senare började de visa intresse för bakterietillväxt och 1947 samarbetade de för att arbeta tillsammans och dra nytta av detta.

Efter flera tester och analyser utvecklade Novick och Szilard, baserat på Monods beräkningar (Monods ekvation), också 1950 en modell för kontinuerlig kultur av mikroskopiska organismer som de kallade kemostat, och det är namnet som har hållits hittills. . Men alla tre krediteras uppfinningen.

tillämpningar

Adaptiv biologi och utveckling

Verktygen som erbjuds av detta system för kontinuerlig mikroorganismkultur används av ekologer och evolutionister för att studera hur tillväxthastigheten påverkar cellulära processer och metabolism, och hur det styr selektionstryck och genuttryck.

Detta möjliggörs genom att utvärdera och upprätthålla tiotals till hundratals generationer i kemostat under kontrollerade förhållanden.

Två kemostater som används i analysen av ammoniumtoxicitet i jäst. Hämtad och redigerad från: (Bild: Maitreya Dunham).

Cellbiologi

Praktiskt taget alla studier relaterade till kemostat är relaterade till cellbiologi, till och med molekylär, evolutionär, etc.

Men specifikt ger användningen av kemostat för denna gren av biologi värdefull information som möjliggör utveckling av matematiska modeller som är nödvändiga för att förstå de metaboliska processerna i studiepopulationen.

Molekylärbiologi

Under de senaste tio eller fler åren har intresset för användning av kemostat i molekylanalys av mikrobiella gener ökat. Odlingsmetoden underlättar att få information för omfattande eller systemisk analys av mikroorganismkulturer.

Kemostatstudier inom detta område möjliggör DNA-transkriptionsanalys genom genomet, såväl som kvantifiering av genuttryck eller identifiering av mutationer i specifika gener av organismer såsom jäst Saccharomyces cerevisiae, till exempel.

Berikade kulturer

Dessa studier har utförts med användning av diskontinuerliga system sedan slutet av 1800-talet med verk av Beijerinck och Vinogradski, medan de på 60-talet av förra seklet började genomföras i kontinuerliga kulturer med kemostat.

Dessa studier består av berikande odlingsmedier för att skörda olika typer av mikrober (bakterier i allmänhet), det används också för att bestämma frånvaron av vissa arter eller upptäcka närvaron av vissa vars andel är mycket låg eller nästan omöjligt att observera i mediet. naturlig.

Berikade kulturer i öppna kontinuerliga system (kemostater) används också för att utveckla mutanta bakteriekulturer, främst auxotrofer eller sådana som kan bli resistenta mot läkemedel som antibiotika.

Etanolproduktion

Ur industriell synvinkel är användning och produktion av biobränslen allt vanligare. I detta fall är det produktion av etanol från den Gram-negativa bakterien Zymomonas mobilis.

I processen används flera stora seriella kemostater som hålls vid konstant koncentration av glukos och andra socker för att omvandlas till etanol under anaeroba förhållanden.

referenser

1. Chemostat: den ideala kontinuerliga omrörda tankreaktorn. Återställd från: biorreactores.tripod.
2. Kemostat. Återställd från: en.wikipedia.org.
3. N. Ziv, NJ Brandt, & D. Gresham (2013). Användning av kemostater i mikrobiell systembiologi. Journal av visualiserade experiment.
4. A. Novick & L. Szilard (1950). Beskrivning av kemostat. Vetenskap.
5. J. Monod (1949). Tillväxten av bakteriekulturerAnnual Review of Microbiology.
6. D. Gresham & J. Hong (2015). Den funktionella grunden för adaptiv utveckling i kemostater. FEMS mikrobiologi recensioner.
7. HG Schlegel, & HW Jannasch (1967). Anrikningskulturer. Årlig översyn av mikrobiologi.
8. J. Thierie (2016). Introduktion till flerfasad spridd systemteori. (eds) Springer Nature. 210 sid.