CHEESTAT: CARACTERISTICI, ISTORIC ȘI UTILIZĂRI - BIOLOGIE - 2025

Chemostat este un dispozitiv sau un aparat utilizat pentru cultivarea celulelor și microorganismelor. Este, de asemenea, numit bioreactor și are capacitatea de a reproduce experimental mediile acvatice, cum ar fi lacurile, sedimentarea sau iazurile de tratament, printre altele.

În general este descris ca un recipient (dimensiunea va depinde dacă utilizarea este industrială sau de laborator) cu o intrare astfel încât materialul steril să intre și o ieșire prin care să iasă materialul rezultat din proces, care sunt în general substanțe nutritive. deșeuri, materiale sterile, microorganisme, printre altele.

Diagrama unui chemostat. Preluat și editat din: CGraham2332.

A fost descoperit și prezentat independent și aproape simultan de oamenii de știință Jacques Monod, Aaron Novick și Leo Szilard în 1950. Monod a lucrat singur și l-a numit bactogen, în timp ce Novick și Szilard au lucrat împreună și l-au numit chemostat, nume care persistă până în zilele noastre. .

Caracteristici Chehestat

Chimiostatul se caracterizează prin adăugarea constantă a unui mediu care conține un singur nutrient care limitează creșterea și îndepărtează simultan o parte din cultură, cum ar fi producția în exces, metaboliții și alte substanțe. Această îndepărtare este înlocuită în mod constant cu material nou, obținând astfel un echilibru stabil.

În aceste condiții, viteza la care se dezvoltă cultura microorganismului este egală cu viteza la care este diluată. Acest lucru este esențial în comparație cu alte metode de cultivare, deoarece o stare stabilă poate fi atinsă într-un mediu constant și definit.

O altă caracteristică importantă este că, cu ajutorul chimostatului, operatorul poate controla variabile fizice, chimice și biologice, cum ar fi volumul indivizilor din cultură, oxigenul dizolvat, cantitatea de nutrienți, pH etc.

Principiul metodei

Metoda constă dintr-o populație de microorganisme care crește de la început într-un mod similar cu cea a culturilor discontinue sau în lot (cea mai simplă cultură lichidă). Atunci când populațiile cresc, este necesar să se retragă simultan un volum de cultură similar cu cel adăugat, indiferent dacă cultura retrasă a fost folosită sau nu.

În acest fel, în chemostat, o diluare este efectuată folosind adăugarea continuă de mediu proaspăt și eliminarea culturii, așa cum este descris în partea precedentă a alineatului. Un singur nutrient este responsabil pentru limitarea creșterii în recipient, în timp ce restul este prezent în exces.

Acest singur nutrient care limitează creșterea este predeterminat de persoana care dezvoltă experimentul, poate fi orice nutrient și, în multe cazuri, va depinde de specia din cultură.

Istorie

Culturile de microorganisme din loturi datează de secole (bere de bere și alte băuturi). Cu toate acestea, culturile continue sunt ceva relativ mai modern. Unii microbiologi atribuie începutul cultivării continue faimosului microbiolog rus Sergey Vinogradsky.

Vinogradski a studiat creșterea bacteriilor sulforeductive într-un dispozitiv de design propriu (coloana Vinogradski). În timpul studiilor sale, a alimentat picături de hidrogen sulfurat în coloană ca aliment pentru aceste bacterii.

Când vorbim despre cultivare continuă, este obligatoriu să vorbim de 3 personaje: Jacques Monod, Aaron Novick și Leo Szilard. Monod a fost un renumit biolog și câștigător al Premiului Nobel în 1965.

Acest cercetător (Monod), pe când făcea parte din Institutul Pasteur, a dezvoltat numeroase teste, calcule și analize între 1931 și 1950. În această perioadă a creat modelul matematic al creșterii microorganismelor care ulterior va fi numit ecuația Monod.

În 1950, pe baza ecuației care îi poartă numele, a proiectat un model de aparat care a permis o cultură a microorganismelor în mod continuu și l-a numit bactogen.

Pe de altă parte, oamenii de știință Novick (fizician) și Szilard (chimist) s-au întâlnit în timp ce lucrau la proiectul Manhattan (bomba atomică) în 1943; ani mai târziu aveau să înceapă să manifeste interes pentru creșterea bacteriilor și în 1947 s-au asociat pentru a lucra împreună și pentru a profita de acest lucru.

După mai multe teste și analize, Novick și Szilard, pe baza calculelor lui Monod (ecuația lui Monod), au conceput și în 1950 un model de cultură continuă a organismelor microscopice pe care le-au numit chemostat și este numele menținut până în prezent. . Dar toate cele trei sunt creditate cu invenția.

Aplicații

Biologie adaptivă și evoluție

Instrumentele oferite de acest sistem de cultură continuă a microorganismelor sunt folosite de ecologiști și evoluționisti pentru a studia modul în care rata de creștere afectează procesele celulare și metabolismul și cum controlează presiunea de selecție și expresia genelor.

Acest lucru este posibil prin evaluarea și menținerea a zeci până la sute de generații în chimiostat în condiții controlate.

Două chimiostate, utilizate în analiza toxicității amoniacului în drojdii. Preluat și editat din: (Imagine: Maitreya Dunham).

Biologie celulara

Practic, toate studiile legate de chemostat sunt legate de biologia celulelor, chiar moleculare, evolutive etc.

Cu toate acestea, în mod specific, utilizarea chemostatului pentru această ramură a biologiei oferă informații valoroase care permit dezvoltarea de modele matematice necesare înțelegerii proceselor metabolice în populația studiată.

Biologie moleculara

În ultimii 10 ani sau mai mulți, interesul pentru utilizarea chemostatului în analiza moleculară a genelor microbiene a crescut. Metoda de cultură facilitează obținerea de informații pentru analiza globală sau sistemică a culturilor de microorganisme.

Studiile Cheestat în acest domeniu permit analiza transcrierii ADN-ului pe întregul genom, precum și cuantificarea exprimării genelor sau identificarea mutațiilor din genele specifice ale organismelor, cum ar fi drojdia Saccharomyces cerevisiae, de exemplu.

Culturi îmbogățite

Aceste studii au fost realizate folosind sisteme discontinue de la sfârșitul secolului al XIX-lea cu lucrările lui Beijerinck și Vinogradski, în timp ce în anii 60 ai secolului trecut au început să fie realizate în culturi continue, utilizând chemostatul.

Aceste studii constau în îmbogățirea mediilor de cultură pentru a recolta diferite tipuri de microbi (bacterii în general), este de asemenea utilizat pentru a determina absența anumitor specii sau pentru a detecta prezența unora a căror proporție este foarte mică sau aproape imposibil de observat în mediu. natural.

Culturile îmbogățite în sisteme continue deschise (chemostate) sunt, de asemenea, utilizate pentru a dezvolta culturi de bacterii mutante, în principal auxotrofe sau cele care pot deveni rezistente la medicamente precum antibiotice.

Producția de etanol

Din punct de vedere industrial, utilizarea și producția de biocombustibili sunt din ce în ce mai frecvente. În acest caz, este producția de etanol din bacteria Gram negativ Zymomonas mobilis.

În procedeu, sunt utilizate mai multe chemostate seriale mari, menținute la concentrații constante de glucoză și alte zaharuri, pentru a fi transformate în etanol în condiții anaerobe.

Referințe

1. Cheestatul: reactorul ideal al rezervorului cu agitare continuă. Recuperat din: biorreactores.tripod.
2. Chemostat. Recuperat de la: en.wikipedia.org.
3. N. Ziv, NJ Brandt și D. Gresham (2013). Utilizarea Cheestatelor în Biologia sistemelor microbiene. Jurnal de experimente vizualizate.
4. A. Novick & L. Szilard (1950). Descrierea chemostatului. Ştiinţă.
5. J. Monod (1949). Creșterea culturilor bacterieneRevista anuală a microbiologiei.
6. D. Gresham & J. Hong (2015). Baza funcțională a evoluției adaptive în chimiostate. FEMS recenzii de microbiologie.
7. HG Schlegel, & HW Jannasch (1967). Culturi de îmbogățire Revizuirea anuală a microbiologiei.
8. J. Thierie (2016). Introducere în teoria sistemelor dispersate polifazice. (eds) Springer Nature. 210 pp.