CHEMOSTAT: CHARAKTERISTIKA, HISTORIE A POUŽITÍ - BIOLOGIE - 2025

Chemostat je zařízení, nebo zařízení použité pro kultivaci buněk a mikroorganizmů. Také se nazývá bioreaktor a má schopnost experimentálně reprodukovat mimo jiné vodní prostředí, jako jsou jezera, sedimentace nebo rybníky.

Obecně se popisuje jako nádoba (velikost bude záviset na tom, zda je použití průmyslové nebo laboratorní) se vstupem, takže vstupuje sterilní materiál, a výstupem, skrz který materiál, který je výsledkem procesu, vystoupí, což jsou obvykle živiny. Odpad, sterilní materiál, mikroorganismy mimo jiné.

Schéma chemostatu. Převzato a upraveno z: CGraham2332.

Byl objeven a prezentován samostatně a téměř současně vědci Jacquesem Monodem, Aaronem Novickem a Leo Szilardem v roce 1950. Monod pracoval sám a nazýval ho bactogenem, zatímco Novick a Szilard pracovali společně a nazývali jej chemostatem, což je název, který trvá dodnes..

Vlastnosti chemostatu

Chemostat je charakterizován neustálým přidáváním média obsahujícího jednu živinu, která omezuje růst a současně odstraňuje část kultury, jako je nadměrná produkce, metabolity a další látky. Toto odstranění je neustále nahrazováno novým materiálem, čímž se dosáhne stabilní rovnováhy.

Za těchto podmínek je rychlost, při které se vyvíjí kultura mikroorganismů, stejná jako rychlost, při které je zředěna. To je klíčové ve srovnání s jinými kultivačními metodami, protože stabilního stavu lze dosáhnout v konstantním a definovaném prostředí.

Další důležitou charakteristikou je, že s chemostatem může operátor řídit fyzikální, chemické a biologické proměnné, jako je objem jednotlivců v kultuře, rozpuštěný kyslík, množství živin, pH atd.

Princip metody

Metoda sestává z populace mikroorganismů, která roste od začátku podobným způsobem jako u diskontinuálních nebo dávkových kultur (nejjednodušší kapalná kultura). Když populace roste, je nutné současně odebrat objem kultury podobné tomu přidanému, ať už byla nebo nebyla použita.

Tímto způsobem je v chemostatu ředění prováděno pomocí nepřetržitého přidávání čerstvého média a eliminace kultury, jak je popsáno v části v předchozím odstavci. Jedna živina je zodpovědná za omezení růstu v nádobě, zatímco zbytek je nadbytek.

Tato jediná živina omezující růst je předurčena osobou vyvíjející experiment, může to být jakákoli živina a v mnoha případech to bude záviset na druhu v kultuře.

Dějiny

Dávkové kultury mikroorganismů sahají do staletí (vaření piva a jiných nápojů). Kontinuální plodiny jsou však něco relativně modernějšího. Někteří mikrobiologové připisují začátky kontinuální kultivace slavnému ruskému mikrobiologovi Sergeju Vinogradskému.

Vinogradski studoval růst sulforeduktivních bakterií v zařízení podle vlastního návrhu (sloupec Vinogradski). Během studií přidával do kolony kapky sirovodíku jako potravu pro tyto bakterie.

Když mluvíme o nepřetržité kultivaci, je nutné hovořit o 3 postavách: Jacques Monod, Aaron Novick a Leo Szilard. Monod byl renomovaným biologem a vítězem Nobelovy ceny v roce 1965.

Tento vědec (Monod), zatímco on byl část Pasteur institutu, vyvinul mnoho testů, výpočty a analýzy mezi 1931 a 1950. Během této doby on vytvořil matematický model růstu mikroorganismů, který by později byl nazýván Monod rovnicí.

V roce 1950, na základě rovnice, která nese jeho jméno, navrhl model aparátu, který umožňoval nepřetržitou kultivaci mikroorganismů a označoval ji za bactogen.

Na druhé straně se vědci Novick (fyzik) a Szilard (chemik) setkali při práci na projektu Manhattan (atomová bomba) v roce 1943; O několik let později začali projevovat zájem o bakteriální růst a v roce 1947 se společně spojili a využili toho.

Po několika testech a analýzách Novick a Szilard, na základě Monodových výpočtů (Monodova rovnice), také v roce 1950 vymysleli model kontinuální kultury mikroskopických organismů, které nazývali chemostatem, a je to jméno, které se dodnes udržuje.. Ale všem třem je připisován vynález.

Aplikace

Adaptivní biologie a evoluce

Nástroje nabízené tímto systémem kontinuální kultury mikroorganismů používají ekologové a evolucionisté ke studiu toho, jak rychlost růstu ovlivňuje buněčné procesy a metabolismus a jak řídí selekční tlak a expresi genů.

Umožňují to po vyhodnocení a udržování desítek až stovek generací v chemostatu za kontrolovaných podmínek.

Dva chemostaty, používané při analýze toxicity amonia u kvasinek. Převzato a upraveno z: (Obrázek: Maitreya Dunham).

Buněčná biologie

Prakticky všechny studie související s chemostatem souvisejí s buněčnou biologií, dokonce molekulární, evoluční atd.

Konkrétně však použití chemostatu pro toto odvětví biologie poskytuje cenné informace, které umožňují vývoj matematických modelů nezbytných k pochopení metabolických procesů ve studované populaci.

Molekulární biologie

V posledních 10 nebo více letech vzrostl zájem o použití chemostatu v molekulární analýze mikrobiálních genů. Kultivační metoda usnadňuje získávání informací pro komplexní nebo systémovou analýzu kultur mikroorganismů.

Chemostatické studie v této oblasti umožňují analýzu transkripce DNA v celém genomu, jakož i kvantifikaci genové exprese nebo identifikaci mutací ve specifických genech organismů, jako je například kvasinka Saccharomyces cerevisiae.

Obohatené kultury

Tyto studie byly prováděny pomocí nespojitých systémů od konce 19. století s prací Beijerincka a Vinogradského, zatímco v 60. letech minulého století se začaly provádět v kontinuálních kulturách s použitím chemostatu.

Tyto studie sestávají z obohacení kultivačního média pro sběr různých typů mikrobů (bakterií obecně), používá se také ke stanovení nepřítomnosti určitých druhů nebo k detekci přítomnosti některých, jejichž podíl je velmi nízký nebo téměř nemožný pozorovat v médiu. přírodní.

Obohacené kultury v otevřených kontinuálních systémech (chemostaty) se také používají k vývoji mutantních bakteriálních kultur, zejména auxotrofů nebo kultur, které se mohou stát rezistentními vůči lékům, jako jsou antibiotika.

Výroba etanolu

Z průmyslového hlediska je používání a výroba biopaliv stále častější. V tomto případě jde o produkci ethanolu z gramnegativní bakterie Zymomonas mobilis.

Při tomto postupu se používá několik velkých sériových chemostatů udržovaných v konstantních koncentracích glukózy a jiných cukrů, které se za anaerobních podmínek převádějí na ethanol.

Reference

1. Chemostat: ideální kontinuální míchaný tankový reaktor. Obnoveno z: biorreactores.tripod.
2. Chemostat. Obnoveno z: en.wikipedia.org.
3. N. Ziv, NJ Brandt a D. Gresham (2013). Využití chemostatů v biologii mikrobiálních systémů. Žurnál vizualizovaných experimentů.
4. A. Novick a L. Szilard (1950). Popis chemostatu. Věda.
5. J. Monod (1949). Růst bakteriálních kultur - roční přehled mikrobiologie.
6. D. Gresham a J. Hong (2015). Funkční základ adaptivní evoluce v chemostatech. Mikrobiologické recenze FEMS.
7. HG Schlegel a HW Jannasch (1967). Obohatit kultury. Roční přehled mikrobiologie.
8. J. Thierie (2016). Úvod do teorie vícefázových dispergovaných systémů. (eds) Springer Nature. 210 pp.