KJEMOSTAT: KJENNETEGN, HISTORIE OG BRUKSOMRÅDER - BIOLOGI - 2026

Den kjemostat er en innretning eller apparat som brukes for dyrking av celler og mikroorganismer. Det kalles også en bioreaktor og har evnen til å reprodusere vannmiljøer som vann, sedimentasjon eller behandlingsdammer eksperimentelt.

Det blir generelt beskrevet som en beholder (størrelsen vil avhenge av om bruken er industriell eller laboratorie) med et innløp slik at sterilt materiale kommer inn, og et utløp gjennom hvilket materialet som blir resultatet fra prosessen vil gå ut, som vanligvis er næringsstoffer. avfall, sterilt materiale, mikroorganismer blant andre.

Diagram over en kjemostat. Tatt og redigert fra: CGraham2332.

Det ble oppdaget og presentert uavhengig og nesten samtidig av forskere Jacques Monod, Aaron Novick og Leo Szilard i 1950. Monod jobbet alene og kalte det en baktogen, mens Novick og Szilard jobbet sammen og kalte det en kjemostat, et navn som vedvarer frem til i dag. .

Kjemostatfunksjoner

Kjemostat kjennetegnes ved konstant tilsetning av et medium som inneholder et enkelt næringsstoff som begrenser vekst og samtidig fjerner en del av kulturen, for eksempel overflødig produksjon, metabolitter og andre stoffer. Denne fjerningen erstattes stadig med nytt materiale, og oppnår dermed en stabil balanse.

Under disse forholdene er hastigheten som mikroorganismekulturen utvikler lik den hastigheten som den fortynnes med. Dette er nøkkelen sammenlignet med andre dyrkingsmetoder, da en stabil tilstand kan nås i et konstant og definert miljø.

Et annet viktig trekk er at operatøren med kemostat kan kontrollere fysiske, kjemiske og biologiske variabler som volum av individer i kulturen, oppløst oksygen, mengde næringsstoffer, pH osv.

Metodeprinsipp

Metoden består av en populasjon av mikroorganismer som vokser fra begynnelsen på en lignende måte som for diskontinuerlige eller gruppekulturer (den enkleste flytende kultur). Når populasjoner vokser er det nødvendig å trekke tilbake et volum kultur som ligner på det som er lagt til, enten den tilbaketrukne kulturen har blitt brukt eller ikke.

På denne måten utføres en fortynning i kjemostat ved bruk av kontinuerlig tilsetning av friskt medium og eliminering av kulturen som beskrevet delvis i forrige avsnitt. Et enkelt næringsstoff er ansvarlig for å begrense veksten i beholderen mens resten er til stede i overkant.

Dette eneste vekstbegrensende næringsstoffet er forhåndsbestemt av personen som utvikler eksperimentet, det kan være et hvilket som helst næringsstoff og i mange tilfeller vil det avhenge av arten i kulturen.

Historie

Batchkulturer av mikroorganismer dateres århundrer tilbake (brygging av øl og andre drikkevarer). Imidlertid er kontinuerlige avlinger noe relativt mer moderne. Noen mikrobiologer tilskriver begynnelsen av kontinuerlig dyrking til den berømte russiske mikrobiologen Sergey Vinogradsky.

Vinogradski studerte veksten av sulforeduktive bakterier i en enhet etter eget design (Vinogradski-kolonnen). Under studiene matet han dråper hydrogensulfid til kolonnen som mat for disse bakteriene.

Når vi snakker om kontinuerlig dyrking er det obligatorisk å snakke om 3 karakterer: Jacques Monod, Aaron Novick og Leo Szilard. Monod var en kjent biolog og vinner av Nobelprisen i 1965.

Denne forskeren (Monod) utviklet mange tester, beregninger og analyser mellom 1931 og 1950, mens han var en del av Pasteur Institute. I løpet av denne tiden skapte han den matematiske modellen for vekst av mikroorganisme som senere skulle bli kalt Monod Equation.

I 1950, basert på ligningen som bærer hans navn, designet han en modell av apparater som tillot en kultur av mikroorganismer kontinuerlig og kalte den en baktogen.

På den annen side møttes forskerne Novick (fysiker) og Szilard (kjemiker) mens de arbeidet med Manhattan-prosjektet (atombomben) i 1943; år senere begynte de å vise interesse for bakterievekst, og i 1947 gikk de sammen for å samarbeide og dra nytte av dette.

Etter flere tester og analyser, utviklet Novick og Szilard, basert på Monods beregninger (Monods ligning), også i 1950 en modell for kontinuerlig kultur av mikroskopiske organismer som de kalte chemostat, og det er navnet som har blitt opprettholdt til dags dato. . Men alle tre får godkjent oppfinnelsen.

applikasjoner

Adaptiv biologi og evolusjon

Verktøyene som tilbys av dette systemet med kontinuerlig mikroorganismekultur, brukes av økologer og evolusjonister for å studere hvordan veksthastigheten påvirker cellulære prosesser og metabolisme, og hvordan den kontrollerer seleksjonstrykk og genuttrykk.

De gjør dette mulig etter å ha evaluert og opprettholdt titalls til hundrevis av generasjoner i cellegift under kontrollerte forhold.

To kjemostater, brukt i analysen av ammoniumtoksisitet i gjær. Tatt og redigert fra: (Bilde: Maitreya Dunham).

Cellebiologi

Praktisk talt alle studier relatert til cellegiften er relatert til cellebiologi, til og med molekylær, evolusjonær, etc.

Spesifikt gir imidlertid bruken av kjemostaten for denne grenen av biologi verdifull informasjon som gjør det mulig å utvikle matematiske modeller som er nødvendige for å forstå de metabolske prosessene i studiepopulasjonen.

Molekylbiologi

I løpet av de siste 10 årene eller mer har interessen for bruk av kjemostat i molekylæranalyse av mikrobielle gener vokst. Kulturmetoden muliggjør innhenting av informasjon for omfattende eller systemisk analyse av mikroorganismekulturer.

Kjemostatstudier på dette feltet tillater DNA-transkripsjonsanalyse i hele genomet, i tillegg til å kvantifisere genuttrykk eller identifisere mutasjoner i spesifikke gener av organismer som for eksempel gjæren Saccharomyces cerevisiae.

Berikede kulturer

Disse studiene har blitt utført ved bruk av diskontinuerlige systemer siden slutten av 1800-tallet med arbeid fra Beijerinck og Vinogradski, mens de på 60-tallet av forrige århundre begynte å bli utført i kontinuerlige kulturer ved bruk av kjemostat.

Disse studiene består av berikende kulturmedier for å høste forskjellige typer mikrober (bakterier generelt), den brukes også til å bestemme fraværet av visse arter eller oppdage tilstedeværelsen av noen hvis andel er veldig lav eller nesten umulig å observere i mediet. naturlig.

Berikede kulturer i åpne kontinuerlige systemer (kjemostater) brukes også til å utvikle mutante bakteriekulturer, hovedsakelig auxotrophs eller de som kan bli resistente mot medisiner som antibiotika.

Etanolproduksjon

Fra et industrielt synspunkt er bruk og produksjon av biodrivstoff stadig mer vanlig. I dette tilfellet er det produksjonen av etanol fra den Gram-negative bakterien Zymomonas mobilis.

I prosessen brukes flere store serielle kjemostater, opprettholdt ved konstante konsentrasjoner av glukose og andre sukkerarter, for å bli omdannet til etanol under anaerobe forhold.

referanser

1. Chemostat: den ideelle reaktoren med kontinuerlig omrøring. Gjenopprettet fra: biorreactores.tripod.
2. Kjemostaten. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org.
3. N. Ziv, NJ Brandt, & D. Gresham (2013). Bruken av kjemostater i mikrobiell systembiologi. Journal of visualiserte eksperimenter.
4. A. Novick & L. Szilard (1950). Beskrivelse av kjemostat. Vitenskap.
5. J. Monod (1949). Veksten av bakteriekulturer Årlig gjennomgang av mikrobiologi.
6. D. Gresham & J. Hong (2015). Det funksjonelle grunnlaget for adaptiv evolusjon i kjemostater. FEMS mikrobiologi anmeldelser.
7. HG Schlegel, & HW Jannasch (1967). Berikelseskulturer. Årlig gjennomgang av mikrobiologi.
8. J. Thierie (2016). Introduksjon til flerfaset spredt systemteori. (eds) Springer Nature. 210 pp.