CHEMOSTAT: KENMERKEN, GESCHIEDENIS EN TOEPASSINGEN - BIOLOGIE - 2025

De chemostaat is een apparaat of apparaat dat wordt gebruikt voor het kweken van cellen en micro-organismen. Het wordt ook wel een bioreactor genoemd en heeft het vermogen om op experimentele wijze aquatische omgevingen te reproduceren, zoals meren, sedimentatie- of behandelingsvijvers, onder andere.

Het wordt over het algemeen beschreven als een container (de grootte hangt af van het feit of het gebruik industrieel of laboratorium is) met een inlaat zodat steriel materiaal binnenkomt en een uitlaat waardoor het materiaal dat het resultaat is van het proces zal worden verlaten, wat over het algemeen voedingsstoffen zijn. afval, steriel materiaal, micro-organismen onder anderen.

Diagram van een chemostaat. Genomen en bewerkt vanuit: CGraham2332.

Het werd in 1950 onafhankelijk en bijna gelijktijdig ontdekt en gepresenteerd door wetenschappers Jacques Monod, Aaron Novick en Leo Szilard. Monod werkte alleen en noemde het een bactogeen, terwijl Novick en Szilard samen werkten en het een chemostat noemden, een naam die tot op de dag van vandaag voortduurt. .

Chemostat-functies

De chemostat wordt gekenmerkt door de constante toevoeging van een medium met een enkele voedingsstof die de groei beperkt en tegelijkertijd een deel van de cultuur verwijdert, zoals overproductie, metabolieten en andere stoffen. Deze verwijdering wordt constant vervangen door nieuw materiaal, waardoor een stabiel evenwicht wordt bereikt.

Onder deze omstandigheden is de snelheid waarmee de kweek van micro-organismen zich ontwikkelt gelijk aan de snelheid waarmee deze wordt verdund. Dit is de sleutel in vergelijking met andere teeltmethoden, omdat een stabiele toestand kan worden bereikt in een constante en gedefinieerde omgeving.

Een ander belangrijk kenmerk is dat de operator met de chemostat fysische, chemische en biologische variabelen kan regelen, zoals het aantal individuen in de kweek, opgeloste zuurstof, hoeveelheid voedingsstoffen, pH, enz.

Methode principe

De methode bestaat uit een populatie van micro-organismen die vanaf het begin groeit op dezelfde manier als die van discontinue of batchculturen (de eenvoudigste vloeibare cultuur). Wanneer populaties groeien, is het noodzakelijk om tegelijkertijd een volume kweek te onttrekken dat vergelijkbaar is met het toegevoegde volume, ongeacht of de onttrokken kweek is gebruikt of niet.

Op deze manier wordt in de chemostaat een verdunning uitgevoerd door continue toevoeging van vers medium en eliminatie van de kweek zoals gedeeltelijk beschreven in de vorige paragraaf. Een enkele voedingsstof is verantwoordelijk voor het beperken van de groei in de container, terwijl de rest in overmaat aanwezig is.

Deze enkele groeiremmende voedingsstof wordt vooraf bepaald door de persoon die het experiment ontwikkelt, het kan elke voedingsstof zijn en in veel gevallen zal het afhangen van de soort in de cultuur.

Geschiedenis

Batchculturen van micro-organismen gaan eeuwen terug (brouwen van bier en andere dranken). Continu teelten is echter iets relatief moderner. Sommige microbiologen schrijven het begin van continue teelt toe aan de beroemde Russische microbioloog Sergey Vinogradsky.

Vinogradski bestudeerde de groei van sulforeductieve bacteriën in een apparaat van zijn eigen ontwerp (Vinogradski-kolom). Tijdens zijn studie voerde hij druppels waterstofsulfide aan de kolom als voedsel voor deze bacteriën.

Bij continue teelt is het verplicht om over 3 karakters te spreken: Jacques Monod, Aaron Novick en Leo Szilard. Monod was een gerenommeerd bioloog en winnaar van de Nobelprijs in 1965.

Deze onderzoeker (Monod), die deel uitmaakte van het Pasteur Instituut, ontwikkelde tussen 1931 en 1950 vele tests, berekeningen en analyses. Gedurende deze tijd creëerde hij het wiskundige model van de groei van micro-organismen dat later de Monod-vergelijking zou worden genoemd.

In 1950 ontwierp hij, op basis van de vergelijking die zijn naam draagt, een apparaatmodel dat een continue cultuur van micro-organismen mogelijk maakte en noemde het een bactogeen.

Aan de andere kant ontmoetten de wetenschappers Novick (natuurkundige) en Szilard (chemicus) elkaar tijdens het werken aan het Manhattan-project (de atoombom) in 1943; jaren later begonnen ze interesse te tonen in bacteriegroei en in 1947 werkten ze samen om samen te werken en hiervan te profiteren.

Na meerdere tests en analyses bedachten Novick en Szilard, gebaseerd op de berekeningen van Monod (de vergelijking van Monod), in 1950 ook een model van continue kweek van microscopisch kleine organismen dat ze chemostat noemden, en het is de naam die tot op heden is gehandhaafd. . Maar alle drie worden de uitvinding toegeschreven.

Toepassingen

Adaptieve biologie en evolutie

De tools die dit systeem van continue micro-organisme cultuur biedt, worden gebruikt door ecologen en evolutionisten om te bestuderen hoe de groeisnelheid cellulaire processen en metabolisme beïnvloedt, en hoe het de selectiedruk en genexpressie regelt.

Dit wordt mogelijk gemaakt door het evalueren en behouden van tientallen tot honderden generaties in de chemostaat onder gecontroleerde omstandigheden.

Twee chemostatica, gebruikt bij de analyse van ammoniumtoxiciteit in gisten. Genomen en bewerkt uit: (Afbeelding: Maitreya Dunham).

Cellenbiologie

Vrijwel alle studies met betrekking tot de chemostat zijn gerelateerd aan celbiologie, zelfs moleculair, evolutionair, enz.

Specifiek levert het gebruik van de chemostat voor deze tak van de biologie echter waardevolle informatie op die de ontwikkeling van wiskundige modellen mogelijk maakt die nodig zijn om de metabolische processen in de onderzoekspopulatie te begrijpen.

Moleculaire biologie

In de afgelopen 10 jaar of meer is de belangstelling voor het gebruik van chemostat bij moleculaire analyse van microbiële genen toegenomen. De kweekmethode vergemakkelijkt het verkrijgen van informatie voor uitgebreide of systemische analyse van culturen van micro-organismen.

Chemostatstudies op dit gebied maken DNA-transcriptieanalyse door het hele genoom mogelijk, evenals het kwantificeren van genexpressie of het identificeren van mutaties in specifieke genen van organismen zoals bijvoorbeeld de gist Saccharomyces cerevisiae.

Verrijkte culturen

Deze onderzoeken worden sinds het einde van de 19e eeuw uitgevoerd met discontinue systemen met de werken van Beijerinck en Vinogradski, terwijl ze in de jaren 60 van de vorige eeuw begonnen te worden uitgevoerd in continue culturen met behulp van de chemostaat.

Deze studies bestaan ​​uit het verrijken van kweekmedia om verschillende soorten microben te oogsten (bacteriën in het algemeen), het wordt ook gebruikt om de afwezigheid van bepaalde soorten te bepalen of om de aanwezigheid te detecteren van sommige waarvan het aandeel erg laag of bijna onmogelijk is om waar te nemen in het medium. natuurlijk.

Verrijkte culturen in open continue systemen (chemostatica) worden ook gebruikt om mutante bacterieculturen te ontwikkelen, voornamelijk auxotrofen of culturen die resistent kunnen worden tegen medicijnen zoals antibiotica.

Ethanol productie

Vanuit industrieel oogpunt komt het gebruik en de productie van biobrandstoffen steeds vaker voor. In dit geval is het de productie van ethanol uit de gramnegatieve bacterie Zymomonas mobilis.

In het proces worden verschillende grote seriële chemostaten gebruikt, die op constante concentraties glucose en andere suikers worden gehouden, om onder anaërobe omstandigheden in ethanol te worden omgezet.

Referenties

1. De Chemostat: de ideale continu geroerde tankreactor. Hersteld van: biorreactores.tripod.
2. Chemostat. Hersteld van: en.wikipedia.org.
3. N. Ziv, NJ Brandt en D. Gresham (2013). Het gebruik van chemostaten in microbiële systeembiologie. Journal of gevisualiseerde experimenten.
4. A. Novick & L. Szilard (1950). Beschrijving van de chemostat. Wetenschap.
5. J. Monod (1949). De groei van bacteriële culturen Jaarlijks overzicht van de microbiologie.
6. D. Gresham & J. Hong (2015). De functionele basis van adaptieve evolutie in chemostaten. FEMS microbiologie beoordelingen.
7. HG Schlegel en HW Jannasch (1967). Verrijkingsculturen. Jaaroverzicht van microbiologie.
8. J. Thierie (2016). Inleiding tot de theorie van polyfasische verspreide systemen. (eds) Springer Nature. 210 pagina's