KEMOSTAATTI: OMINAISUUDET, HISTORIA JA KÄYTÖT - BIOLOGIA - 2026

Kemostaatissa on laite tai laite, jota käytetään solujen viljelyyn ja mikro-organismeja. Sitä kutsutaan myös bioreaktoriksi ja sillä on kyky toistaa kokeellisesti muun muassa vesiympäristöjä, kuten järviä, sedimentaatio- tai käsittelyaloja.

Sitä kuvataan yleensä säiliönä (koko riippuu siitä, onko käyttö teollista vai laboratoriota), jossa on sisääntulo siten, että steriili materiaali tulee, ja poistoaukko, jonka kautta prosessissa syntyvä materiaali poistuu, jotka ovat yleensä ravinteita. jätteet, steriili materiaali, mikro-organismit muun muassa.

Kaavio kemostaatista. Otettu ja muokattu julkaisusta: CGraham2332.

Tutkijat Jacques Monod, Aaron Novick ja Leo Szilard löysivät sen ja esittelivät sen itsenäisesti ja melkein samanaikaisesti vuonna 1950. Monod työskenteli yksin ja kutsui sitä bakteeriksi, kun taas Novick ja Szilard työskentelivät yhdessä ja kutsuivat sitä kemostaatiksi, nimellä, joka jatkuu edelleen..

Kemostaatin ominaisuudet

Kemostaattiin on ominaista jatkuvasti lisäämällä väliainetta, joka sisältää yhtä ravintoainetta, joka rajoittaa kasvua ja samanaikaisesti poistaa osan viljelmästä, kuten ylimääräinen tuotanto, metaboliitit ja muut aineet. Tämä poisto korvataan jatkuvasti uudella materiaalilla, jolloin saavutetaan vakaa tasapaino.

Näissä olosuhteissa mikro-organismiviljelmän kehitysnopeus on yhtä suuri kuin nopeus, jolla se laimennetaan. Tämä on avain verrattuna muihin viljelymenetelmiin, koska vakaa tila voidaan saavuttaa vakiona ja määritellyssä ympäristössä.

Toinen tärkeä ominaisuus on, että kemostaatin avulla käyttäjä voi hallita fysikaalisia, kemiallisia ja biologisia muuttujia, kuten viljelmässä olevien yksilöiden määrää, liuenneen hapen määrää, ravinteiden määrää, pH: ta jne.

Menetelmän periaate

Menetelmä koostuu mikro-organismipopulaatiosta, joka kasvaa alusta alkaen samalla tavalla kuin epäjatkuvien tai eräviljelmien (yksinkertaisin nestemäinen viljelmä) kanssa. Kun populaatiot kasvavat, on välttämätöntä poistaa samanaikaisesti lisättyä viljelmää vastaava määrä viljelmää, onko poistettu viljelmä käytetty vai ei.

Tällä tavalla kemostatissa laimennus suoritetaan käyttämällä jatkuvaa tuoreen väliaineen lisäämistä ja viljelmän eliminointia, kuten edellisessä kappaleessa on kuvattu. Yksittäinen ravintoaine on vastuussa kasvun rajoittamisesta säiliössä, kun taas loput ovat läsnä yli.

Tämän yksittäisen kasvua rajoittavan ravintoaineen määrää kokeilun kehittäjä, se voi olla mikä tahansa ravintoaine ja monissa tapauksissa se riippuu kulttuurin lajeista.

Historia

Mikro-organismien panosviljelmät ovat peräisin vuosisatoista (oluiden ja muiden juomien valmistus). Jatkuvat viljelykasvit ovat kuitenkin jotain suhteellisen nykyaikaista. Jotkut mikrobiologit omistavat jatkuvan viljelyn alkamisen kuuluisalle venäläiselle mikrobiologille Sergei Vinogradskylle.

Vinogradski tutki sulforeduktiivisten bakteerien kasvua omalla suunnittelullaan (Vinogradski-sarake). Hänen tutkimustensa aikana hän ruokki rikkivetyä rikkivetyä pylvääseen ruoana näille bakteereille.

Jatkuvasta viljelystä puhuttaessa on pakollista puhua kolmesta merkistä: Jacques Monod, Aaron Novick ja Leo Szilard. Monod oli tunnettu biologi ja Nobel-palkinnon voittaja vuonna 1965.

Tämä tutkija (Monod), vaikka se oli osa Pasteur-instituuttia, kehitti monia testejä, laskelmia ja analyysejä vuosina 1931 - 1950. Tänä aikana hän loi mikro-organismien kasvun matemaattisen mallin, jota myöhemmin kutsutaan Monod-yhtälöksi.

Vuonna 1950 hän suunnitteli nimensä kantavan yhtälön perusteella mallin laitteistosta, joka salli mikro-organismien viljelyn jatkuvasti ja kutsui sitä baktogeeniksi.

Toisaalta tutkijat Novick (fyysikko) ja Szilard (kemisti) tapasivat työskennellessään Manhattan-projektissa (atomipommi) vuonna 1943; vuotta myöhemmin he alkavat osoittaa kiinnostusta bakteerikasvuun ja vuonna 1947 he tekivät kumppanuutta työskennellä yhdessä ja hyödyntää tätä.

Useiden testien ja analyysien jälkeen Novick ja Szilard, jotka perustuvat Monodin laskelmiin (Monodin yhtälö), kehittivät myös vuonna 1950 mallin jatkuvatoimisesta mikroskooppisten organismien viljelystä, jota he kutsuivat kemostaatiksi, ja se on nimi, joka on säilytetty nykyään.. Mutta kaikille kolmelle myönnetään keksintö.

Sovellukset

Adaptiivinen biologia ja evoluutio

Ekologit ja evoluuttorit käyttävät tämän jatkuvan mikro-organismiviljelyjärjestelmän tarjoamia työkaluja tutkiakseen kuinka kasvunopeus vaikuttaa soluprosesseihin ja aineenvaihduntaan ja miten se säätelee valintapainetta ja geenien ilmentymistä.

Tämä on mahdollista arvioimalla ja pitämällä kemiassa kymmeniä satoja sukupolvia valvotuissa olosuhteissa.

Kaksi kemostaattia, joita käytetään hiivojen ammoniummyrkyllisyyden analysointiin. Kuvannut ja muokannut: (Kuva: Maitreya Dunham).

Solu biologia

Lähes kaikki kemostaattiin liittyvät tutkimukset liittyvät solubiologiaan, jopa molekyylisiin, evoluutioihin jne.

Erityisesti kemostaatin käyttö tässä biologian haarassa tarjoaa kuitenkin arvokasta tietoa, joka antaa mahdollisuuden kehittää matemaattisia malleja, jotka ovat tarpeen tutkimuspopulaation aineenvaihduntaprosessien ymmärtämiseksi.

Molekyylibiologia

Viimeisen 10 tai useamman vuoden aikana kiinnostus kemostaatin käyttöön mikrobigeenien molekyylianalyysissä on kasvanut. Viljelymenetelmä helpottaa tiedon hankkimista mikro-organismiviljelmien kattavaa tai systeemistä analysointia varten.

Tämän alan kemostaatitutkimukset mahdollistavat DNA: n transkriptioanalyysin koko genomissa, samoin kuin kvantitatiivisen geeniekspression määrittämisen tai mutaatioiden tunnistamisen organismien spesifisissä geeneissä, kuten esimerkiksi hiiva Saccharomyces cerevisiae.

Rikastetut kulttuurit

Nämä tutkimukset on suoritettu epäjatkuvilla järjestelmillä 1800-luvun lopusta lähtien Beijerinckin ja Vinogradskin teoksilla, kun taas viime vuosisadan 60-luvulla niitä aloitettiin jatkuvissa kulttuureissa kemostaattia käyttämällä.

Nämä tutkimukset koostuvat viljelyväliaineiden rikastamisesta erityyppisten mikrobien (yleensä bakteerit) keräämiseksi. Sitä käytetään myös tiettyjen lajien puuttumisen määrittämiseen tai sellaisten sellaisten havaitsemiseen, joiden osuus on hyvin pieni tai melkein mahdotonta havaita väliaineessa. luonnollinen.

Rikastettuja viljelmiä avoimissa jatkuvissa järjestelmissä (kemostaatit) käytetään myös kehittämään mutanttibakteeriviljelmiä, pääasiassa auksotrofeja tai sellaisia, joista voi tulla resistenttejä lääkkeille, kuten antibiooteille.

Etanolin tuotanto

Teollisuuden kannalta biopolttoaineiden käyttö ja tuotanto ovat yhä yleisempiä. Tässä tapauksessa kyse on etanolin tuotannosta gramnegatiivisesta bakteerista Zymomonas mobilis.

Prosessissa käytetään useita suuria sarjakemostatteja, joita ylläpidetään vakiona glukoosin ja muiden sokerien konsentraatioissa, jotta ne voidaan muuttaa etanoliksi anaerobisissa olosuhteissa.

Viitteet

1. Kemostaatti: ihanteellinen jatkuvasti sekoitettu säiliöreaktori. Palautettu: biorreactores.tripod.
2. Chemostat. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org.
3. N. Ziv, NJ Brandt ja D. Gresham (2013). Kemostaattien käyttö mikrobijärjestelmien biologiassa. Lehti visualisoiduista kokeista.
4. A. Novick ja L. Szilard (1950). Kemostaatin kuvaus. Science.
5. J. Monod (1949). Bakteeriviljelmien kasvuAikainen katsaus mikrobiologiaan.
6. D. Gresham ja J. Hong (2015). Kemostaattien adaptiivisen evoluution toiminnallinen perusta. FEMS-mikrobiologiset katsaukset.
7. HG Schlegel ja HW Jannasch (1967). Rikastamisviljelmät. Mikrobiologian vuosikatsaus.
8. J. Thierie (2016). Johdatus monifaasisiin hajautettujen järjestelmien teoriaan. (eds) Springer Nature. 210 s.