KEMOSTATS: RAKSTUROJUMS, VĒSTURE UN LIETOJUMS - BIOLOĢIJA - 2025

Chemostat ir ierīce vai aparatūra, ko izmanto, lai audzētu šūnu un mikroorganismiem. To sauc arī par bioreaktoru, un tai cita starpā ir iespēja eksperimentāli reproducēt ūdens vidi, piemēram, ezerus, sedimentācijas vai apstrādes dīķus.

Parasti to raksturo kā trauku (lielums būs atkarīgs no tā, vai lietojums ir paredzēts rūpnieciskai vai laboratoriskai) ar ieeju, lai nonāktu sterils materiāls, un izvadu, caur kuru procesa laikā izdalās materiāls, kas parasti ir barības vielas. atkritumi, sterils materiāls, mikroorganismi cita starpā.

Kemostata diagramma. Uzņemts un rediģēts no: CGraham2332.

To patstāvīgi un gandrīz vienlaikus atklāja un pasniedza zinātnieki Žaks Monods, Ārons Noviks un Leo Szilards 1950. gadā. Monods darbojās viens pats un sauca to par baktēriju, savukārt Noviks un Szilards strādāja kopā un sauca to par kemostatu - vārdu, kas saglabājas līdz mūsdienām. .

Chemostata funkcijas

Kemostatu raksturo tas, ka pastāvīgi pievieno barību, kas satur vienu barības vielu, kas ierobežo augšanu un vienlaikus noņem daļu kultūras, piemēram, lieko produkciju, metabolītus un citas vielas. Šo noņemšanu pastāvīgi aizstāj ar jaunu materiālu, tādējādi panākot stabilu līdzsvaru.

Šajos apstākļos mikroorganismu kultūras attīstības ātrums ir vienāds ar ātrumu, ar kādu to atšķaida. Salīdzinājumā ar citām audzēšanas metodēm tas ir ļoti svarīgi, jo nemainīgā un noteiktā vidē var sasniegt stabilu stāvokli.

Vēl viena būtiska īpašība ir tā, ka ar kemostatu operators var kontrolēt fizikālos, ķīmiskos un bioloģiskos mainīgos lielumus, piemēram, indivīdu daudzumu kultūrā, izšķīdušo skābekli, barības vielu daudzumu, pH utt.

Metodes princips

Metode sastāv no mikroorganismu populācijas, kas no sākuma aug līdzīgi kā ar pārtrauktām kultūrām vai sērijveida kultūrām (vienkāršākā šķidruma kultūra). Kad populācijas aug, ir nepieciešams vienlaicīgi izņemt kultūras daudzumu, kas līdzīgs pievienotajam, neatkarīgi no tā, vai izņemtā kultūra ir izmantota vai nē.

Šādā veidā kemostatā veic atšķaidīšanu, izmantojot nepārtrauktu svaigas barotnes pievienošanu un kultūras atdalīšanu, kā aprakstīts iepriekšējā daļā. Atsevišķa barības viela ir atbildīga par augšanas ierobežošanu traukā, bet pārējā - pārmērīgi.

Šo atsevišķo augšanu ierobežojošo barības vielu nosaka cilvēks, kurš izstrādā eksperimentu, tā var būt jebkura barības viela, un daudzos gadījumos tā būs atkarīga no sugas kultūrā.

Vēsture

Mikroorganismu sērijveida kultūras ir radušās gadsimtiem ilgi (alus un citu dzērienu pagatavošana). Tomēr nepārtrauktas kultūras ir kaut kas salīdzinoši modernāks. Daži mikrobiologi nepārtrauktas kultivēšanas sākumu piedēvē slavenajam krievu mikrobiologam Sergejam Vinogradskim.

Vinogradski pētīja sulforeduktīvo baktēriju augšanu paša izstrādātā ierīcē (kolonna Vinogradski). Studiju laikā viņš baroja ar sērūdeņraža pilieniem kolonnu kā barību šīm baktērijām.

Runājot par nepārtrauktu kultivēšanu, obligāti jārunā par 3 zīmēm: Žaku Monodu, Āronu Noviku un Leo Szilardu. Monods bija slavens biologs un Nobela prēmijas laureāts 1965. gadā.

Šis pētnieks (Monod), būdams Pasteur institūta loceklis, laikā no 1931. līdz 1950. gadam izstrādāja daudzus testus, aprēķinus un analīzes. Šajā laikā viņš izveidoja mikroorganismu augšanas matemātisko modeli, kuru vēlāk sauks par Monoda vienādojumu.

1950. gadā, pamatojoties uz viņa vārda vienādojumu, viņš izstrādāja aparāta modeli, kas nepārtraukti ļāva audzēt mikroorganismus un sauca to par baktēriju.

No otras puses, zinātnieki Noviks (fiziķis) un Szilards (ķīmiķis) tikās, strādājot pie Manhetenas projekta (atombumba) 1943. gadā; gadus vēlāk viņi sāka izrādīt interesi par baktēriju augšanu, un 1947. gadā viņi sadarbojās, lai strādātu kopā un izmantotu to.

Pēc vairākkārtējiem testiem un analīzēm Noviks un Szilards, balstoties uz Monoda aprēķiniem (Monoda vienādojums), 1950. gadā arī izstrādāja mikroskopisko organismu nepārtrauktas kultūras modeli, kuru viņi sauca par chemostat, un tas ir nosaukums, kas tiek uzturēts līdz mūsdienām. . Bet visiem trim izgudrojums tiek ieskaitīts.

Lietojumprogrammas

Adaptīvā bioloģija un evolūcija

Šīs nepārtrauktās mikroorganismu kultūras sistēmas piedāvātos rīkus ekologi un evolucionisti izmanto, lai izpētītu, kā augšanas ātrums ietekmē šūnu procesus un metabolismu un kā tas kontrolē selekcijas spiedienu un gēnu ekspresiju.

Tas ir iespējams, novērtējot un uzturot kontrolētos apstākļos kemostatā desmitiem līdz simtiem paaudžu.

Divi chemostati, kurus izmanto amonija toksicitātes analīzē raugos. Uzņemts un rediģēts no: (attēls: Maitreya Dunham).

Šūnu bioloģija

Praktiski visi ar kemostatu saistītie pētījumi ir saistīti ar šūnu bioloģiju, pat molekulāriem, evolucionāriem utt.

Tomēr, konkrēti, ķemostata izmantošana šai bioloģijas nozarei sniedz vērtīgu informāciju, kas ļauj izstrādāt matemātiskos modeļus, kas nepieciešami, lai saprastu vielmaiņas procesus pētījuma populācijā.

Molekulārā bioloģija

Pēdējo 10 vai vairāk gadu laikā ir pieaugusi interese par kemostata izmantošanu mikrobu gēnu molekulārajā analīzē. Kultūras metode atvieglo informācijas iegūšanu visaptverošai vai sistēmiskai mikroorganismu kultūru analīzei.

Chemostat pētījumi šajā jomā ļauj veikt DNS transkripcijas analīzi visā genomā, kā arī kvantitatīvi noteikt gēnu ekspresiju vai identificēt mutācijas specifiskos organismu gēnos, piemēram, piemēram, rauga Saccharomyces cerevisiae.

Bagātinātas kultūras

Kopš 19. gadsimta beigām šie pētījumi tika veikti ar pārtrauktām sistēmām, izmantojot Beijerinck un Vinogradski darbus, savukārt pagājušā gadsimta 60. gados tos sāka veikt nepārtrauktās kultūrās, izmantojot kemostatu.

Šie pētījumi sastāv no barotnes bagātināšanas, lai iegūtu dažādu veidu mikrobus (baktērijas kopumā). To izmanto arī, lai noteiktu noteiktu sugu neesamību vai noteiktu tādu klātbūtni, kuru īpatsvars ir ļoti mazs vai gandrīz neiespējams novērot barotnē. dabiski.

Bagātinātās kultūras atvērtās nepārtrauktās sistēmās (chemostati) tiek izmantotas arī, lai attīstītu mutantu baktēriju kultūras, galvenokārt auksotrofus vai tās, kuras var kļūt izturīgas pret tādām zālēm kā antibiotikas.

Etanola ražošana

Raugoties no rūpniecības viedokļa, biodegvielu izmantošana un ražošana ir arvien izplatītāka. Šajā gadījumā runa ir par etanola ražošanu no gramnegatīvās baktērijas Zymomonas mobilis.

Šajā procesā izmanto vairākus lielus sērijveida chemostatus, kurus uztur nemainīgā glikozes un citu cukuru koncentrācijā, lai anaerobos apstākļos pārveidotu par etanolu.

Atsauces

1. Chemostat: ideāls nepārtraukti maisāms tvertnes reaktors. Atgūts no: biorreactores.tripod.
2. Chemostat. Atgūts no: en.wikipedia.org.
3. N. Ziv, NJ Brandt un D. Gresham (2013). Chemostatu izmantošana mikrobu sistēmu bioloģijā. Vizualizēto eksperimentu žurnāls.
4. A. Noviks un L. Szilards (1950). Kemostata apraksts. Zinātne.
5. J. Monods (1949). Baktēriju kultūru augšanaMikrobioloģijas gada pārskats.
6. D. Gresham & J. Hong (2015). Kemostatu adaptīvās evolūcijas funkcionālais pamats. FEMS mikrobioloģijas pārskati.
7. HG Šlēgels un HW Jannasšs (1967). Bagātināšanas kultūras. Ikgadējais mikrobioloģijas pārskats.
8. J. Thierie (2016). Ievads daudzfāzu izkliedēto sistēmu teorijā. (eds) Springer Nature. 210 lpp.