ХЕМОСТАТ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ИСТОРИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ - БИОЛОГИЯ - 2025

Хемостатическое это устройство или устройство , используемое для культивирования клеток и микроорганизмов. Он также называется биореактором и может экспериментально воспроизводить водную среду, такую ​​как озера, отстойники или очистные пруды, среди прочего.

Обычно его описывают как контейнер (размер будет зависеть от того, используется ли он в промышленности или лаборатории) с входом, через который поступает стерильный материал, и выходом, через который выходит материал, полученный в результате процесса, которые обычно являются питательными веществами. отходы, стерильный материал, микроорганизмы и другие.

Схема хемостата. Взято и отредактировано по ссылке: CGraham2332.

Он был открыт и представлен независимо и почти одновременно учеными Жаком Моно, Аароном Новиком и Лео Сцилардом в 1950 году. Монод работал один и назвал его бактогеном, в то время как Новик и Сцилард работали вместе и назвали его хемостатом, имя, которое сохранилось и по сей день. .

Особенности хемостата

Хемостат характеризуется постоянным добавлением среды, содержащей одно питательное вещество, которое ограничивает рост и одновременно удаляет часть культуры, такую ​​как избыточное производство, метаболиты и другие вещества. Это удаление постоянно заменяется новым материалом, таким образом достигается стабильный баланс.

В этих условиях скорость развития культуры микроорганизмов равна скорости ее разведения. Это ключевой момент по сравнению с другими методами выращивания, так как стабильное состояние может быть достигнуто в постоянной и определенной среде.

Другой важной особенностью является то, что с помощью хемостата оператор может контролировать физические, химические и биологические параметры, такие как объем особей в культуре, растворенный кислород, количество питательных веществ, pH и т. Д.

Принцип метода

Метод состоит из популяции микроорганизмов, которая растет с самого начала так же, как и периодические или периодические культуры (простейшая жидкая культура). Когда популяции растут, необходимо одновременно отбирать объем культуры, аналогичный добавленному, независимо от того, использовалась ли изъятая культура или нет.

Таким образом, в хемостате проводится разбавление с использованием непрерывного добавления свежей среды и удаления культуры, как частично описано в предыдущем абзаце. Одно питательное вещество отвечает за ограничение роста в контейнере, в то время как остальное присутствует в избытке.

Это единственное питательное вещество, ограничивающее рост, заранее определяется человеком, проводящим эксперимент, это может быть любое питательное вещество, и во многих случаях это будет зависеть от вида в культуре.

История

Серийные культуры микроорганизмов датируются столетиями (приготовление пива и других напитков). Однако непрерывные посевы - это нечто относительно более современное. Некоторые микробиологи приписывают начало непрерывному культивированию известному российскому микробиологу Сергею Виноградскому.

Виноградский изучал рост сероводородных бактерий в устройстве собственной конструкции (колонка Виноградского). Во время учебы он подавал в колонку капли сероводорода в качестве пищи для этих бактерий.

Говоря о непрерывном совершенствовании, обязательно нужно говорить о трех персонажах: Жаке Моно, Аароне Новике и Лео Сциларде. Моно был известным биологом и лауреатом Нобелевской премии 1965 года.

Этот исследователь (Моно), будучи сотрудником Института Пастера, разработал множество тестов, расчетов и анализов между 1931 и 1950 годами. За это время он создал математическую модель роста микроорганизмов, которая позже будет названа уравнением Монода.

В 1950 году на основе уравнения, носящего его имя, он разработал модель устройства, позволяющего непрерывно культивировать микроорганизмы, и назвал это бактогеном.

С другой стороны, ученые Новик (физик) и Сцилард (химик) встретились во время работы над Манхэттенским проектом (атомная бомба) в 1943 году; годы спустя они начнут проявлять интерес к росту бактерий, а в 1947 году они объединились, чтобы работать вместе и воспользоваться этим.

После многочисленных тестов и анализов Новик и Сцилард, основываясь на расчетах Моно (уравнение Моно), также разработали в 1950 году модель непрерывного культивирования микроскопических организмов, которую они назвали хемостат, и это название сохранилось до сих пор. . Но всем троим приписывают изобретение.

Приложения

Адаптивная биология и эволюция

Инструменты, предлагаемые этой системой непрерывного культивирования микроорганизмов, используются экологами и эволюционистами для изучения того, как скорость роста влияет на клеточные процессы и метаболизм и как она контролирует давление отбора и экспрессию генов.

Это стало возможным благодаря оценке и поддержанию десятков и сотен поколений в хемостате в контролируемых условиях.

Два хемостата, используемых для анализа токсичности аммония в дрожжах. Взято и отредактировано по ссылке: (Изображение: Майтрейя Данхэм).

Клеточная биология

Практически все исследования, связанные с хемостатом, относятся к клеточной биологии, даже молекулярной, эволюционной и т. Д.

Однако, в частности, использование хемостата в этой области биологии дает ценную информацию, которая позволяет разрабатывать математические модели, необходимые для понимания метаболических процессов в исследуемой популяции.

Молекулярная биология

За последние 10 и более лет вырос интерес к использованию хемостата в молекулярном анализе микробных генов. Метод культивирования позволяет получить информацию для комплексного или системного анализа культур микроорганизмов.

Исследования хемостатов в этой области позволяют проводить анализ транскрипции ДНК по всему геному, а также количественно определять экспрессию генов или выявлять мутации в определенных генах организмов, таких как дрожжи Saccharomyces cerevisiae, например.

Обогащенные культуры

Эти исследования проводились с использованием прерывных систем с конца 19 века по работам Бейеринка и Виноградского, а в 60-х годах прошлого века они стали проводиться в непрерывных культурах с использованием хемостата.

Эти исследования состоят из обогащения питательной среды для сбора различных типов микробов (бактерий в целом), она также используется для определения отсутствия определенных видов или обнаружения присутствия некоторых, доля которых в среде очень мала или почти невозможна. естественный.

Обогащенные культуры в открытых непрерывных системах (хемостатах) также используются для развития культур мутантных бактерий, в основном ауксотрофов или тех, которые могут стать устойчивыми к лекарствам, таким как антибиотики.

Производство этанола

С промышленной точки зрения использование и производство биотоплива становится все более распространенным явлением. В данном случае это продукция этанола грамотрицательной бактерией Zymomonas mobilis.

В процессе используются несколько крупных серийных хемостатов, в которых поддерживается постоянная концентрация глюкозы и других сахаров для превращения в этанол в анаэробных условиях.

Ссылки

1. Chemostat: идеальный реактор непрерывного действия с мешалкой. Получено с: biorreactores.tripod.
2. Хемостат. Получено с: en.wikipedia.org.
3. Н. Зив, Н. Дж. Брандт и Д. Грешем (2013). Использование хемостатов в микробной системной биологии. Журнал визуализированных экспериментов.
4. А. Новик и Л. Сцилард (1950). Описание хемостата. Наука.
5. Ж. Моно (1949). Рост бактериальных культур Ежегодный обзор микробиологии.
6. Д. Грешем и Дж. Хонг (2015). Функциональные основы адаптивной эволюции хемостатов. Обзоры микробиологии FEMS.
7. Г. Г. Шлегель и Г. В. Яннаш (1967). Культуры обогащения. Ежегодный обзор микробиологии.
8. Дж. Тьери (2016). Введение в теорию многофазных дисперсных систем. (ред.) Springer Nature. 210 стр.