KEMOSZTÁT: JELLEMZŐK, ELŐZMÉNYEK ÉS FELHASZNÁLÁSOK - BIOLÓGIA - 2026

A kemosztát egy eszköz vagy készülék, amelyet sejtek és mikroorganizmusok tenyésztésére használnak. Bioreaktornak is nevezik, és képes többek között a vízi környezet, például tavak, üledék- vagy kezelőtavak kísérleti reprodukciójára.

Általában tartályként írják le (a méret attól függ, hogy a felhasználás ipari vagy laboratóriumi jellegű-e), amelynek bemeneti nyílása a steril anyag belép, és egy olyan kimenete, amelyen keresztül a folyamat eredményeként létrejövő anyag kilép, amelyek általában tápanyagok. hulladék, steril anyag, mikroorganizmusok.

A kemosztát diagramja. Felvétel és szerkesztés: CGraham2332.

Ezt 1950-ben, Jacques Monod, Aaron Novick és Leo Szilard tudósok fedezték fel és szinte egyidejűleg mutatták be. Monod egyedül dolgozott, és baktériumnak nevezte, míg Novick és Szilard együtt dolgoztak, és kemosztátnak nevezték, ez a név ma is fennáll..

Kemosztát jellemzői

A kemosztátot az jellemzi, hogy állandó tápközeggel egészítik ki egyetlen tápanyagot, amely korlátozza a növekedést, és ezzel egyidejűleg eltávolítja a tenyészet egy részét, például a felesleges termelést, a metabolitokat és más anyagokat. Ezt az eltávolítást folyamatosan pótolja új anyag, ezáltal stabil egyensúlyt ér el.

Ilyen körülmények között a mikroorganizmus-tenyészet fejlődési sebessége megegyezik a hígítás sebességével. Ez kulcsfontosságú a többi termesztési módszerhez képest, mivel állandó és meghatározott környezetben stabil állapot érhető el.

Egy másik fontos tulajdonság az, hogy a kemosztáttal az operátor képes ellenőrizni a fizikai, kémiai és biológiai változókat, például az egyed mennyiségét a tenyészetben, az oldott oxigént, a tápanyagok mennyiségét, a pH-t stb.

A módszer elve

A módszer olyan mikroorganizmus-populációból áll, amely a kezdetektől hasonlóan növekszik, mint a szakaszos vagy szakaszos tenyészetek (a legegyszerűbb folyékony tenyészet). Amikor a populációk növekednek, egyidejűleg ki kell vonni a hozzáadotthoz hasonló mennyiségű tenyészetet, függetlenül attól, hogy a kivont tenyészetet felhasználták-e vagy sem.

Ily módon a kemosztátban a hígítást friss táptalaj folyamatos hozzáadásával és a tenyészet eltávolításával végezzük, az előző bekezdésben leírtak szerint. Egyetlen tápanyag felelős a tartályban a növekedés korlátozásáért, míg a többi meghaladja a felesleges mennyiséget.

Ezt az egyetlen növekedést korlátozó tápanyagot a kísérletet kidolgozó személy határozza meg, ez bármilyen tápanyag lehet, és sok esetben a kultúrában lévő fajtól függ.

Történelem

A mikroorganizmusok szakaszos tenyészete évszázadok óta nyúlik vissza (sörök és más italok főzése). A folytonos növények viszonylag modernebbek. Egyes mikrobiológusok a folyamatos termesztés kezdeteit a híres orosz mikrobiológusnak, Szergej Vinogradsky-nak tulajdonítják.

Vinogradski egy saját tervezésű eszközében (Vinogradski oszlop) vizsgálta a szulforeduktív baktériumok növekedését. Tanulmányai során csepp hidrogén-szulfidot táplált az oszlopba táplálékként e baktériumok számára.

A folyamatos termesztésről beszélve kötelező három karakterről beszélni: Jacques Monod, Aaron Novick és Leo Szilard. Monod híres biológus volt és 1965-ben a Nobel-díj nyertese.

Ez a kutató (Monod), a Pasteur Intézet részeként, 1931 és 1950 között számos tesztet, számítást és elemzést fejlesztett ki. Ezen idő alatt elkészítette a mikroorganizmusok növekedésének matematikai modelljét, amelyet később Monod egyenletnek neveznek.

1950-ben, a nevét viselő egyenlet alapján, egy olyan modellt dolgozott ki, amely folyamatosan lehetővé tette a mikroorganizmusok tenyésztését, és baktogénnek nevezte.

Másrészt Novick (fizikus) és Szilard (vegyész) tudósok találkoztak, miközben a Manhattan-projekten (atombomba) dolgoztak 1943-ban; évvel később érdeklődni kezdtek a baktériumok szaporodása iránt, és 1947-ben együtt működtek együtt, hogy együtt dolgozzanak és kihasználják ezt.

Többszörös tesztek és elemzések után Novick és Szilard, Monod számításai alapján (Monod-egyenlet) 1950-ben egy mikroszkopikus organizmusok folyamatos tenyésztési modelljét is kidolgozta, amelyet kemosztatnak neveztek, és ez a név marad megtartva.. De mindháromnak jóváírják a találmányt.

Alkalmazások

Adaptív biológia és evolúció

A folyamatos mikroorganizmus-tenyésztési rendszer által kínált eszközöket az ökológusok és az evolúciós szakemberek használják annak tanulmányozására, hogy a növekedési sebesség miként befolyásolja a sejtfolyamatokat és az anyagcserét, és hogyan szabályozza a szelekciós nyomást és a gén kifejeződést.

Ez azért lehetséges, ha a kemosztátban több tíz-száz generáció értékelése és fenntartása ellenőrzött körülmények között történik.

Két kemosztát, az élesztők ammóniás toxicitásának elemzéséhez. Felvétel és szerkesztés: (Kép: Maitreya Dunham).

Sejtbiológia

Gyakorlatilag minden, a kemosztáttal kapcsolatos vizsgálat a sejtbiológiával, akár molekuláris, evolúciós stb.

Pontosabban a kemosztátnak a biológia ezen ága számára történő felhasználása értékes információkat szolgáltat, amelyek lehetővé teszik a tanulmányi populáció anyagcseréjének megértéséhez szükséges matematikai modellek kidolgozását.

Molekuláris biológia

Az elmúlt tíz vagy annál több évben nőtt az érdeklődés a kemosztat alkalmazásának iránt a mikrobiális gének molekuláris elemzésében. A tenyésztési módszer megkönnyíti az információk megszerzését a mikroorganizmus-tenyészetek átfogó vagy szisztémás elemzéséhez.

Az ezen a területen végzett kemosztát vizsgálatok lehetővé teszik a DNS transzkripciós elemzését a genomban, valamint a gén expressziójának számszerűsítését vagy a mutációk azonosítását az organizmusok specifikus génjeiben, például a Saccharomyces cerevisiae élesztőben.

Dúsított kultúrák

Ezeket a vizsgálatokat szakaszos rendszerekkel, a 19. század vége óta végezték Beijerinck és Vinogradski munkáival, míg a múlt század 60-as éveiben folyamatos kultúrákban kezdték el elvégezni a kemosztátot.

Ezek a tanulmányok a tápközegek dúsításából állnak, különféle típusú mikrobák (általában baktériumok) begyűjtése céljából. Emellett bizonyos fajok hiányának megállapítására vagy olyanok jelenlétének kimutatására is alkalmazhatók, amelyek aránya nagyon alacsony vagy csaknem lehetetlen megfigyelni a táptalajban. természetes.

A nyílt folyamatos rendszerekben gazdagított tenyészeteket (kemosztátok) a mutáns baktériumtenyészetek, elsősorban auxotrofok vagy olyan gyógyszerek kifejlesztésére is használják, amelyek olyan gyógyszerekkel szemben rezisztensek lehetnek, mint például az antibiotikumok.

Etanol előállítás

Ipari szempontból a bioüzemanyagok használata és előállítása egyre gyakoribb. Ebben az esetben ez etanol előállítása a Gram-negatív Zymomonas mobilis baktériumból.

A folyamat során nagyméretű soros kemosztátokat használnak, amelyeket állandó glükóz- és egyéb cukrokoncentrációkon tartanak fenn, és anaerob körülmények között etanolvá alakulnak.

Irodalom

1. A kemosztát: az ideális folyamatos keverésű tartályreaktor. Helyreállítva: biorreactores.tripod.
2. Kemosztáttenyészetekben. Helyreállítva: en.wikipedia.org.
3. N. Ziv, NJ Brandt és D. Gresham (2013). Kemosztátok használata a mikrobiális rendszerek biológiájában. A megjelenített kísérletek naplója.
4. A. Novick és L. Szilard (1950). A kemosztát leírása. Tudomány.
5. Monod J. (1949). A baktériumkultúrák növekedéseA mikrobiológia éves áttekintése.
6. D. Gresham és J. Hong (2015). Az adaptív evolúció funkcionális alapja a kemosztátokban. A FEMS mikrobiológiai áttekintése.
7. HG Schlegel és HW Jannasch (1967). Dúsító kultúrák. A mikrobiológia éves áttekintése.
8. J. Thierie (2016). Bevezetés a többfázisú diszpergált rendszerek elméletébe. (szerk.) Springer Nature. 210 pp