כימוסטט: מאפיינים, היסטוריה ושימושים - ביולוגיה - 2025

Chemostat הוא מכשיר או מנגנון משמש לעיבוד של תאים ומיקרואורגניזמים. זה נקרא גם ביו-ריאקטור ובעל יכולת לשחזר בניסוי סביבות מימיות כמו אגמים, משקעים או בריכות טיפול, בין היתר.

בדרך כלל זה מתואר כמכל (הגודל תלוי אם השימוש הוא תעשייתי או מעבדה) עם כניסה כך שייכנס חומר סטרילי, ושקע דרכו ייצא החומר הנובע מהתהליך, שהם בדרך כלל חומרים תזונתיים. פסולת, חומר סטרילי, מיקרואורגניזמים בין היתר.

תרשים של כימוסטט. צולם ונערך מתוך: CGraham2332.

זה התגלה והוצג באופן עצמאי וכמעט בו זמנית על ידי המדענים ז'אק מונוד, אהרון נוביק וליאו סילארד בשנת 1950. מונוד עבד לבד וכינה אותו בקטוגן, ואילו נוביק וסילארד עבדו יחד וקראו לזה כימוסטט, שם שנמשך עד היום. .

תכונות Chemostat

הכימוסטה מאופיינת בתוספת מתמדת של מדיום המכיל חומר מזין יחיד המגביל את הצמיחה ומסלק בו זמנית חלק מהתרבות, כמו עודף ייצור, מטבוליטים וחומרים אחרים. הסרה זו מוחלפת כל הזמן בחומר חדש ובכך משיגת איזון יציב.

בתנאים אלה, הקצב בו מתפתחת תרבות המיקרואורגניזם שווה לקצב בו הוא מדולל. זה מפתח בהשוואה לשיטות טיפוח אחרות, שכן ניתן להגיע למצב יציב בסביבה קבועה ומוגדרת.

מאפיין חשוב נוסף הוא שעם הכימוסטסט המפעיל יכול לשלוט על משתנים פיזיקליים, כימיים וביולוגיים כמו נפח של אנשים בתרבית, חמצן מומס, כמות חומרים מזינים, pH וכו '.

עקרון השיטה

השיטה מורכבת מאוכלוסיית מיקרואורגניזמים שצומחת מההתחלה בצורה דומה לזו של תרבויות לא רציפות או אצווה (התרבות הנוזלית הפשוטה ביותר). כאשר אוכלוסיות גדלות יש צורך למשוך בו זמנית נפח של תרבות הדומה לזה שנוסף, בין אם נעשה שימוש בתרבות הנסוגה או לא.

באופן זה, בכימוסטט מתבצעת דילול באמצעות תוספת מתמדת של מדיום טרי וביטול התרבות כמתואר בחלקה בפסקה הקודמת. חומר מזין בודד אחראי על הגבלת הצמיחה במיכל בעוד שהנוכחות קיימת בעודף.

החומר התזונתי המגביל את הצמיחה נקבע מראש על ידי האדם המפתח את הניסוי, הוא יכול להיות כל חומר מזין ובמקרים רבים הוא יהיה תלוי במין בתרבות.

הִיסטוֹרִיָה

תרבויות אצווה של מיקרואורגניזמים מתוארכות במאות שנים (מבשלת בירות ומשקאות אחרים). עם זאת, יבולים רציפים הם משהו יותר מודרני יותר. ישנם מיקרוביולוגים המייחסים את ראשית הטיפוח למיקרוביולוג הרוסי המפורסם סרגיי וינוגרדסקי.

וינוגרדסקי בחן את גידולם של חיידקים גופרתיים המכשירים בעיצוב משלו (טור וינוגרדסקי). במהלך הלימודים הוא האכיל טיפות של מימן גופרתי לטור כמזון לחיידקים אלה.

כשמדברים על טיפוח מתמשך חובה לדבר על 3 דמויות: ז'אק מונוד, אהרון נוביק וליאו סילארד. מונוד היה ביולוג ידוע וזוכה פרס נובל בשנת 1965.

חוקר זה (מונוד), בעודו חלק ממכון פסטר, פיתח בדיקות, חישובים וניתוחים רבים בין השנים 1931 - 1950. במהלך תקופה זו הוא יצר את המודל המתמטי של צמיחת מיקרואורגניזם שנקרא לימים משוואת מונוד.

בשנת 1950, על סמך המשוואה הנושאת את שמו, הוא תכנן מודל של מנגנון המאפשר תרבות של מיקרואורגניזמים באופן רציף וכינה זאת בקטוגן.

לעומת זאת המדענים נוביק (פיזיקאי) וסילארד (כימאי) נפגשו בעת שעבדו על פרויקט מנהטן (פצצת האטום) בשנת 1943; שנים לאחר מכן הם היו מתחילים לגלות עניין בגידול החיידקים ובשנת 1947 הם התחברו לעבוד יחד ולנצל זאת.

לאחר בדיקות וניתוחים מרובים, נוביק וסילארד, שהתבססו על חישובי מונוד (משוואת מונוד), תכננו גם בשנת 1950 מודל של תרבות מתמשכת של אורגניזמים מיקרוסקופיים שאותם כינו כימוסטט, וזה השם שנשמר עד היום. . אך שלושתם זוכים בהמצאה.

יישומים

ביולוגיה אדפטיבית והתפתחות

הכלים שמציעה מערכת זו של תרבות מיקרואורגניזמים רציפה משמשים אקולוגים ואבולוציונרים כדי ללמוד כיצד קצב הגידול משפיע על תהליכים סלולריים ועל חילוף חומרים וכיצד הוא שולט על לחץ הבחירה וביטוי הגנים.

זה מתאפשר על ידי הערכה ושמירה של עשרות עד מאות דורות בכימוסטט בתנאים מבוקרים.

שני כימוסטטים, המשמשים בניתוח רעילות אמוניום בשמרים. צולם ונערך מתוך: (תמונה: מיטריה דנהאם).

ביולוגיה של התא

כמעט כל המחקרים הקשורים לכימוסטט קשורים לביולוגיה של התא, אפילו מולקולרית, אבולוציונית וכו '.

עם זאת, ספציפית, השימוש בכימוסטה לענף זה של ביולוגיה מספק מידע חשוב המאפשר פיתוח מודלים מתמטיים הנחוצים להבנת התהליכים המטבוליים באוכלוסיית המחקר.

ביולוגיה מולקולרית

בעשר השנים האחרונות או יותר גבר העניין בשימוש בכימוסטט בניתוח מולקולרי של גנים חיידקים. שיטת התרבות מאפשרת קבלת מידע לצורך ניתוח מקיף או מערכתי של תרבויות מיקרואורגניזם.

מחקרי כימוסטט בתחום זה מאפשרים ניתוח תעתיק DNA בכל הגנום, כמו גם כימות ביטוי גנים או זיהוי מוטציות בגנים ספציפיים של אורגניזמים כמו השמרים Saccharomyces cerevisiae, למשל.

תרבויות מועשרות

מחקרים אלו בוצעו באמצעות מערכות לא רציפות מאז סוף המאה ה -19 עם עבודותיהם של ביירינק ווינוגרדסקי, ואילו בשנות ה -60 של המאה הקודמת הם החלו להתבצע בתרבויות רצופות באמצעות הכימוסט.

מחקרים אלו מורכבים ממדיה עשירה בתרבות לקציר סוגים שונים של חיידקים (חיידקים באופן כללי), היא משמשת גם לקביעת היעדרם של מינים מסוימים או לגלות נוכחותם של חלקם שחלקם נמוך מאוד או כמעט בלתי אפשרי לצפייה במדיום. טִבעִי.

תרבויות מועשרות במערכות רצופות ופתוחות (כימוסטטים) משמשות גם לפיתוח תרבויות חיידקים מוטציות, בעיקר עזרוטרופים או כאלה העשויים להפוך לעמידות לתרופות כמו אנטיביוטיקה.

ייצור אתנול

מנקודת מבט תעשייתית, השימוש והייצור של דלקים ביולוגיים נפוץ יותר ויותר. במקרה זה מדובר בייצור אתנול מהחיידק Gram השלילי Zymomonas mobilis.

בתהליך משתמשים בכמה כימוסטטים סדרתיים גדולים, הנשמרים בריכוזים קבועים של גלוקוז וסוכרים אחרים, כדי להמיר לאתנול בתנאים אנאירוביים.

הפניות

1. הכימוסטט: הכור המיועד לטעינה רציפה אידיאלית. התאושש מ: biorreactores.tripod.
2. כימוסטט. התאושש מ: en.wikipedia.org.
3. נ 'זיו, נ.ג'יי ברנדט וד' גרשם (2013). השימוש בכימוסטטים בביולוגיה של מערכות מיקרוביאליות. יומן של ניסויים מדומיינים.
4. א. נוביק ול. סילארד (1950). תיאור הכימוסטט. מַדָע.
5. ג 'מונוד (1949). גידול תרבויות חיידקים סקירה שנתית של מיקרוביולוגיה.
6. ד. גרשם וג'ונג הונג (2015). הבסיס הפונקציונלי להתפתחות אדפטיבית בכימוסטטים. ביקורות על מיקרוביולוגיה של FEMS.
7. HG שלגל, ו- HW Jannasch (1967). תרבויות העשרה. סקירה שנתית של מיקרוביולוגיה.
8. ג'יי תיירי (2016). מבוא לתורת המערכות המפוזרות הפוליפאסיות. (עורכים) שפרינגר טבע. 210 עמ '.