CHEMOSTAT: EIGENSCHAFTEN, GESCHICHTE UND VERWENDUNG - BIOLOGIE - 2025

Der Chemostat ist eine Vorrichtung oder Vorrichtung zur Kultivierung von Zellen und Mikroorganismen. Es wird auch als Bioreaktor bezeichnet und kann unter anderem aquatische Umgebungen wie Seen, Sedimentations- oder Behandlungsteiche experimentell reproduzieren.

Es wird allgemein als Behälter (die Größe hängt davon ab, ob es sich um eine industrielle oder eine Laboranwendung handelt) mit einem Einlass, so dass steriles Material eintritt, und einem Auslass, durch den das aus dem Prozess resultierende Material austritt, beschrieben. Dies sind im Allgemeinen Nährstoffe. Abfälle, steriles Material, Mikroorganismen ua

Diagramm eines Chemostaten. Entnommen und bearbeitet von: CGraham2332.

Es wurde 1950 von den Wissenschaftlern Jacques Monod, Aaron Novick und Leo Szilard unabhängig und fast gleichzeitig entdeckt und präsentiert. Monod arbeitete allein und nannte es ein Baktogen, während Novick und Szilard zusammenarbeiteten und es als Chemostat bezeichneten, ein Name, der bis heute besteht. .

Chemostat-Merkmale

Der Chemostat zeichnet sich durch die ständige Zugabe eines Mediums aus, das einen einzigen Nährstoff enthält, der das Wachstum begrenzt und gleichzeitig einen Teil der Kultur wie überschüssige Produktion, Metaboliten und andere Substanzen entfernt. Diese Entfernung wird ständig durch neues Material ersetzt, wodurch ein stabiles Gleichgewicht erreicht wird.

Unter diesen Bedingungen ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Mikroorganismenkultur entwickelt, gleich der Geschwindigkeit, mit der sie verdünnt wird. Dies ist im Vergleich zu anderen Anbaumethoden von entscheidender Bedeutung, da in einer konstanten und definierten Umgebung ein stabiler Zustand erreicht werden kann.

Ein weiteres wichtiges Merkmal ist, dass der Bediener mit dem Chemostaten physikalische, chemische und biologische Variablen wie das Volumen der Personen in der Kultur, den gelösten Sauerstoff, die Menge der Nährstoffe, den pH-Wert usw. steuern kann.

Methodenprinzip

Die Methode besteht aus einer Population von Mikroorganismen, die von Anfang an ähnlich wie diskontinuierliche oder Batch-Kulturen (die einfachste Flüssigkultur) wächst. Wenn Populationen wachsen, ist es notwendig, gleichzeitig ein Kulturvolumen zu entziehen, das dem hinzugefügten ähnlich ist, unabhängig davon, ob die zurückgezogene Kultur verwendet wurde oder nicht.

Auf diese Weise wird im Chemostat eine Verdünnung unter kontinuierlicher Zugabe von frischem Medium und Eliminierung der Kultur durchgeführt, wie teilweise im vorhergehenden Absatz beschrieben. Ein einzelner Nährstoff ist dafür verantwortlich, das Wachstum im Behälter zu begrenzen, während der Rest im Überschuss vorhanden ist.

Dieser einzelne wachstumslimitierende Nährstoff wird von der Person, die das Experiment entwickelt, vorgegeben. Er kann ein beliebiger Nährstoff sein und hängt in vielen Fällen von der Art in der Kultur ab.

Geschichte

Chargenkulturen von Mikroorganismen stammen aus Jahrhunderten (Brauen von Bieren und anderen Getränken). Dauerkulturen sind jedoch relativ modern. Einige Mikrobiologen führen die Anfänge der kontinuierlichen Kultivierung auf den berühmten russischen Mikrobiologen Sergey Vinogradsky zurück.

Vinogradski untersuchte das Wachstum von sulforeduktiven Bakterien in einem Gerät seines eigenen Designs (Vinogradski-Säule). Während seines Studiums fütterte er die Säule mit Schwefelwasserstofftropfen als Nahrung für diese Bakterien.

Wenn es um kontinuierliche Kultivierung geht, müssen unbedingt drei Charaktere erwähnt werden: Jacques Monod, Aaron Novick und Leo Szilard. Monod war ein renommierter Biologe und 1965 Nobelpreisträger.

Dieser Forscher (Monod), der Teil des Pasteur-Instituts war, entwickelte zwischen 1931 und 1950 zahlreiche Tests, Berechnungen und Analysen. In dieser Zeit erstellte er das mathematische Modell des Wachstums von Mikroorganismen, das später als Monod-Gleichung bezeichnet wurde.

1950 entwarf er auf der Grundlage seiner gleichnamigen Gleichung ein Gerätemodell, das eine kontinuierliche Kultur von Mikroorganismen ermöglichte, und nannte es ein Baktogen.

Auf der anderen Seite trafen sich die Wissenschaftler Novick (Physiker) und Szilard (Chemiker) 1943 bei der Arbeit am Manhattan-Projekt (Atombombe). Jahre später zeigten sie Interesse am Bakterienwachstum und 1947 schlossen sie sich zusammen, um zusammenzuarbeiten und dies zu nutzen.

Nach mehreren Tests und Analysen entwickelten Novick und Szilard 1950 auf der Grundlage von Monods Berechnungen (Monods Gleichung) auch ein Modell der kontinuierlichen Kultur mikroskopischer Organismen, das sie Chemostat nannten, und dieser Name wurde bis heute beibehalten. . Allen drei wird die Erfindung jedoch zugeschrieben.

Anwendungen

Adaptive Biologie und Evolution

Die Werkzeuge, die dieses System der kontinuierlichen Mikroorganismenkultur bietet, werden von Ökologen und Evolutionisten verwendet, um zu untersuchen, wie die Wachstumsrate die zellulären Prozesse und den Stoffwechsel beeinflusst und wie sie den Selektionsdruck und die Genexpression steuert.

Dies wird ermöglicht, indem zehn bis Hunderte von Generationen im Chemostat unter kontrollierten Bedingungen bewertet und aufrechterhalten werden.

Zwei Chemostate zur Analyse der Ammoniumtoxizität in Hefen. Entnommen und bearbeitet von: (Bild: Maitreya Dunham).

Zellen-Biologie

Praktisch alle Studien, die sich auf den Chemostaten beziehen, beziehen sich auf die Zellbiologie, sogar auf molekulare, evolutionäre usw.

Insbesondere die Verwendung des Chemostaten für diesen Zweig der Biologie liefert jedoch wertvolle Informationen, die die Entwicklung mathematischer Modelle ermöglichen, die zum Verständnis der Stoffwechselprozesse in der Studienpopulation erforderlich sind.

Molekularbiologie

In den letzten 10 oder mehr Jahren hat das Interesse an der Verwendung von Chemostat bei der molekularen Analyse mikrobieller Gene zugenommen. Die Kulturmethode erleichtert das Erhalten von Informationen für eine umfassende oder systemische Analyse von Mikroorganismenkulturen.

Chemostat-Studien auf diesem Gebiet ermöglichen eine DNA-Transkriptionsanalyse im gesamten Genom sowie die Quantifizierung der Genexpression oder die Identifizierung von Mutationen in bestimmten Genen von Organismen wie beispielsweise der Hefe Saccharomyces cerevisiae.

Angereicherte Kulturen

Diese Studien wurden seit Ende des 19. Jahrhunderts mit diskontinuierlichen Systemen mit Werken von Beijerinck und Vinogradski durchgeführt, während sie in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts in kontinuierlichen Kulturen mit dem Chemostaten durchgeführt wurden.

Diese Studien bestehen aus der Anreicherung von Kulturmedien zur Ernte verschiedener Arten von Mikroben (Bakterien im Allgemeinen). Sie werden auch verwendet, um das Fehlen bestimmter Arten zu bestimmen oder das Vorhandensein einiger Arten festzustellen, deren Anteil im Medium sehr gering oder fast unmöglich zu beobachten ist. natürlich.

Angereicherte Kulturen in offenen kontinuierlichen Systemen (Chemostaten) werden auch verwendet, um mutierte Bakterienkulturen zu entwickeln, hauptsächlich Auxotrophe oder solche, die gegen Medikamente wie Antibiotika resistent werden können.

Ethanolproduktion

Aus industrieller Sicht wird die Verwendung und Herstellung von Biokraftstoffen immer häufiger. In diesem Fall handelt es sich um die Produktion von Ethanol aus dem gramnegativen Bakterium Zymomonas mobilis.

Dabei werden mehrere große serielle Chemostate verwendet, die auf konstanten Konzentrationen von Glucose und anderen Zuckern gehalten werden, um unter anaeroben Bedingungen in Ethanol umgewandelt zu werden.

Verweise

1. Der Chemostat: der ideale kontinuierliche Rührkesselreaktor. Wiederhergestellt von: biorreactores.tripod.
2. Chemostat. Wiederhergestellt von: en.wikipedia.org.
3. N. Ziv, NJ Brandt und D. Gresham (2013). Die Verwendung von Chemostaten in der mikrobiellen Systembiologie. Zeitschrift für visualisierte Experimente.
4. A. Novick & L. Szilard (1950). Beschreibung des Chemostaten. Wissenschaft.
5. J. Monod (1949). Das Wachstum von Bakterienkulturen Jährliche Überprüfung der Mikrobiologie.
6. D. Gresham & J. Hong (2015). Die funktionelle Basis der adaptiven Evolution in Chemostaten. FEMS Mikrobiologie Bewertungen.
7. HG Schlegel & HW Jannasch (1967). Anreicherungskulturen. Jahresrückblick Mikrobiologie.
8. J. Thierie (2016). Einführung in die Theorie der mehrphasigen dispergierten Systeme. (Hrsg.) Springer Nature. 210 Seiten