ХЕМОСТАТ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ИСТОРИЯ И ПРИЛОЖЕНИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

В хемостат е устройство или апаратура, използвана за култивиране на клетки и микроорганизми. Нарича се още биореактор и има способността да възпроизвежда експериментално водни среди като езера, седиментационни или лечебни водоеми, наред с други.

Обикновено се описва като контейнер (размерът ще зависи от това дали употребата е индустриална или лабораторна) с вход, така че да влезе стерилен материал и изход, през който материалът в резултат на процеса ще излезе, които обикновено са хранителни вещества. отпадъци, стерилен материал, микроорганизми и др.

Диаграма на хемостат. Взето и редактирано от: CGraham2332.

Той е открит и представен независимо и почти едновременно от учените Жак Монод, Аарон Новик и Лео Силард през 1950 г. Монод работи самостоятелно и го нарече бактоген, докато Новик и Силард работиха заедно и го нарекоха хемостат, име, което се запазва и до днес.,

Характеристики на хемостата

Хемостатът се характеризира с постоянното добавяне на среда, съдържаща едно единствено хранително вещество, което ограничава растежа и едновременно премахва част от културата, като излишък от производство, метаболити и други вещества. Това отстраняване постоянно се заменя с нов материал, като по този начин се постига стабилен баланс.

При тези условия скоростта, с която се развива културата на микроорганизмите, е равна на скоростта, с която се разрежда. Това е ключово в сравнение с другите методи на отглеждане, тъй като може да се достигне стабилно състояние в постоянна и определена среда.

Друга важна характеристика е, че с хемостата операторът може да контролира физични, химични и биологични променливи, като обем на индивидите в културата, разтворен кислород, количество хранителни вещества, рН и др.

Принцип на метода

Методът се състои от популация от микроорганизми, която расте от самото начало по подобен начин на тази на прекъснати или партидни култури (най-простата течна култура). Когато нараства популацията, е необходимо едновременно да се изтегли обем от култура, подобен на добавената, независимо дали изтеглената култура е била използвана или не.

По този начин в хемостата се извършва разреждане, като се използва непрекъснато добавяне на прясна среда и елиминирането на културата, както е описано в част от предишния параграф. Едно-единствено хранително вещество е отговорно за ограничаването на растежа в контейнера, докато останалото присъства в излишък.

Това единствено ограничаващо растежа хранително вещество е предопределено от човека, развиващ експеримента, може да бъде всяко хранително вещество и в много случаи ще зависи от видовете в културата.

история

Културните партиди от микроорганизми датират от векове (варене на бира и други напитки). Непрекъснатите култури обаче са нещо сравнително по-модерно. Някои микробиолози приписват наченките на непрекъснато култивиране на известния руски микробиолог Сергей Виноградски.

Виноградски изучава растежа на сулфоредуктивни бактерии в устройство по свой собствен дизайн (колона Виноградски). По време на проучванията си той подава капки сероводород в колоната като храна за тези бактерии.

Когато говорим за непрекъснато отглеждане е задължително да се говори за 3 героя: Жак Монод, Аарон Новик и Лео Шилард. Монод е известен биолог и носител на Нобеловата награда през 1965г.

Този изследовател (Монод), докато е бил част от Пастьорския институт, разработва много тестове, изчисления и анализи между 1931 и 1950 г. През това време той създава математическия модел на растежа на микроорганизмите, който по-късно ще бъде наречен уравнението на Монод.

През 1950 г. въз основа на уравнението, което носи неговото име, той проектира модел на апаратура, позволяваща култура на микроорганизми непрекъснато и я нарича бактоген.

От друга страна, учените Новик (физик) и Силард (химик) се срещнаха по време на работата по проекта за Манхатън (атомната бомба) през 1943 г.; години по-късно те ще започнат да проявяват интерес към растежа на бактериите и през 1947 г. си партнират, за да работят заедно и да се възползват от това.

След множество тестове и анализи, Новик и Силард, въз основа на изчисленията на Монод (уравнението на Монод), също така през 1950 г. създават модел на непрекъсната култура на микроскопични организми, който те наричат ​​хемостат, и това име е запазено и до днес., Но и трите са кредитирани за изобретението.

Приложения

Адаптивна биология и еволюция

Инструментите, предлагани от тази система за непрекъсната култура на микроорганизми, се използват от еколози и еволюционисти, за да проучат как скоростта на растеж влияе върху клетъчните процеси и метаболизма и как контролира селекционния натиск и генната експресия.

Това става възможно чрез оценка и поддържане на десетки до стотици поколения в хемостата при контролирани условия.

Два хемостата, използвани при анализа на токсичността на амония в дрождите. Взето и редактирано от: (Изображение: Maitreya Dunham).

Клетъчна биология

На практика всички изследвания, свързани с хемостата, са свързани с клетъчната биология, дори молекулярна, еволюционна и т.н.

Конкретно обаче използването на хемостата за този клон на биологията предоставя ценна информация, която позволява разработването на математически модели, необходими за разбиране на метаболитните процеси в изследваната популация.

Молекулярна биология

През последните 10 или повече години интересът към използването на хемостат за молекулен анализ на микробни гени нараства. Културният метод улеснява получаването на информация за цялостен или системен анализ на културите от микроорганизми.

Хемостатичните изследвания в тази област позволяват анализ на ДНК транскрипция в целия геном, както и количествено определяне на генната експресия или идентифициране на мутации в специфични гени на организми като дрождите Saccharomyces cerevisiae, например.

Обогатени култури

Тези изследвания се извършват с използване на прекъснати системи от края на 19 век с произведенията на Бейеринк и Виноградски, докато през 60-те години на миналия век те започват да се извършват в непрекъснати култури с помощта на хемостата.

Тези изследвания се състоят в обогатяване на културните среди за събиране на различни видове микроби (бактерии като цяло), също така се използва за определяне на отсъствието на определени видове или за откриване на наличието на някои, чието съотношение е много ниско или почти невъзможно да се наблюдава в средата. естествено.

Обогатените култури в отворени непрекъснати системи (хемостати) също се използват за развиване на мутантни бактериални култури, главно ауксотрофи или такива, които могат да станат резистентни към лекарства като антибиотици.

Производство на етанол

От индустриална гледна точка използването и производството на биогорива се среща все по-често. В този случай става дума за производството на етанол от грамотрицателната бактерия Zymomonas mobilis.

В процеса се използват няколко големи серийни хемостати, поддържани при постоянни концентрации на глюкоза и други захари, които се превръщат в етанол при анаеробни условия.

Препратки

1. Хемостатът: идеалният реактор за непрекъснато разбъркване на резервоара. Възстановени от: biorreactores.tripod.
2. Хемостатични. Възстановено от: en.wikipedia.org.
3. N. Ziv, NJ Brandt и D. Gresham (2013). Използването на хемостати в биологията на микробните системи. Списание за визуализирани експерименти.
4. A. Novick & L. Szilard (1950). Описание на хемостата. Science.
5. J. Monod (1949). Растежът на бактериалните култури Годишен преглед на микробиологията.
6. D. Gresham & J. Hong (2015). Функционалната основа на адаптивната еволюция при хемостатите. FEMS микробиологични прегледи.
7. HG Schlegel, & HW Jannasch (1967). Култури за обогатяване. Годишен преглед на микробиологията.
8. J. Thierie (2016). Въведение в теорията на многофазните дисперсни системи. (eds) Springer Nature. 210 стр.