CHEMOSTAT: ĐẶC ĐIỂM, LỊCH SỬ VÀ SỬ DỤNG - SINH HỌC - 2026

Các chemostat là một thiết bị hoặc thiết bị sử dụng cho việc trồng các tế bào và vi sinh vật. Nó còn được gọi là lò phản ứng sinh học và có khả năng tái tạo thực nghiệm các môi trường nước như hồ, ao lắng hoặc ao xử lý, trong số những môi trường khác.

Nó thường được mô tả như một vật chứa (kích thước sẽ phụ thuộc vào việc sử dụng là công nghiệp hay phòng thí nghiệm) với một đầu vào để nguyên liệu vô trùng đi vào và một cửa ra để nguyên liệu thu được từ quá trình thoát ra, thường là các chất dinh dưỡng. chất thải, vật liệu vô trùng, vi sinh vật trong số những thứ khác.

Sơ đồ của một chemostat. Lấy và biên tập từ: CGraham2332.

Nó được các nhà khoa học Jacques Monod, Aaron Novick và Leo Szilard phát hiện và trình bày một cách độc lập và gần như đồng thời vào năm 1950. Monod làm việc một mình và gọi nó là bactogen, trong khi Novick và Szilard làm việc cùng nhau và gọi nó là chemostat, một cái tên tồn tại cho đến ngày nay. .

Tính năng Chemostat

Chemostat được đặc trưng bởi việc bổ sung liên tục môi trường có chứa một chất dinh dưỡng duy nhất hạn chế sự phát triển và đồng thời loại bỏ một phần nuôi cấy, chẳng hạn như sản xuất dư thừa, chất chuyển hóa và các chất khác. Việc loại bỏ này liên tục được thay thế bằng vật liệu mới, do đó đạt được sự cân bằng ổn định.

Trong các điều kiện này, tốc độ vi sinh vật phát triển bằng tốc độ pha loãng. Đây là điểm mấu chốt so với các phương pháp tu luyện khác, vì trạng thái ổn định có thể đạt được trong một môi trường không đổi và xác định.

Một tính năng quan trọng khác là với chemostat, người vận hành có thể kiểm soát các biến vật lý, hóa học và sinh học như khối lượng cá thể trong môi trường nuôi, oxy hòa tan, lượng chất dinh dưỡng, độ pH, v.v.

Nguyên tắc phương pháp

Phương pháp này bao gồm một quần thể vi sinh vật phát triển ngay từ đầu theo cách tương tự như phương pháp nuôi cấy không liên tục hoặc theo lô (nuôi cấy lỏng đơn giản nhất). Khi quần thể phát triển, cần phải rút đồng thời một thể tích dịch nuôi cấy tương tự như thể tích đã thêm vào, cho dù mẫu cấy rút đã được sử dụng hay chưa.

Theo cách này, trong quá trình chemostat, việc pha loãng được thực hiện bằng cách bổ sung liên tục môi trường mới và loại bỏ chất nuôi cấy như đã mô tả ở phần trước. Một chất dinh dưỡng duy nhất chịu trách nhiệm hạn chế sự phát triển trong thùng chứa trong khi phần còn lại có mặt dư thừa.

Chất dinh dưỡng hạn chế sinh trưởng duy nhất này được xác định trước bởi người phát triển thí nghiệm, nó có thể là bất kỳ chất dinh dưỡng nào và trong nhiều trường hợp, nó sẽ phụ thuộc vào loài nuôi cấy.

Lịch sử

Nuôi cấy hàng loạt vi sinh vật có từ nhiều thế kỷ trước (sản xuất bia và đồ uống khác). Tuy nhiên, cây trồng liên tục là một cái gì đó tương đối hiện đại hơn. Một số nhà vi sinh vật cho rằng sự khởi đầu của quá trình canh tác liên tục là do nhà vi sinh vật học nổi tiếng người Nga Sergey Vinogradsky.

Vinogradski đã nghiên cứu sự phát triển của vi khuẩn có khả năng sinh sản trong một thiết bị do chính ông thiết kế (cột Vinogradski). Trong quá trình nghiên cứu của mình, ông đã cho những giọt hydro sunfua vào cột làm thức ăn cho những vi khuẩn này.

Khi nói về sự trau dồi liên tục thì bắt buộc phải nói đến 3 nhân vật: Jacques Monod, Aaron Novick và Leo Szilard. Monod là nhà sinh vật học nổi tiếng và là người đoạt giải Nobel năm 1965.

Nhà nghiên cứu này (Monod), khi còn là thành viên của Viện Pasteur, đã phát triển nhiều thử nghiệm, tính toán và phân tích từ năm 1931 đến năm 1950. Trong thời gian này, ông đã tạo ra mô hình toán học về sự phát triển của vi sinh vật mà sau này được gọi là Phương trình Monod.

Năm 1950, dựa trên phương trình mang tên mình, ông đã thiết kế một mô hình thiết bị cho phép nuôi cấy vi sinh vật liên tục và gọi nó là bactogen.

Mặt khác, các nhà khoa học Novick (nhà vật lý) và Szilard (nhà hóa học) gặp nhau khi làm việc trong dự án Manhattan (bom nguyên tử) vào năm 1943; nhiều năm sau, họ bắt đầu thể hiện sự quan tâm đến sự phát triển của vi khuẩn và vào năm 1947, họ đã hợp tác làm việc cùng nhau và tận dụng điều này.

Sau nhiều lần thử nghiệm và phân tích, Novick và Szilard, dựa trên tính toán của Monod (phương trình Monod), cũng đã phát minh ra vào năm 1950 một mô hình nuôi cấy liên tục các sinh vật cực nhỏ mà họ gọi là chemostat, và đó là cái tên được duy trì cho đến nay. . Nhưng cả ba đều được ghi nhận với phát minh.

Các ứng dụng

Sinh học thích nghi và sự tiến hóa

Các công cụ được cung cấp bởi hệ thống nuôi cấy vi sinh vật liên tục này được sử dụng bởi các nhà sinh thái học và các nhà tiến hóa để nghiên cứu tốc độ tăng trưởng ảnh hưởng như thế nào đến các quá trình và sự trao đổi chất của tế bào cũng như cách nó kiểm soát áp lực chọn lọc và biểu hiện gen.

Điều này có thể thực hiện được bằng cách đánh giá và duy trì hàng chục đến hàng trăm thế hệ trong bộ điều khiển dưới các điều kiện được kiểm soát.

Hai chemostats, được sử dụng trong phân tích độc tính amoni trong nấm men. Lấy và chỉnh sửa từ: (Hình ảnh: Maitreya Dunham).

Sinh học tế bào

Hầu như tất cả các nghiên cứu liên quan đến chemostat đều liên quan đến sinh học tế bào, thậm chí là phân tử, tiến hóa, v.v.

Tuy nhiên, đặc biệt, việc sử dụng chemostat cho ngành sinh học này cung cấp thông tin có giá trị cho phép phát triển các mô hình toán học cần thiết để hiểu các quá trình trao đổi chất trong quần thể nghiên cứu.

Sinh học phân tử

Trong 10 năm trở lại đây, sự quan tâm đến việc sử dụng chemostat trong phân tích phân tử gen vi sinh vật đã tăng lên. Phương pháp nuôi cấy tạo điều kiện thuận lợi cho việc thu thập thông tin để phân tích toàn diện hoặc hệ thống về các vi sinh vật nuôi cấy.

Các nghiên cứu Chemostat trong lĩnh vực này cho phép phân tích phiên mã DNA trong toàn bộ hệ gen, cũng như định lượng sự biểu hiện của gen hoặc xác định các đột biến trong các gen cụ thể của các sinh vật như nấm men Saccharomyces cerevisiae chẳng hạn.

Văn hóa phong phú

Các nghiên cứu này đã được thực hiện bằng cách sử dụng các hệ thống không liên tục từ cuối thế kỷ 19 với các công trình của Beijerinck và Vinogradski, trong khi vào những năm 60 của thế kỷ trước, chúng bắt đầu được thực hiện trong các nền văn hóa liên tục bằng cách sử dụng chemostat.

Những nghiên cứu này bao gồm việc làm giàu môi trường nuôi cấy để thu hoạch các loại vi sinh khác nhau (vi khuẩn nói chung), nó cũng được sử dụng để xác định sự vắng mặt của một số loài nhất định hoặc phát hiện sự hiện diện của một số loài có tỷ lệ rất thấp hoặc hầu như không thể quan sát được trong môi trường. tự nhiên.

Nuôi cấy phong phú trong hệ thống liên tục mở (chemostats) cũng được sử dụng để phát triển nuôi cấy vi khuẩn đột biến, chủ yếu là các sinh vật phụ trợ hoặc những vi khuẩn có thể trở nên kháng thuốc như kháng sinh.

Sản xuất etanol

Từ quan điểm công nghiệp, việc sử dụng và sản xuất nhiên liệu sinh học ngày càng phổ biến. Trong trường hợp này, đó là sản xuất ethanol từ vi khuẩn Gram âm Zymomonas Mobilis.

Trong quá trình này, một số chất gian lận nối tiếp lớn được sử dụng, duy trì ở nồng độ không đổi của glucose và các loại đường khác, để chuyển hóa thành ethanol trong điều kiện kỵ khí.

Người giới thiệu

1. Chemostat: lò phản ứng bể khuấy liên tục lý tưởng. Đã khôi phục từ: biorreactores.tripod.
2. Chemostat. Được khôi phục từ: en.wikipedia.org.
3. N. Ziv, NJ Brandt và D. Gresham (2013). Việc sử dụng các chất gian lận trong sinh học các hệ vi sinh vật. Tạp chí thí nghiệm trực quan.
4. A. Novick & L. Szilard (1950). Mô tả của chemostat. Khoa học.
5. J. Monod (1949). Sự phát triển của các vi khuẩn
6. D. Gresham & J. Hong (2015). Cơ sở chức năng của quá trình tiến hóa thích nghi trong gian lận. Đánh giá vi sinh của FEMS.
7. HG Schlegel, & HW Jannasch (1967). Văn hóa làm giàu. Đánh giá hàng năm về vi sinh.
8. J. Thierie (2016). Giới thiệu về lý thuyết hệ thống phân tán nhiều pha. (eds) Springer Nature. 210 tr.