CHEMOSTAT: CARATTERISTICHE, STORIA E USI - BIOLOGIA - 2025

Il chemostato è un dispositivo o apparecchio utilizzato per la coltivazione di cellule e microrganismi. È anche chiamato bioreattore e ha la capacità di riprodurre sperimentalmente ambienti acquatici come laghi, sedimenti o stagni di trattamento, tra gli altri.

Viene generalmente descritto come un contenitore (la dimensione dipenderà dal fatto che l'uso sia industriale o di laboratorio) con un ingresso in modo che entri materiale sterile e un'uscita attraverso la quale uscirà il materiale risultante dal processo, che generalmente sono nutrienti. rifiuti, materiale sterile, microrganismi tra gli altri.

Schema di un chemostato. Tratto e modificato da: CGraham2332.

È stato scoperto e presentato in modo indipendente e quasi simultaneo dagli scienziati Jacques Monod, Aaron Novick e Leo Szilard nel 1950. Monod ha lavorato da solo e lo ha chiamato bactogen, mentre Novick e Szilard hanno lavorato insieme e lo hanno chiamato chemostato, un nome che persiste ancora oggi. .

Caratteristiche del chemostato

Il chemostato è caratterizzato dall'aggiunta costante di un mezzo contenente un singolo nutriente che limita la crescita e contemporaneamente rimuove parte della coltura, come la produzione in eccesso, i metaboliti e altre sostanze. Questa rimozione viene costantemente sostituita da nuovo materiale, ottenendo così un equilibrio stabile.

In queste condizioni, la velocità con cui si sviluppa la coltura di microrganismi è uguale alla velocità con cui viene diluita. Questo è fondamentale rispetto ad altri metodi di coltivazione, poiché uno stato stabile può essere raggiunto in un ambiente costante e definito.

Un'altra caratteristica importante è che con il chemostato l'operatore può controllare variabili fisiche, chimiche e biologiche come il volume degli individui nella coltura, l'ossigeno disciolto, la quantità di nutrienti, il pH, ecc.

Principio del metodo

Il metodo consiste in una popolazione di microrganismi che cresce dall'inizio in modo simile a quello delle colture discontinue o batch (la coltura liquida più semplice). Quando le popolazioni crescono è necessario ritirare contemporaneamente un volume di coltura simile a quello aggiunto, indipendentemente dal fatto che la coltura ritirata sia stata utilizzata o meno.

In questo modo nel chemostato si effettua una diluizione mediante aggiunta continua di terreno fresco e l'eliminazione della coltura come descritto in parte nel paragrafo precedente. Un singolo nutriente è responsabile della limitazione della crescita nel contenitore mentre il resto è presente in eccesso.

Questo singolo nutriente limitante la crescita è predeterminato dalla persona che sviluppa l'esperimento, può essere qualsiasi nutriente e in molti casi dipenderà dalla specie in coltura.

Storia

Le colture in lotti di microrganismi risalgono a secoli fa (produzione di birre e altre bevande). Tuttavia, i raccolti continui sono qualcosa di relativamente più moderno. Alcuni microbiologi attribuiscono l'inizio della coltivazione continua al famoso microbiologo russo Sergey Vinogradsky.

Vinogradski ha studiato la crescita di batteri sulforiduttivi in ​​un dispositivo di sua progettazione (colonna Vinogradski). Durante i suoi studi, ha alimentato gocce di idrogeno solforato alla colonna come cibo per questi batteri.

Quando si parla di coltivazione continua è d'obbligo parlare di 3 personaggi: Jacques Monod, Aaron Novick e Leo Szilard. Monod era un rinomato biologo e vincitore del Premio Nobel nel 1965.

Questo ricercatore (Monod), mentre faceva parte dell'Istituto Pasteur, sviluppò molti test, calcoli e analisi tra il 1931 e il 1950. Durante questo periodo creò il modello matematico della crescita dei microrganismi che in seguito sarebbe stato chiamato Monod Equation.

Nel 1950, sulla base dell'equazione che porta il suo nome, progettò un modello di apparato che consentiva una coltura continua di microrganismi e lo chiamò bactogen.

D'altra parte, gli scienziati Novick (fisico) e Szilard (chimico) si incontrarono mentre lavoravano al progetto Manhattan (la bomba atomica) nel 1943; anni dopo avrebbero iniziato a mostrare interesse per la crescita batterica e nel 1947 collaborarono per lavorare insieme e trarne vantaggio.

Dopo molteplici test e analisi, Novick e Szilard, sulla base dei calcoli di Monod (equazione di Monod), hanno anche ideato nel 1950 un modello di coltura continua di organismi microscopici che hanno chiamato chemostato, ed è il nome che è stato mantenuto fino ad oggi. . Ma tutti e tre sono accreditati dell'invenzione.

applicazioni

Biologia adattiva ed evoluzione

Gli strumenti offerti da questo sistema di coltura continua di microrganismi sono utilizzati da ecologi ed evoluzionisti per studiare come il tasso di crescita influenzi i processi cellulari e il metabolismo e come controlla la pressione selettiva e l'espressione genica.

Ciò è reso possibile valutando e mantenendo da decine a centinaia di generazioni nel chemostato in condizioni controllate.

Due chemostati, utilizzati nell'analisi della tossicità dell'ammonio nei lieviti. Tratto e modificato da: (Immagine: Maitreya Dunham).

Biologia cellulare

Praticamente tutti gli studi relativi al chemostato sono legati alla biologia cellulare, anche molecolare, evolutiva, ecc.

Tuttavia, nello specifico, l'uso del chemostato per questo ramo della biologia fornisce preziose informazioni che consentono lo sviluppo di modelli matematici necessari per comprendere i processi metabolici nella popolazione in studio.

Biologia molecolare

Negli ultimi 10 o più anni è cresciuto l'interesse per l'uso del chemostato nell'analisi molecolare dei geni microbici. Il metodo di coltura facilita l'ottenimento di informazioni per un'analisi completa o sistemica delle colture di microrganismi.

Gli studi chemostat in questo campo consentono l'analisi della trascrizione del DNA in tutto il genoma, nonché la quantificazione dell'espressione genica o l'identificazione di mutazioni in geni specifici di organismi come il lievito Saccharomyces cerevisiae, ad esempio.

Culture arricchite

Questi studi sono stati condotti utilizzando sistemi discontinui a partire dalla fine del XIX secolo con i lavori di Beijerinck e Vinogradski, mentre negli anni '60 del secolo scorso hanno iniziato ad essere effettuati in culture continue utilizzando il chemostato.

Questi studi consistono nell'arricchimento dei terreni di coltura per raccogliere diversi tipi di microbi (batteri in generale), viene anche utilizzato per determinare l'assenza di alcune specie o rilevare la presenza di alcuni la cui proporzione è molto bassa o quasi impossibile da osservare nel terreno. naturale.

Colture arricchite in sistemi continui aperti (chemostati) vengono anche utilizzate per sviluppare colture di batteri mutanti, principalmente auxotrofi o quelli che possono diventare resistenti a farmaci come gli antibiotici.

Produzione di etanolo

Da un punto di vista industriale, l'uso e la produzione di biocarburanti è sempre più comune. In questo caso si tratta della produzione di etanolo dal batterio Gram negativo Zymomonas mobilis.

Nel processo vengono utilizzati diversi chemostati seriali di grandi dimensioni, mantenuti a concentrazioni costanti di glucosio e altri zuccheri, per essere convertiti in etanolo in condizioni anaerobiche.

Riferimenti

1. Il Chemostat: il reattore a serbatoio agitato continuo ideale. Estratto da: biorreactores.tripod.
2. Chemostat. Estratto da: en.wikipedia.org.
3. N. Ziv, NJ Brandt e D. Gresham (2013). L'uso dei chemostati nella biologia dei sistemi microbici. Giornale di esperimenti visualizzati.
4. A. Novick e L. Szilard (1950). Descrizione del chemostato. Scienza.
5. J. Monod (1949). La crescita delle colture batteriche Revisione annuale di microbiologia.
6. D. Gresham e J. Hong (2015). La base funzionale dell'evoluzione adattativa nei chemostati. Revisioni microbiologiche FEMS.
7. HG Schlegel e HW Jannasch (1967). Culture di arricchimento. Revisione annuale di microbiologia.
8. J. Thierie (2016). Introduzione alla teoria dei sistemi dispersi polifasici. (a cura di) Springer Nature. 210 pagg.