QUIMIÒSTAT: CARACTERÍSTIQUES, HISTÒRIA I USOS - BIOLOGIA - 2025

El quimiòstat és un dispositiu o aparell utilitzat per al cultiu de cèl·lules i microorganismes. És també anomenat bioreactor i té la capacitat de reproduir de forma experimental ambients aquàtics com llacs, llacunes de sedimentació o de tractament, entre d'altres.

És descrit de forma generalitzada com un recipient (la mida dependrà de si l'ús és industrial o de laboratori) amb una entrada perquè entre material estèril, i una sortida per on sortirà el material resultant de el procés, que en general són nutrients, deixalles, material estèril, microorganismes entre d'altres.

Diagrama d'un quimiòstat. Presa i editat de: CGraham2332.

Va ser descobert i presentat de forma independent i gairebé simultània pels científics Jacques Monod, Aaron Novick i Leo Szilard en 1950. Monod va treballar sol i el va anomenar bactógeno, mentre que Novick i Szilard van treballar en conjunt i ho van cridar quimiòstat, nom que perdura fins a actualitat.

Característiques de l'quimiòstat

El quimiòstat es caracteritza per l'addició constant d'un mitjà que conté un únic nutrient que limita el creixement i elimina de forma simultània part de l'cultiu, com l'excedent de producció, metabòlits i altres substàncies. Aquesta eliminació és reemplaçada constantment per material nou, aconseguint així un equilibri estable.

Sota aquestes condicions, la velocitat a la qual es desenvolupa el cultiu de microorganismes és igual a la velocitat a la qual es dilueix. Això és clau pel que fa a altres mètodes de cultiu, ja que es pot arribar a un estat estable en un entorn constant i definit.

Una altra característica important és que amb el quimiòstat l'operador pot controlar variables físiques, químiques i biològiques com a volum d'individus en el cultiu, oxigen dissolt, quantitat de nutrients, pH, etc.

Principi de l'mètode

El mètode consisteix en una població de microorganismes que creix des d'un principi de forma similar a qual es dóna en els cultius discontinus o per lots (el cultiu líquid més simple). Quan les poblacions creixen és necessari retirar de manera simultània un volum de cultiu similar a l'afegit, així el cultiu retirat hagi estat utilitzat o no.

D'aquesta manera, al quimiòstat es realitza una dilució emprant addició contínua de mig fresc i l'eliminació de l'cultiu com és descrit en part en el paràgraf anterior. Un únic nutrient és l'encarregat de limitar el creixement en el recipient mentre que la resta està present en excés.

Aquest únic nutrient limitant de l'creixement és predeterminat per la persona que desenvolupa l'experiment, pot ser qualsevol nutrient i en molts casos dependrà de l'espècie en cultiu.

història

Els cultius discontinus de microorganismes daten de fa segles (fabricació de cerveses i altres begudes). No obstant això els cultius continus són una cosa relativament més modern. Alguns microbiòlegs li atribueixen els inicis de l'cultiu continu a el famós microbiòleg rus Serguei Vinogradski.

Vinogradski va estudiar el creixement de bacteris sulforeductoras en un aparell dissenyat pel mateix (columna d'Vinogradski). Durant els seus estudis, li subministrava a la columna gotes de sulfur d'hidrogen com a aliment per aquests bacteris

Quan es parla de cultius continus és obligatori parlar de 3 personatges: Jacques Monod, Aaron Novick i Leo Szilard. Monod va ser un consagrat biòleg i guanyador de el premi nobel en l'any de 1965.

Aquest investigador (Monod), mentre formava part de l'Institut Pasteur, va desenvolupar molts assajos, càlculs i anàlisi entre 1931 i 1950. Durant aquest temps va crear el model matemàtic de creixement de microorganismes que després es cridaria l'Equació de Monod.

El 1950, basant-se en l'equació que porta el seu nom, va dissenyar un model d'aparell que permetia un cultiu de microorganismes de forma contínua i ho va denominar bactógeno.

D'altra banda, els científics Novick (físic) i Szilard (químic) es van conèixer mentre treballen en el projecte Manhattan (la bomba atòmica) el 1943; anys més tard començarien a mostrar interès pel creixement bacterià i el 1947 es van associar per treballar en conjunt i treure profit d'això.

Després de múltiples assajos i anàlisis Novick i Szilard, amb base en els càlculs de Monod (equació de Monod), van idear també el 1950 un model de cultiu continu d'organismes microscòpics a què van cridar quimiòstat, i és el nom que s'ha mantingut fins a la data. Però als tres se li atribueix l'invent.

usos

Biologia i evolució adaptativa

Les eines que ofereix aquest sistema de cultiu continu de microorganismes són utilitzades per ecòlegs i evolucionistes per estudiar com la taxa de creixement afecta els processos cel·lulars i el metabolisme, i com controla la pressió de selecció i l'expressió dels gens.

Això ho fan possible després d'avaluar i mantenir desenes a centenars de generacions en el quimiòstat sota condicions controlades.

Dos quimiostatos, emprats en l'anàlisi de toxicitat de l'amoni en llevats. Presa i editada de: (Imatge: Maitreya Dunham).

Biologia cel·lular

Pràcticament tots els estudis relacionats amb el quimiòstat estan relacionats amb biologia cel·lular, fins i tot els moleculars, evolutius, etc.

No obstant això, de forma específica, l'ús de l'quimiòstat per a aquesta branca de la biologia proveeix d'informació valuosa que permet elaborar models matemàtics necessaris per a comprendre els processos metabòlics en la població d'estudi.

Biologia molecular

En els últims 10 anys o potser més, ha crescut l'interès per l'ús de l'quimiòstat en les anàlisis moleculars de gens microbians. El mètode de cultiu facilita l'obtenció d'informació per a anàlisis integrals o sistèmics de cultius de microorganismes.

Els estudis en aquest camp amb quimiòstat, permeten anàlisi de transcripció de l'ADN en tot el genoma, així com quantificar l'expressió gènica o identificar mutacions en gens específics d'organismes com el llevat Saccharomyces cerevisiae, per exemple.

cultius enriquits

Aquests estudis es realitzen emprant sistemes discontinus des de finals de segle XIX amb els treballs de Beijerinck i Vinogradski, mentre que a la dècada dels 60 de segle passat van començar a fer-se en cultius continus emprant el quimiòstat.

Aquests estudis consisteixen en enriquir mitjans de cultius per collir diferents tipus de microbis (bacteris en general), s'empra també per determinar l'absència de certes espècies o detectar la presència d'algunes la proporció sigui molt baixa o gairebé impossible d'observar en el medi natural.

També s'utilitzen els cultius enriquits en sistemes continus oberts (quimiostatos) per desenvolupar cultius de bacteris mutants, principalment auxótrofas o aquelles que puguin arribar a ser resistents a fàrmacs com els antibiòtics.

Producció d'etanol

Des del punt de vista industrial, és cada vegada més freqüent l'ús i producció de biocombustibles. En aquest cas és la producció d'etanol a partir del bacteri Gram negativa Zymomonas mobilis.

En el procés són utilitzats diversos quimiostatos seriats de grans dimensions, mantinguts a concentracions constants de glucosa i altres sucres, perquè siguin convertits en etanol en condicions anaeròbiques.

referències

1. El quimiòstat: el reactor continu ideal de tanc agitat. Recuperat de: biorreactores.tripod.
2. Chemostat. Recuperat de: en.wikipedia.org.
3. N. Ziv, NJ Brandt, & D. Gresham (2013). The Use of Chemostats in Microbial Systems Biology. Journal of visualized experiments.
4. A. Novick & L. Szilard (1950). Description of the chemostat. Science.
5. J. Monod (1949). The growth of bacterial culturesAnnual Review of Microbiology.
6. D. Gresham & J. Hong (2015). The functional basis of adaptive evolution in chemostats. FEMS microbiology reviews.
7. HG Schlegel, & HW Jannasch (1967). Enrichment Cultures. Annual Review of Microbiology.
8. J. Thierie (2016). Introduction to polyphasic dispersed systems theory. (Eds) Springer Nature. 210 pp.