Quimiòstat

Un quimiòstat és un instrument emprat per a obtenir cultius continus.^[1] Consisteix en un receptacle tancat que es comunica amb un dipòsit que li subministra constantment un medi de cultiu i amb un sifó pel qual surt l'excés de cèl·lules del cultiu i de llurs productes d’excreció.^[1] Mitjançant l’aireig i l’agitació mecànica s'aconsegueix l'entrada d’oxigen i la distribució homogènia pel medi. Fent entrar un flux amb una concentració òptima de substància nutritiva, s'assoleix una producció cel·lular màxima si la població és mantinguda en la fase del creixement exponencial.^[1]

Un quimiòstat és un bioreactor al qual s'afegeix un medi fresc contínuament, mentre que el líquid de cultiu que conté sobrants de nutrients, productes finals metabòlics i microorganismes s'elimina contínuament a la mateixa velocitat per mantenir el volum de cultiu constant.^[2][3] En canviar la velocitat amb què s'afegeix el medi al bioreactor, la taxa de creixement específica del microorganisme es pot controlar fàcilment dins dels límits.

Velocitat de dilució

La velocitat de canvi de nutrient és expressada com l'índex de dilució D. En l'estat estacionari, l'índex de creixement específic μ del microorganisme és igual a l'índex de dilució D. L'índex de dilució és definit com el flux de medi per unitat de temps, F, sobre el volum V de cultiu en el bioreactor.

${\displaystyle D={\frac {velocitatflux}{volumcultiu}}={\frac {F}{V}}}$

Aplicacions

Recerca

Els quimiòstats s'utilitzen per a investigacions en biologia cel·lular, com a font per a grans volums de cèl·lules o proteïnes uniformes. El quimiòstat s'utilitza sovint per recopilar dades d'estat estacionari sobre un organisme per tal de generar un model matemàtic relacionat amb els seus processos metabòlics. Els quimiostàtics també s'utilitzen com a microcosmos en ecologia^[4][5] i biologia evolutiva.^[6][7][8][9] En un cas, la mutació/selecció és una molèstia, en l'altre cas, és el procés desitjat en estudi. Els quimiòstats també es poden utilitzar per enriquir tipus específics de mutants bacterians en cultiu, com els auxòtrofs o els que són resistents als antibiòtics o bacteriòfags per a un estudi científic posterior.^[10] Les variacions en la velocitat de dilució permeten estudiar les estratègies metabòliques que segueixen els organismes a diferents ritmes de creixement.^[11][12]

La competència per recursos únics i múltiples, l'evolució de les vies d'adquisició i utilització de recursos, l'alimentació creuada/simbiosi,^[13][14] l'antagonisme, la depredació i la competència entre depredadors s'han estudiat en ecologia i biologia evolutiva mitjançant quimiòstats.^[15][16][17]

Indústria

Els quimiòstats s'utilitzen freqüentment en la fabricació industrial d'etanol. En aquest cas, s'utilitzen diversos quimiòstats en sèrie, cadascun es manté a concentracions de sucre decreixents. El quimiòstat també serveix com a model experimental de cultius cel·lulars continus en la indústria biotecnològica.

Referències

1. «Quimiòstat». Gran Enciclopèdia Catalana. Barcelona: Grup Enciclopèdia Catalana.
2. «Description of the Chemostat». Science, 112, 2920, 1950, pàg. 715–6. Bibcode: 1950Sci...112..715N. DOI: 10.1126/science.112.2920.715. PMID: 14787503.
3. James TW «Continuous Culture of Microorganisms». Annual Review of Microbiology, 15, 1961, pàg. 27–46. DOI: 10.1146/annurev.mi.15.100161.000331.
4. «Experimental demonstration of chaos in a microbial food web». Nature, 435, 7046, 2005, pàg. 1226–9. Bibcode: 2005Natur.435.1226B. DOI: 10.1038/nature03627. PMID: 15988524.
5. «Microbial predation in a periodically operated chemostat: a global study of the interaction between natural and externally imposed frequencies». Math Biosci, 108, 1, 1992, pàg. 1–55. DOI: 10.1016/0025-5564(92)90002-E. PMID: 1550993.
6. «Adaptive Molecular Evolution for 13,000 Phage Generations: A Possible Arms Race». Genetics, 170, 1, 2005, pàg. 19–31. DOI: 10.1534/genetics.104.034488. PMC: 1449705. PMID: 15687276.
7. «Evolution of specialists in an experimental microcosm». Genetics, 167, 4, 2004, pàg. 2015–26. DOI: 10.1534/genetics.103.025205. PMC: 1470984. PMID: 15342537.
8. «The apparent clock-like evolution of Escherichia coli in glucose-limited chemostats is reproducible at large but not at small population sizes and can be explained with Monod kinetics». Microbiology, 148, Pt 9, 2002, pàg. 2889–902. DOI: 10.1099/00221287-148-9-2889. PMID: 12213934.
9. «Effects of rapid prey evolution on predator-prey cycles». J Math Biol, 55, 4, 2007, pàg. 541–73. arXiv: q-bio/0609032. DOI: 10.1007/s00285-007-0094-6. PMID: 17483952.
10. «Enrichment cultures». Annu. Rev. Microbiol., 21, 1967, pàg. 49–70. DOI: 10.1146/annurev.mi.21.100167.000405. PMID: 4860267.
11. Varma, A.; Palsson, B. O. «Stoichiometric flux balance models quantitatively predict growth and metabolic by-product secretion in wild-type Escherichia coli W3110.» (en anglès). Applied and Environmental Microbiology, 60, 10, 01-10-1994, pàg. 3724–3731. Bibcode: 1994ApEnM..60.3724V. DOI: 10.1128/aem.60.10.3724-3731.1994. ISSN: 0099-2240. PMC: 201879. PMID: 7986045.
12. Fernandez-de-Cossio-Diaz, Jorge; Leon, Kalet; Mulet, Roberto «Characterizing steady states of genome-scale metabolic networks in continuous cell cultures». PLOS Computational Biology, 13, 11, 13-11-2017, pàg. e1005835. arXiv: 1705.09708. Bibcode: 2017PLSCB..13E5835F. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1005835. ISSN: 1553-7358. PMC: 5703580. PMID: 29131817.
13. «Parathion utilization by bacterial symbionts in a chemostat». Appl. Environ. Microbiol., 34, 2, 1977, pàg. 175–84. Bibcode: 1977ApEnM..34..175D. DOI: 10.1128/aem.34.2.175-184.1977. PMC: 242618. PMID: 410368.
14. «Evolution of cross-feeding in microbial populations». Am. Nat., 163, 6, 2004, pàg. E126–35. DOI: 10.1086/383593. PMID: 15266392.
15. G. J. Butler; G. S. K. Wolkowicz «Predator-mediated competition in the chemostat». J Math Biol, 24, 2, 7-1986, pàg. 67–191. DOI: 10.1007/BF00275997.
16. «Selection in chemostats». Microbiol. Rev., 47, 2, 6-1983, pàg. 150–68. DOI: 10.1128/mr.47.2.150-168.1983. PMC: 281569. PMID: 6308409.
17. «Evolution of Competitive Ability in Escherichia coli». Evolution, 35, 3, 5-1981, pàg. 581–94. DOI: 10.2307/2408204. JSTOR: 2408204. PMID: 28563589.