CHEMOSTAT: KARAKTERISTIK, SEJARAH DAN PENGGUNAAN - BIOLOGI - 2025

The chemostat adalah perangkat atau alat yang digunakan untuk budidaya sel dan mikroorganisme. Ini juga disebut bioreaktor dan memiliki kemampuan untuk mereproduksi lingkungan akuatik secara eksperimental seperti danau, sedimentasi atau kolam perawatan, antara lain.

Ini umumnya digambarkan sebagai wadah (ukuran akan tergantung pada apakah penggunaan industri atau laboratorium) dengan saluran masuk sehingga bahan steril masuk, dan saluran keluar yang akan melaluinya bahan hasil proses akan keluar, yang umumnya nutrisi. limbah, bahan steril, mikroorganisme antara lain.

Diagram dari chemostat. Diambil dan diedit dari: CGraham2332.

Itu ditemukan dan disajikan secara independen dan hampir bersamaan oleh ilmuwan Jacques Monod, Aaron Novick dan Leo Szilard pada tahun 1950. Monod bekerja sendiri dan menyebutnya baktogen, sementara Novick dan Szilard bekerja sama dan menyebutnya chemostat, nama yang bertahan hingga hari ini. .

Fitur Chemostat

Chemostat ditandai dengan penambahan konstan media yang mengandung nutrisi tunggal yang membatasi pertumbuhan dan secara bersamaan menghilangkan bagian dari kultur, seperti produksi berlebih, metabolit, dan zat lainnya. Penghapusan ini terus-menerus diganti dengan material baru, sehingga mencapai keseimbangan yang stabil.

Dalam kondisi ini, kecepatan kultur mikroorganisme berkembang sama dengan kecepatan diencerkan. Ini adalah kunci dibandingkan dengan metode budidaya lainnya, karena keadaan stabil dapat dicapai dalam lingkungan yang konstan dan ditentukan.

Karakteristik penting lainnya adalah dengan chemostat, operator dapat mengontrol variabel fisik, kimia dan biologi seperti volume individu dalam kultur, oksigen terlarut, jumlah nutrisi, pH, dll.

Prinsip metode

Metode ini terdiri dari populasi mikroorganisme yang tumbuh dari awal dengan cara yang mirip dengan kultur terputus-putus atau batch (kultur cair paling sederhana). Ketika populasi tumbuh, perlu untuk secara bersamaan menarik volume budaya yang serupa dengan yang ditambahkan, apakah budaya yang ditarik telah digunakan atau tidak.

Dengan cara ini, dalam chemostat suatu pengenceran dilakukan dengan menggunakan penambahan terus menerus medium segar dan penghapusan kultur seperti yang dijelaskan pada bagian paragraf sebelumnya. Nutrisi tunggal bertanggung jawab untuk membatasi pertumbuhan dalam wadah sementara sisanya ada secara berlebihan.

Nutrisi pembatas pertumbuhan tunggal ini telah ditentukan sebelumnya oleh orang yang mengembangkan eksperimen, dapat berupa nutrisi apa pun dan dalam banyak kasus bergantung pada spesies dalam budidaya.

Sejarah

Kultur batch mikroorganisme sudah ada sejak berabad-abad lalu (pembuatan bir dan minuman lain). Namun, tanaman berkelanjutan adalah sesuatu yang relatif lebih modern. Beberapa ahli mikrobiologi menghubungkan permulaan penanaman berkelanjutan dengan ahli mikrobiologi Rusia terkenal Sergey Vinogradsky.

Vinogradski mempelajari pertumbuhan bakteri sulforeduktif dalam perangkat rancangannya sendiri (kolom Vinogradski). Selama studinya, dia memasukkan tetesan hidrogen sulfida ke kolom sebagai makanan untuk bakteri ini.

Ketika berbicara tentang penanaman berkelanjutan, wajib berbicara tentang 3 karakter: Jacques Monod, Aaron Novick, dan Leo Szilard. Monod adalah seorang ahli biologi terkenal dan pemenang Hadiah Nobel pada tahun 1965.

Peneliti ini (Monod), ketika dia menjadi bagian dari Institut Pasteur, mengembangkan banyak tes, perhitungan dan analisis antara 1931 dan 1950. Selama itu dia menciptakan model matematis dari pertumbuhan mikroorganisme yang kemudian disebut Persamaan Monod.

Pada tahun 1950, berdasarkan persamaan yang menyandang namanya, ia merancang model alat yang memungkinkan kultur mikroorganisme secara terus menerus dan menyebutnya baktogen.

Di sisi lain, ilmuwan Novick (fisikawan) dan Szilard (ahli kimia) bertemu saat mengerjakan proyek Manhattan (bom atom) pada tahun 1943; bertahun-tahun kemudian mereka mulai menunjukkan minat pada pertumbuhan bakteri dan pada tahun 1947 mereka bermitra untuk bekerja sama dan memanfaatkan hal ini.

Setelah beberapa tes dan analisis, Novick dan Szilard, berdasarkan perhitungan Monod (persamaan Monod), juga menemukan pada tahun 1950 model kultur terus menerus dari organisme mikroskopis yang mereka sebut chemostat, dan itu adalah nama yang dipertahankan sampai saat ini. . Tapi ketiganya dikreditkan dengan penemuan.

Aplikasi

Biologi dan Evolusi Adaptif

Alat yang ditawarkan oleh sistem kultur mikroorganisme berkelanjutan ini digunakan oleh ahli ekologi dan evolusionis untuk mempelajari bagaimana laju pertumbuhan memengaruhi proses dan metabolisme seluler, dan bagaimana ia mengontrol tekanan seleksi dan ekspresi gen.

Ini dimungkinkan dengan mengevaluasi dan mempertahankan puluhan hingga ratusan generasi di chemostat dalam kondisi terkontrol.

Dua chemostat, digunakan dalam analisis toksisitas amonium dalam ragi. Diambil dan diedit dari: (Gambar: Maitreya Dunham).

Sel biologi

Hampir semua studi yang berkaitan dengan chemostat berhubungan dengan biologi sel, bahkan molekuler, evolusioner, dll.

Namun, secara khusus, penggunaan chemostat untuk cabang biologi ini memberikan informasi berharga yang memungkinkan pengembangan model matematika yang diperlukan untuk memahami proses metabolisme dalam populasi penelitian.

Biologi molekuler

Dalam 10 tahun terakhir atau lebih, minat dalam penggunaan chemostat dalam analisis molekuler gen mikroba telah berkembang. Metode kultur memfasilitasi perolehan informasi untuk analisis kultur mikroorganisme yang komprehensif atau sistemik.

Studi chemostat di bidang ini memungkinkan analisis transkripsi DNA di seluruh genom, serta mengukur ekspresi gen atau mengidentifikasi mutasi pada gen organisme tertentu seperti ragi Saccharomyces cerevisiae, misalnya.

Budaya yang diperkaya

Studi ini telah dilakukan dengan menggunakan sistem terputus-putus sejak akhir abad ke-19 dengan karya Beijerinck dan Vinogradski, sedangkan pada tahun 60-an abad terakhir mereka mulai dilakukan dalam kultur terus menerus menggunakan chemostat.

Kajian ini terdiri dari pengayaan media kultur untuk memanen berbagai jenis mikroba (bakteri pada umumnya), juga digunakan untuk mengetahui tidak adanya spesies tertentu atau mendeteksi keberadaan beberapa yang proporsinya sangat rendah atau hampir tidak mungkin diamati dalam medium tersebut. alam.

Kultur yang diperkaya dalam sistem kontinu terbuka (chemostat) juga digunakan untuk mengembangkan kultur bakteri mutan, terutama auksotrof atau yang mungkin menjadi resisten terhadap obat-obatan seperti antibiotik.

Produksi etanol

Dari sudut pandang industri, penggunaan dan produksi biofuel semakin umum. Dalam hal ini adalah produksi etanol dari bakteri Gram negatif Zymomonas mobilis.

Dalam prosesnya, beberapa chemostat serial besar digunakan, dipertahankan pada konsentrasi glukosa dan gula lain yang konstan, untuk diubah menjadi etanol dalam kondisi anaerobik.

Referensi

1. Chemostat: reaktor tangki berpengaduk kontinu yang ideal. Dipulihkan dari: biorreactores.tripod.
2. Kemostat. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org.
3. N. Ziv, NJ Brandt, & D. Gresham (2013). Penggunaan Chemostat dalam Biologi Sistem Mikroba. Jurnal eksperimen yang divisualisasikan.
4. A. Novick & L. Szilard (1950). Deskripsi chemostat. Ilmu.
5. J. Monod (1949). Pertumbuhan kultur bakteri Review Tahunan Mikrobiologi.
6. D.Gresham & J.Hong (2015). Dasar fungsional evolusi adaptif di chemostat. Ulasan mikrobiologi FEMS.
7. HG Schlegel, & HW Jannasch (1967). Budaya Pengayaan. Review Tahunan Mikrobiologi.
8. J. Thierie (2016). Pengantar teori sistem terdispersi polifase. (eds) Springer Nature. 210 hal.