Кіріспе

Биореактордың бір түрі Химиостат (химиялық ортадан статикалық) - бұл биореактор, оған үнемі жаңа орта қосылады, ал қалдық қоректік заттарды, метаболикалық соңғы өнімдерді және микроорганизмдерді қамтитын мәдениет сұйықтығы үнемі бірдей жылдамдықпен алынып тасталады, бұл мәдениет көлемін тұрақты ұстайды. Биореакторға орта қосылу жылдамдығын өзгерту арқылы микроорганизмнің нақты өсу жылдамдығын шектеулер шегінде оңай бақылауға болады.

Тұрақты күй

Химостаттардың ең маңызды ерекшеліктерінің бірі - микроорганизмдерді тұрақты экологиялық жағдайда физиологиялық тұрақты күйде өсіруге болады. Бұл тұрақты жағдайда өсім тұрақты спецификалық өсу қарқынында жүреді және барлық дақыл параметрлері тұрақты болады (дақыл көлемі, еріген оттегі концентрациясы, қоректік заттар мен өнім концентрациялары, рН, жасуша тығыздығы және т.б.). Сонымен қатар, қоршаған ортаны зерттеуші бақылауға алады. Химиостаттарда өсетін микроорганизмдер әдетте өсу қарқыны мен қоректік заттардың тұтынуы арасындағы теріс кері байланыс салдарынан тұрақты күйге жетеді: егер биореакторда жасушалардың саны аз болса, жасушалар сұйыту қарқынынан жоғары өсу қарқынында өсе алады, өйткені олар қоректік заттарды аз тұтынады, сондықтан өсуге кіретін жаңа ортамен қоректік заттарды шектеу арқылы шектеу аз болады. Шектеуші қоректік зат - бұл ортада шектейтін концентрацияда болатын, өсім үшін қажетті қоректік зат (басқа барлық қоректік заттар әдетте артық мөлшерде беріледі). Алайда жасушалар саны көбейген сайын, қоректік заттардың мөлшері де көбейіп, шектейтін қоректік заттардың концентрациясы төмендейді. Бұл өз кезегінде жасушалардың нақты өсу жылдамдығын төмендетеді, бұл олардың санының төмендеуіне әкеледі, өйткені олар жүйеден ағып кетумен бірге алынады. Бұл тұрақты жағдайға әкеледі. Өзін-өзі реттеудің арқасында тұрақты күй тұрақты болады. Бұл тәжірибе жүргізушіге ыдысқа жаңа ортаны құюға арналған сорғы жылдамдығын өзгерту арқылы микроорганизмдердің нақты өсу жылдамдығын бақылауға мүмкіндік береді.

Жақсы араластырылған

Химостаттар мен басқа да үздіксіз өсіру жүйелерінің тағы бір маңызды ерекшелігі - олар жақсы араластырылған, сондықтан қоршаған ортаның жағдайы біртекті немесе біркелкі, ал микроорганизмдер кездейсоқ таралады және бір-бірімен кездейсоқ кездеседі. Сондықтан, биофильмдерден айырмашылығы, химиялық реакциядағы бәсекелестік және басқа да өзара іс-қимылдар жаһандық болып табылады.

Суару жылдамдығы

Қоректік заттар алмасу жылдамдығы сұйыту жылдамдығы D ретінде көрсетіледі. Тұрақты жағдайда микроорганизмнің нақты өсу жылдамдығы μ сұйыту жылдамдығы D-ға тең. Сұйыту жылдамдығы биореактордағы V мәдениет көлемінде уақыт бірлігіне F орта ағыны ретінде анықталады.

Зерттеу

Химиостаттар зерттеуде жасуша биологиясының зерттеулері үшін, біркелкі жасушалар немесе белоктардың үлкен көлемінің көзі ретінде қолданылады. Химостат көбінесе ағзаның метаболистік процестеріне қатысты математикалық модель жасау үшін тұрақты күйдегі деректерді жинау үшін қолданылады. Химостаттар экология мен эволюциялық биологияда микрокосмос ретінде де қолданылады. Бір жағдайда, мутация/селекция - бұл қиындық, екінші жағдайда бұл зерттелетін қажетті процесс. Химостаттарды бактериялық мутанттардың ерекше түрлерін байыту үшін де қолдануға болады, мысалы, аксотрофтар немесе антибиотиктерге немесе бактериофагтарға төзімді бактерияларды одан әрі ғылыми зерттеу үшін. Еріту жылдамдығының өзгеруі әр түрлі өсу жылдамдығында организмдердің метаболистік стратегиясын зерттеуге мүмкіндік береді. Бір және бірнеше ресурстар үшін бәсекелестік, ресурстарды алу мен пайдалану жолдарының эволюциясы, кросс-тағамдану / симбиоз, антагонизм, жыртқыш және жыртқыштардың арасындағы бәсекелестік - барлығы химиялық препараттарды қолдана отырып, экологияда және эволюциялық биологияда зерттелді.

Параметрлерді таңдау және орнату

Химостаттағы шектейтін субстраттың тұрақты күйдегі концентрациясы ағып жатқан концентрациядан тәуелсіз. Ағып келу концентрациясы жасуша концентрациясына және осылайша тұрақты күйдегі OD әсер етеді. Химостаттағы субстраттың шектейтін концентрациясы әдетте өте төмен және ол жоғары концентрацияланған дискретті ағып түсетін импульстер арқылы сақталса да, іс жүзінде химиостаттағы концентрацияның уақытша өзгеруі аз (бірнеше пайыз немесе одан аз) және сондықтан оны тұрақты күй деп қарастыруға болады. Ұяшық тығыздығының тұрақты күйге (овершоу/ундершоу) келуіне кететін уақыт жиі ұзақ болады (бірнеше химиостаттың айналымдары), әсіресе бастапқы инокулум үлкен болған кезде. Бірақ, параметрлерді дұрыс таңдағанда уақытты азайтуға болады.

Тұрақты күйдегі өсім

Химостат тұрақты күйде болып көрінуі мүмкін, бірақ мутантты штаммның үнемі пайда болуы мүмкін, тіпті олар OD немесе өнім концентрациясы сияқты макро масштабты параметрлерді бақылау арқылы анықталмайды. Шектеуші субстрат әдетте анықталмайтын төмен концентрацияларда болады. Нәтижесінде, шектеуші субстраттың концентрациясы уақыт өте келе (пайыздық жағынан) өте өзгеруі мүмкін, өйткені әртүрлі штаммдар популяцияны басып алады, тіпті ОД-дағы өзгерістер анықтауға тым аз болса да. "Пульсивті" химиостат (өте үлкен ағысы бар) стандартты квази үздіксіз химиостатқа қарағанда, шектеу жағдайларында жарамдылығы жоғары мутантты штаммға қарағанда, айтарлықтай төмен селекциялық қабілеті бар. Клеткаларды салыстырмалы түрде қатал жағдайларға уақытша ұшырату үшін, химиялық стационар тұрақты күйге (суландыру жылдамдығының уақыт реті бойынша) қалпына келгенше, субстраттың концентрациясын кіргізуді шектейтін концентрацияны күрт төмендету арқылы мүмкін болады.

Бірінен соң бірі сатып алулар

Егер жағдай дұрыс болса (жетілді-жетілді үлкен популяция және геномдағы бірнеше мақсатты қарапайым пайдалы мутациялар) бірнеше штаммдар популяцияны бірінен соң бірін басып алады деп күтіледі, және мұны салыстырмалы түрде уақытты және қарқынмен жасайды. Уақыт өзгеруінің түрі мутацияның түріне байланысты. Бірін-бірі алмастыратын кезде, тіпті әрбір штаммның селективті жақсаруы тұрақты болса да (мысалы, әрбір жаңа штамм алдыңғы штаммнан тұрақты фактормен жақсырақ) алу деңгейі тұрақты болмайды, керісінше, штаммнан штаммға дейін азаяды. Кейбір жағдайларда алмасулар өте тез жүреді, ал аллель жиілігін зерттегенде де штаммдарды ажырату өте қиын. Осылайша, бірнеше рет бірізді штаммдарды алудың тұқымы мутациялар тобы бар бір штаммды алу ретінде көрінуі мүмкін.

Вариациялар

Химиостаттармен тығыз байланысты ферментациялық қондырғылар - турбидостат, ауксостат және ретентостат. Ретентостаттарда дақыл сұйықтығы биореактордан алынып тасталады, бірақ сүзгі биомассаны сақтайды. Бұл жағдайда биомассаның концентрациясы биомассаны сақтау үшін қажетті қоректік заттар тұтынуға болатын қоректік заттардың шекті мөлшеріне тең болғанға дейін артады.