Введение

Тип биореактора Химиостат (из химической среды статический) - это биореактор, в который постоянно добавляется свежая среда, в то время как жидкость культуры, содержащая остатки питательных веществ, конечные продукты метаболизма и микроорганизмы, постоянно удаляется с той же скоростью, чтобы сохранить постоянный объем культуры. Изменение скорости добавления среды в биореактор позволяет легко контролировать специфическую скорость роста микроорганизма в пределах определенных пределов.

Устойчивое состояние

Одной из важнейших особенностей химиостатов является то, что микроорганизмы могут выращиваться в физиологическом стабильном состоянии при постоянных условиях окружающей среды. В этом стабильном состоянии рост происходит с постоянной специфической скоростью роста, и все параметры культуры остаются постоянными (объем культуры, концентрация растворенного кислорода, концентрация питательных веществ и продуктов, рН, плотность клеток и т.д.). Кроме того, условия окружающей среды могут контролироваться экспериментатором. Микроорганизмы, растущие в химиостатах, обычно достигают устойчивого состояния из-за отрицательной обратной связи между скоростью роста и потреблением питательных веществ: если в биореакторе присутствует небольшое количество клеток, клетки могут расти со скоростью роста, превышающей скорость разведения, поскольку они потребляют мало питательных веществ, поэтому рост менее ограничен добавлением ограничивающих питательных веществ с поступающей свежей средой. Ограничивающее питательное вещество - это питательное вещество, необходимое для роста, присутствующее в среде в предельной концентрации (все другие питательные вещества обычно поступают в избытке). Однако чем больше число клеток, тем больше питательных веществ потребляется, снижая концентрацию ограничивающего питательного вещества. В свою очередь, это снизит специфическую скорость роста клеток, что приведет к снижению числа клеток, поскольку они будут удаляться из системы с оттоком. Это приводит к стабильному состоянию. Благодаря саморегуляции, устойчивое состояние стабильно. Это позволяет экспериментатору контролировать специфическую скорость роста микроорганизмов, изменяя скорость насоса, подающего свежую среду в сосуд.

Хорошо смешанные

Другая важная особенность химиостатов и других систем непрерывной культуры заключается в том, что они хорошо смешаны, так что условия окружающей среды являются однородными или однородными, а микроорганизмы случайным образом рассеиваются и случайным образом сталкиваются друг с другом. Поэтому конкуренция и другие взаимодействия в химиостате являются глобальными, в отличие от биопленок.

Скорость разбавления

Скорость обмена питательными веществами выражается как скорость разбавления D. В устойчивом состоянии удельный темп роста микроорганизма μ равен скорости разбавления D. Скорость разбавления определяется как поток среды в единицу времени, F, по объему V культуры в биореакторе.

Исследования

Химиостаты в исследованиях используются для исследований в клеточной биологии, в качестве источника больших объемов однородных клеток или белка. Химостат часто используется для сбора данных о стабильном состоянии организма для создания математической модели, относящейся к его метаболическим процессам. Химостаты также используются в качестве микрокосмов в экологии и эволюционной биологии. В одном случае мутация/селекция является помехой, в другом случае это желаемый процесс, который изучается. Химиостаты также могут использоваться для обогащения для определенных типов бактериальных мутантов в культуре, таких как ауксотрофы или устойчивые к антибиотикам или бактериофагам, для дальнейшего научного изучения. Изменения в скорости разбавления позволяют изучать метаболические стратегии, используемые организмами при различных скоростях роста. Конкуренция за одни и несколько ресурсов, эволюция путей приобретения и использования ресурсов, перекрестное питание / симбиоз, антагонизм, хищничество и конкуренция между хищниками все были изучены в экологии и эволюционной биологии с использованием химиостатов.

Выбор параметров и настройка

Концентрация в устойчивом состоянии ограничивающего субстрата в химиостате не зависит от концентрации притока. Концентрация притока будет влиять на концентрацию клеток и, следовательно, на стационарный диапазон. Хотя ограничивающая концентрация субстрата в химиостате обычно очень низкая и поддерживается дискретными высококонцентрированными импульсами притока, на практике временные изменения концентрации в химиостате невелики (несколько процентов или меньше) и, таким образом, могут рассматриваться как квазистабильное состояние. Время, необходимое для того, чтобы плотность клеток (OD) сходилась к значению устойчивого состояния (перевыполнение/невыполнение), часто будет длительным (множественные химиостатические обороты), особенно когда начальный инокулум большой. Но время может быть сведено к минимуму с правильным выбором параметров.

Устойчивый рост

Химиостат может выглядеть в устойчивом состоянии, но мутантные штаммы могут постоянно появляться, даже если они не обнаруживаются при мониторинге макромасштабных параметров, таких как ОД или концентрации продукта. Ограничивающий субстрат обычно находится в таких низких концентрациях, что он не обнаруживается. В результате концентрация ограничивающего субстрата может сильно изменяться с течением времени (в процентном отношении), поскольку различные штаммы захватывают популяцию, даже если возникающие изменения в ОД слишком малы, чтобы их можно было обнаружить. Импульсный химиостат (с очень большими импульсами притока) имеет значительно более низкую селективную способность, чем стандартный квазинепрерывный химиостат, для мутантного штамма с повышенной пригодностью в ограничивающих условиях. При резком снижении концентрации субстрата, ограничивающего приток, можно временно подвергать клетки относительно более суровым условиям, пока химиостат не стабилизируется обратно в устойчивое состояние (в порядке времени скорости разведения D).

Последовательные поглощения

Когда условия соответствуют действительности (достаточно большая популяция и несколько целей в геноме для простых выгодных мутаций), ожидается, что несколько штаммов последовательно захватят популяцию, и сделать это относительно своевременно и с определенным темпом. Время зависит от типа мутаций. В случае последовательности поглощений, даже если селективное улучшение каждого штамма остается постоянным (например, каждый новый штамм лучше предыдущего штамма на постоянный коэффициент), скорость поглощения не остается постоянной, а скорее уменьшается от штамма к штамму. Бывают случаи, когда последовательные поглощения происходят так быстро, что очень трудно различить штаммы, даже при изучении частоты аллелей. Таким образом, линия многократных поглощений последовательных штаммов может выглядеть как поглощение одного штамма с когортой мутаций.

Вариации

С химиостатами тесно связаны установки ферментации: турбидостат, ауксостат и ретентостат. В ретентостатах жидкость культуры также удаляется из биореактора, но фильтр сохраняет биомассу. В этом случае концентрация биомассы увеличивается до тех пор, пока потребность в питательных веществах для поддержания биомассы не станет равной количеству ограничивающего питательного вещества, которое может быть потреблено.