CHEMOSTAT: CARACTERÍSTICAS, HISTÓRIA E USOS - BIOLOGIA - 2025

O quimiostato é um dispositivo ou aparelho usado para o cultivo de células e microorganismos. Também é chamado de biorreator e tem a capacidade de reproduzir experimentalmente ambientes aquáticos como lagos, lagoas de sedimentação ou tratamento, entre outros.

Geralmente é descrito como um recipiente (o tamanho dependerá se o uso é industrial ou laboratorial) com uma entrada para que o material estéril entre e uma saída por onde sairão os materiais resultantes do processo, que geralmente são nutrientes. resíduos, material estéril, microrganismos entre outros.

Diagrama de um quimiostato. Retirado e editado de: CGraham2332.

Foi descoberto e apresentado de forma independente e quase simultânea pelos cientistas Jacques Monod, Aaron Novick e Leo Szilard em 1950. Monod trabalhou sozinho e chamou-o de bactogênio, enquanto Novick e Szilard trabalharam juntos e o chamaram de quimiostato, um nome que dura até hoje..

Características do Quostato

O quimiostato é caracterizado pela adição constante de um meio contendo um único nutriente que limita o crescimento e simultaneamente remove parte da cultura, como excesso de produção, metabólitos e outras substâncias. Esta remoção é constantemente substituída por novo material, alcançando um equilíbrio estável.

Nessas condições, a taxa de desenvolvimento da cultura de microrganismos é igual à taxa de diluição. Isso é fundamental em comparação com outros métodos de cultivo, pois um estado estável pode ser alcançado em um ambiente constante e definido.

Outra característica importante é que com o quimiostato o operador pode controlar variáveis ​​físicas, químicas e biológicas como volume de indivíduos na cultura, oxigênio dissolvido, quantidade de nutrientes, pH, etc.

Princípio do método

O método consiste em uma população de microrganismos que cresce desde o início de forma semelhante à das culturas descontínuas ou descontínuas (a cultura líquida mais simples). Quando as populações crescem, é necessário retirar simultaneamente um volume de cultura semelhante ao adicionado, tenha ou não a cultura retirada.

Desta forma, no quimiostato é realizada uma diluição usando a adição contínua de meio fresco e a eliminação da cultura conforme descrito em parte no parágrafo anterior. Um único nutriente é responsável por limitar o crescimento no recipiente enquanto o resto está presente em excesso.

Este único nutriente limitante do crescimento é predeterminado pela pessoa que desenvolve o experimento, pode ser qualquer nutriente e, em muitos casos, dependerá da espécie em cultura.

História

As culturas em lote de microrganismos datam de séculos atrás (fabricação de cervejas e outras bebidas). No entanto, as culturas contínuas são relativamente mais modernas. Alguns microbiologistas atribuem o início do cultivo contínuo ao famoso microbiologista russo Sergey Vinogradsky.

Vinogradski estudou o crescimento de bactérias sulforedutoras em um dispositivo de sua própria autoria (coluna Vinogradski). Durante seus estudos, ele colocou gotas de sulfeto de hidrogênio na coluna como alimento para essas bactérias.

Quando se fala em cultivo contínuo, é obrigatório falar em 3 personagens: Jacques Monod, Aaron Novick e Leo Szilard. Monod foi um biólogo renomado e vencedor do Prêmio Nobel em 1965.

Este pesquisador (Monod), enquanto fazia parte do Instituto Pasteur, desenvolveu muitos testes, cálculos e análises entre 1931 e 1950. Durante esse tempo, ele criou o modelo matemático de crescimento de microrganismos que mais tarde seria chamado de Equação de Monod.

Em 1950, com base na equação que leva seu nome, ele projetou um modelo de aparelho que permitia o cultivo de microrganismos continuamente e o chamou de bactogênio.

Por outro lado, os cientistas Novick (físico) e Szilard (químico) se conheceram enquanto trabalhavam no projeto Manhattan (a bomba atômica) em 1943; anos depois, eles começariam a mostrar interesse no crescimento bacteriano e em 1947 eles se associaram para trabalhar juntos e tirar proveito disso.

Após múltiplos testes e análises, Novick e Szilard, com base nos cálculos de Monod (equação de Monod), também conceberam em 1950 um modelo de cultura contínua de organismos microscópicos que chamaram de quimiostato, e é o nome que se mantém até hoje.. Mas todos os três são creditados com a invenção.

Formulários

Biologia Adaptativa e Evolução

As ferramentas oferecidas por este sistema de cultura contínua de microorganismos são usadas por ecologistas e evolucionistas para estudar como a taxa de crescimento afeta os processos celulares e o metabolismo, e como controla a pressão de seleção e a expressão gênica.

Isso é possível avaliando e mantendo dezenas a centenas de gerações no quimiostato sob condições controladas.

Dois quimiostatos, usados ​​na análise da toxicidade do amônio em leveduras. Tirado e editado de: (Imagem: Maitreya Dunham).

Biologia Celular

Praticamente todos os estudos relacionados ao quimiostato estão relacionados à biologia celular, mesmo molecular, evolutiva, etc.

Porém, especificamente, o uso do quimiostato para este ramo da biologia fornece informações valiosas que permitem o desenvolvimento de modelos matemáticos necessários para compreender os processos metabólicos na população estudada.

Biologia molecular

Nos últimos 10 ou mais anos, tem crescido o interesse pelo uso de quimiostatos na análise molecular de genes microbianos. O método de cultura facilita a obtenção de informações para análise abrangente ou sistêmica de culturas de microrganismos.

Os estudos de quimostatos nessa área permitem a análise da transcrição do DNA em todo o genoma, bem como quantificar a expressão gênica ou identificar mutações em genes específicos de organismos como a levedura Saccharomyces cerevisiae, por exemplo.

Culturas enriquecidas

Esses estudos vêm sendo realizados em sistemas descontínuos desde o final do século XIX com os trabalhos de Beijerinck e Vinogradski, enquanto na década de 60 do século passado passaram a ser realizados em culturas contínuas utilizando o quimiostato.

Esses estudos consistem em enriquecer meios de cultura para colher diferentes tipos de micróbios (bactérias em geral), também é usado para determinar a ausência de certas espécies ou detectar a presença de algumas cuja proporção é muito baixa ou quase impossível de observar no meio. natural.

Culturas enriquecidas em sistemas contínuos abertos (quimiostatos) também são utilizadas para desenvolver culturas de bactérias mutantes, principalmente auxotróficas ou que podem se tornar resistentes a drogas como antibióticos.

Produção de etanol

Do ponto de vista industrial, o uso e a produção de biocombustíveis são cada vez mais comuns. Nesse caso, é a produção de etanol a partir da bactéria Gram negativa Zymomonas mobilis.

No processo, vários quimiostatos grandes em série são usados, mantidos em concentrações constantes de glicose e outros açúcares, para serem convertidos em etanol sob condições anaeróbicas.

Referências

1. O Chemostat: o reator de tanque agitado contínuo ideal. Recuperado de: biorreactores.tripod.
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7. HG Schlegel e HW Jannasch (1967). Culturas de enriquecimento. Revisão Anual de Microbiologia.
8. J. Thierie (2016). Introdução à teoria dos sistemas dispersos polifásicos. (eds) Springer Nature. 210 pp.