CHEMOSTAT: CARACTÉRISTIQUES, HISTOIRE ET UTILISATIONS - LA BIOLOGIE - 2025

Le chémostat est un dispositif ou appareil utilisé pour la culture de cellules et de micro-organismes. Il est également appelé bioréacteur et a la capacité de reproduire expérimentalement des environnements aquatiques tels que des lacs, des étangs de sédimentation ou de traitement, entre autres.

Il est généralement décrit comme un récipient (la taille dépendra du fait que l'utilisation soit industrielle ou de laboratoire) avec une entrée pour que le matériel stérile entre, et une sortie par laquelle sortira le matériel résultant du processus, qui sont généralement des nutriments. déchets, matériel stérile, micro-organismes entre autres.

Schéma d'un chimiostat. Tiré et édité de: CGraham2332.

Il a été découvert et présenté indépendamment et presque simultanément par les scientifiques Jacques Monod, Aaron Novick et Leo Szilard en 1950. Monod a travaillé seul et l'a appelé un bactogène, tandis que Novick et Szilard ont travaillé ensemble et l'ont appelé un chémostat, un nom qui dure jusqu'à ce jour..

Caractéristiques du chemostat

Le chémostat est caractérisé par l'ajout constant d'un milieu contenant un seul nutriment qui limite la croissance et élimine simultanément une partie de la culture, telle que la production excessive, les métabolites et d'autres substances. Cet enlèvement est constamment remplacé par du nouveau matériau, réalisant ainsi un équilibre stable.

Dans ces conditions, la vitesse à laquelle la culture de microorganisme se développe est égale à la vitesse à laquelle elle est diluée. Ceci est essentiel par rapport aux autres méthodes de culture, car un état stable peut être atteint dans un environnement constant et défini.

Une autre caractéristique importante est qu'avec le chimiostat, l'opérateur peut contrôler des variables physiques, chimiques et biologiques telles que le volume d'individus dans la culture, l'oxygène dissous, la quantité de nutriments, le pH, etc.

Principe de la méthode

La méthode consiste en une population de micro-organismes qui se développe depuis le début d'une manière similaire à celle des cultures discontinues ou discontinues (la culture liquide la plus simple). Lorsque les populations augmentent, il est nécessaire de prélever simultanément un volume de culture similaire à celui ajouté, que la culture retirée ait été utilisée ou non.

De cette manière, dans le chémostat, une dilution est effectuée en utilisant l'addition continue de milieu frais et l'élimination de la culture comme décrit en partie dans le paragraphe précédent. Un seul nutriment est responsable de limiter la croissance dans le récipient tandis que le reste est présent en excès.

Ce seul nutriment limitant la croissance est prédéterminé par la personne qui développe l'expérience, il peut s'agir de n'importe quel nutriment et dans de nombreux cas, cela dépendra de l'espèce en culture.

L'histoire

Les cultures par lots de micro-organismes remontent à des siècles (brassage de bières et autres boissons). Cependant, les cultures continues sont quelque chose de relativement plus moderne. Certains microbiologistes attribuent les débuts de la culture continue au célèbre microbiologiste russe Sergey Vinogradsky.

Vinogradski a étudié la croissance de bactéries sulforéductrices dans un appareil de sa propre conception (colonne Vinogradski). Au cours de ses études, il a introduit des gouttes de sulfure d'hydrogène dans la colonne comme nourriture pour ces bactéries.

Quand on parle de culture continue, il est obligatoire de parler de 3 personnages: Jacques Monod, Aaron Novick et Leo Szilard. Monod était un biologiste renommé et lauréat du prix Nobel en 1965.

Ce chercheur (Monod), alors qu'il faisait partie de l'Institut Pasteur, a développé de nombreux tests, calculs et analyses entre 1931 et 1950. Pendant ce temps, il a créé le modèle mathématique de la croissance des microorganismes qui sera plus tard appelé l'équation de Monod.

En 1950, sur la base de l'équation qui porte son nom, il conçoit un modèle d'appareil qui permet une culture de microorganismes en continu et l'appelle un bactogène.

D'autre part, les scientifiques Novick (physicien) et Szilard (chimiste) se sont rencontrés alors qu'ils travaillaient sur le projet Manhattan (la bombe atomique) en 1943; des années plus tard, ils commenceraient à s'intéresser à la croissance bactérienne et en 1947, ils se sont associés pour travailler ensemble et en profiter.

Après de multiples tests et analyses, Novick et Szilard, sur la base des calculs de Monod (équation de Monod), ont également conçu en 1950 un modèle de culture continue d'organismes microscopiques qu'ils ont appelé chémostat, et c'est le nom qui a été maintenu à ce jour.. Mais tous les trois sont crédités de l'invention.

Applications

Biologie adaptative et évolution

Les outils offerts par ce système de culture continue de microorganismes sont utilisés par les écologistes et les évolutionnistes pour étudier comment le taux de croissance affecte les processus cellulaires et le métabolisme, et comment il contrôle la pression de sélection et l'expression des gènes.

Ceci est rendu possible en évaluant et en maintenant des dizaines à des centaines de générations dans le chémostat dans des conditions contrôlées.

Deux chimiostats, utilisés dans l'analyse de la toxicité de l'ammonium chez les levures. Tiré et édité de: (Image: Maitreya Dunham).

Biologie cellulaire

Pratiquement toutes les études liées au chémostat sont liées à la biologie cellulaire, même moléculaire, évolutive, etc.

Cependant, spécifiquement, l'utilisation du chémostat pour cette branche de la biologie fournit des informations précieuses qui permettent le développement de modèles mathématiques nécessaires pour comprendre les processus métaboliques dans la population étudiée.

Biologie moléculaire

Au cours des 10 dernières années ou plus, l'intérêt pour l'utilisation du chémostat dans l'analyse moléculaire des gènes microbiens s'est accru. La méthode de culture facilite l'obtention d'informations pour une analyse complète ou systémique des cultures de micro-organismes.

Les études de chimiostat dans ce domaine permettent l'analyse de la transcription de l'ADN dans tout le génome, ainsi que la quantification de l'expression génique ou l'identification de mutations dans des gènes spécifiques d'organismes tels que la levure Saccharomyces cerevisiae, par exemple.

Cultures enrichies

Ces études ont été menées à l'aide de systèmes discontinus depuis la fin du XIXe siècle avec les travaux de Beijerinck et Vinogradski, alors que dans les années 60 du siècle dernier elles ont commencé à être menées en cultures continues à l'aide du chémostat.

Ces études consistent à enrichir les milieux de culture pour récolter différents types de microbes (bactéries en général), il est également utilisé pour déterminer l'absence de certaines espèces ou détecter la présence de certaines dont la proportion est très faible voire quasi impossible à observer dans le milieu. Naturel.

Des cultures enrichies en systèmes continus ouverts (chimiostats) sont également utilisées pour développer des cultures de bactéries mutantes, principalement des auxotrophes ou celles qui peuvent devenir résistantes aux médicaments tels que les antibiotiques.

Production d'éthanol

D'un point de vue industriel, l'utilisation et la production de biocarburants sont de plus en plus courantes. Dans ce cas, il s'agit de la production d'éthanol à partir de la bactérie Gram négatif Zymomonas mobilis.

Dans le processus, plusieurs grands chimiostats en série sont utilisés, maintenus à des concentrations constantes de glucose et d'autres sucres, pour être convertis en éthanol dans des conditions anaérobies.

Références

1. Le Chemostat: le réacteur idéal à cuve agitée en continu. Récupéré de: biorreactores.tripod.
2. Chemostat. Récupéré de: en.wikipedia.org.
3. N. Ziv, NJ Brandt et D. Gresham (2013). L'utilisation des chimiostats dans la biologie des systèmes microbiens. Journal des expériences visualisées.
4. A. Novick et L. Szilard (1950). Description du chémostat. Science.
5. J. Monod (1949). La croissance des cultures bactériennes Revue annuelle de microbiologie.
6. D. Gresham et J. Hong (2015). La base fonctionnelle de l'évolution adaptative des chimiostats. Examens microbiologiques FEMS.
7. HG Schlegel et HW Jannasch (1967). Cultures d'enrichissement. Revue annuelle de microbiologie.
8. J. Thierie (2016). Introduction à la théorie des systèmes dispersés polyphasiques. (éds) Springer Nature. 210 pp.