Quimiostato: características, historia y usos

El quimiostato es un dispositivo o aparato utilizado para el cultivo de células y microorganismos. Es también llamado biorreactor y tiene la capacidad de reproducir de forma experimental ambientes acuáticos como lagos, lagunas de sedimentación o de tratamiento, entre otros.

Es descrito de forma generalizada como un recipiente (el tamaño dependerá de si el uso es industrial o de laboratorio) con una entrada para que entre material estéril, y una salida por donde saldrá el material resultante del proceso, que por lo general son nutrientes, desechos, material estéril, microorganismos entre otros.

Diagrama de un quimiostato. Tomada y editado de: CGraham2332 [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)].

Fue descubierto y presentado de forma independiente y casi simultánea por los científicos Jacques Monod, Aaron Novick y Leo Szilard en 1950. Monod trabajó solo y lo llamó bactógeno, mientras que Novick y Szilard trabajaron en conjunto y lo llamaron quimiostato, nombre que perdura hasta actualidad.

Características del quimiostato

El quimiostato se caracteriza por la adición constante de un medio que contiene un único nutriente que limita el crecimiento y elimina de forma simultánea parte del cultivo, como el excedente de producción, metabolitos y otras sustancias. Dicha eliminación es reemplazada constantemente por material nuevo, logrando así un equilibrio estable.

Bajo estas condiciones, la velocidad a la que se desarrolla el cultivo de microorganismos es igual a la velocidad a la que se diluye. Esto es clave con respecto a otros métodos de cultivo, ya que se puede alcanzar un estado estable en un entorno constante y definido.

Otra característica importante es que con el quimiostato el operador puede controlar variables físicas, químicas y biológicas como volumen de individuos en el cultivo, oxígeno disuelto, cantidad de nutrientes, pH, etc.

Principio del método

El método consiste en una población de microorganismos que crece desde un principio de forma similar al que se da en los cultivos discontinuos o por lotes (el cultivo líquido más simple). Cuando las poblaciones crecen es necesario retirar de manera simultánea un volumen de cultivo similar al añadido, así el cultivo retirado haya sido utilizado o no.

De esta manera, en el quimiostato se realiza una dilución empleando adición continua de medio fresco y la eliminación del cultivo como es descrito en parte en el párrafo anterior. Un único nutriente es el encargado de limitar el crecimiento en el recipiente mientras que el resto está presente en exceso.

Este único nutriente limitante del crecimiento es predeterminado por la persona que desarrolla el experimento, puede ser cualquier nutriente y en muchos casos dependerá de la especie en cultivo.

Historia

Los cultivos discontinuos de microorganismos datan de hace siglos (fabricación de cervezas y otras bebidas). Sin embargo los cultivos continuos son algo relativamente más moderno. Algunos microbiólogos le atribuyen los inicios del cultivo continuo al famoso microbiólogo ruso Serguéi Vinogradski.

Vinogradski estudió el crecimiento de bacterias sulforeductoras en un aparato diseñado por el mismo (columna de Vinogradski). Durante sus estudios, le suministraba a la columna gotas de sulfuro de hidrógeno como alimento para estas bacterías

Cuando se habla de cultivos continuos es obligatorio hablar de 3 personajes: Jacques Monod, Aaron Novick y Leo Szilard. Monod fue un consagrado biólogo y ganador del premio nobel en el año de 1965.

Este investigador (Monod), mientras formaba parte del Instituto Pasteur, desarrolló muchos ensayos, cálculos y análisis entre 1931 y 1950. Durante este tiempo creó el modelo matemático de crecimiento de microorganismos que luego se llamaría la Ecuación de Monod.

En 1950, basándose en la ecuación que lleva su nombre, diseñó un modelo de aparato que permitía un cultivo de microorganismos de forma continua y lo denominó bactógeno.

Por otra parte, los científicos Novick (físico) y Szilard (químico) se conocieron mientras trabajan en el proyecto Manhattan (la bomba atómica) en 1943; años más tarde comenzarían a mostrar interés por el crecimiento bacteriano y en 1947 se asociaron para trabajar en conjunto y sacar provecho de esto.

Tras múltiples ensayos y análisis Novick y Szilard, con base en los cálculos de Monod (ecuación de Monod), idearon también en 1950 un modelo de cultivo continuo de organismos microscópicos al que llamaron quimiostato, y es el nombre que se ha mantenido hasta la fecha. Pero a los tres se le atribuye el invento.

Usos

Biología y evolución adaptativa

Las herramientas que ofrece este sistema de cultivo continuo de microorganismos son utilizadas por ecólogos y evolucionistas para estudiar cómo la tasa de crecimiento afecta los procesos celulares y el metabolismo, y cómo controla la presión de selección y la expresión de los genes.

Esto lo hacen posible tras evaluar y mantener decenas a cientos de generaciones en el quimiostato bajo condiciones controladas.

Dos quimiostatos, empleados en el análisis de toxicidad del amonio en levaduras. Tomada y editada de: (Imagen: Maitreya Dunham) [CC BY 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.5)].

Biología celular

Prácticamente todos los estudios relacionados con el quimiostato están relacionados con biología celular, incluso los moleculares, evolutivos, etc.

Sin embargo, de forma específica, el uso del quimiostato para esta rama de la biología provee de información valiosa que permite elaborar modelos matemáticos necesarios para comprender los procesos metabólicos en la población de estudio.

Biología molecular

En los últimos 10 años o quizás más, ha crecido el interés por el uso del quimiostato en los análisis moleculares de genes microbianos. El método de cultivo facilita la obtención de información para análisis integrales o sistémicos de cultivos de microorganismos.

Los estudios en este campo con quimiostato, permiten análisis de transcripción del ADN en todo el genoma, así como cuantificar la expresión génica o identificar mutaciones en genes específicos de organismos como la levadura Saccharomyces cerevisiae, por ejemplo.

Cultivos enriquecidos

Estos estudios se realizan empleando sistemas discontínuos desde finales del siglo XIX con los trabajos de Beijerinck y Vinogradski, mientras que en la década de los 60 del siglo pasado comenzaron a hacerse en cultivos continuos empleando el quimiostato.

Estos estudios consisten en enriquecer medios de cultivos para cosechar diferentes tipos de microbios (bacterias por lo general), se emplea también para determinar la ausencia de ciertas especies o detectar la presencia de algunas cuya proporción sea muy baja o casi imposible de observar en el medio natural.

También se utilizan los cultivos enriquecidos en sistemas continuos abiertos (quimiostatos) para desarrollar cultivos de bacterias mutantes, principalmente auxótrofas o aquellas que puedan llegar a ser resistentes a fármacos como los antibióticos.

Producción de etanol

Desde el punto de vista industrial, es cada vez más frecuente el uso y producción de biocombustibles. En este caso es la producción de etanol a partir de la bacteria Gram negativa Zymomonas mobilis.

En el proceso son utilizados varios quimiostatos seriados de gran tamaño, mantenidos a concentraciones constantes de glucosa y otros azúcares, para que sean convertidos en etanol en condiciones anaeróbicas.

Referencias

  1. El Quimiostato: el reactor continuo ideal de tanque agitado. Recuperado de: biorreactores.tripod.
  2. Chemostat. Recuperado de: en.wikipedia.org.
  3. N. Ziv, N.J. Brandt, & D. Gresham (2013). The Use of Chemostats in Microbial Systems Biology. Journal of visualized experiments.
  4. A. Novick & L. Szilard (1950). Description of the chemostat. Science.
  5. J. Monod (1949). The growth of bacterial culturesAnnual Review of Microbiology.
  6. D. Gresham & J. Hong (2015). The functional basis of adaptive evolution in chemostats. FEMS microbiology reviews.
  7. H.G. Schlegel, & H.W. Jannasch (1967). Enrichment Cultures. Annual Review of Microbiology.
  8. J. Thierie (2016). Introduction to polyphasic dispersed systems theory. (eds) Springer Nature. 210 pp.

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