¿Qué es un quimiostato?
Un 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.
Se describe 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.
Fue diseñado 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 la actualidad.
Características del quimiostato
– Suministro constante de nutrientes. Proporciona un flujo constante de nutrientes esenciales para el crecimiento microbiano, lo que permite mantener la población en un estado estable, donde la tasa de crecimiento es igual a la tasa de pérdida.
– Eliminación constante de productos de desecho. Simultáneamente, el quimiostato elimina de forma continua productos de desecho generados por los microorganismos. Esto evita la acumulación de metabolitos tóxicos y mantiene las condiciones óptimas para su crecimiento.
– Control de temperatura. Suele contar con sistemas de control de temperatura para mantener un ambiente sin cambios. Esto garantizar las condiciones óptimas para el crecimiento microbiano, pues las bacterias y otros microorganismos son sensibles a las variaciones térmicas.
– Control de pH. Muchos de estos dispositivos también incluyen sistemas de control de pH, que aseguran que el entorno esté dentro de los rangos favorables para el crecimiento microbiano. Las variaciones en el pH pueden afectar significativamente la actividad microbiana.
– Control de agitación. La agitación es esencial para distribuir uniformemente los nutrientes y mantener los microorganismos en suspensión. Los quimiostatos incorporan sistemas de agitación controlada para este propósito.
– Monitorización continua. Otros elementos que se incorporan, como sensores y dispositivos de monitorización, controlan las condiciones del sistema, como la densidad celular, la concentración de nutrientes y demás parámetros relevantes. Esto permite ajustar las tasas de suministro y eliminación según se requiera.
– Adaptabilidad y flexibilidad. Están diseñados para adaptarse a distintos tipos de microorganismos y condiciones experimentales.
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, haya sido utilizado o no el cultivo retirado.
De esta manera, en el quimiostato se realiza una dilución empleando adición continua de medio fresco y la eliminación del cultivo, como se describe 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 del quimiostato
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 sulforreductoras en un aparato diseñado por él mismo (columna de Vinogradski). Durante sus estudios, le suministraba a la columna gotas de sulfuro de hidrógeno como alimento para estas bacterias.
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 1965.
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 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 trabajaban en el proyecto Manhattan (la bomba atómica) en 1943. Años más tarde comenzarían a interesarse 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, nombre que se ha mantenido hasta la fecha. Pero a los tres se les atribuye el invento.
Usos del quimiostato
- 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.
- Biología celular. Prácticamente, todos los estudios relacionados con el quimiostato se vinculan con biología celular, incluso los moleculares, evolutivos, etc. Sin embargo, de forma específica, el uso del quimiostato para esta rama de la biología aporta 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 empleo 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 discontinuos 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 cultivo 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 gramnegativa Zymomonas mobilis. En el proceso se utilizan 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
- El Quimiostato: el reactor continuo ideal de tanque agitado. Recuperado de biorreactores.tripod.
- Chemostat. Recuperado de en.wikipedia.org.
- N. Ziv, N.J. Brandt, & D. Gresham. The Use of Chemostats in Microbial Systems Biology. Journal of visualized experiments.
- A. Novick & L. Szilard. Description of the chemostat. Science.
- J. Monod. The growth of bacterial cultures. Annual Review of Microbiology.