4. Культивирование клеток

4.1. Культивирование клеток микроорганизмов

Исследование культивирования микроорганизмов начинается с 1830 года, когда Ш. Каньяр де Латур, Ф. Кютцинг и Т. Шванн открыли причину брожения вина (наличие клеток дрожжей).

В дальнейшем в области культивирования клеток не было никакого прогресса вплоть до 1850-х годов, когда Л. Пастер начал свои фундаментальные исследования: изучение физиологии дрожжей и бактерий, введение асептических методов, минимальных сред и исследование пищевых потребностей микроорганизмов и роли кислорода в процессах их жизнедеятельности. Работами Пастера и его ученика Ролэна была установлена потребность в главных и второстепенных компонентах среды и в источниках энергии. Первая полная среда определенного состава была получена Ролэном в 1869 г. для культивирования грибов рода Aspergillus. Работа вызывает интерес еще и тем, что Ролэн определил пищевые потребности грибов не только качественно, но и количественно.

Говоря о замечательных работах Пастера и Ролэна, необходимо отметить, что в их распоряжении не было метода чистых культур, предложенного Р. Кохом несколько позже (в 70-е годы) и дающего значительные преимущества выращивания микроорганизмов. Начиная с изящных работ Коха, методы культивирования стали основной заботой микробиологов.

Потребность микроорганизмов в сложных органических веществах - факторах роста - впервые была обнаружена Вильдье в 1901г., когда он открыл витамин В, или «факторы биос», необходимые для роста дрожжей.

В 30-е годы с введением Клювером и Перквином метода колб на качалках началось развитие аппаратуры культивирования. Это дало возможность применять лабораторный метод для аэрации глубинных культур, особенно глубинных культур аэробных грибов, которые раньше выращивались только на поверхности твердых или жидких сред. В поверхностных культурах окружение организма гетерогенно, а в глубинных – гомогенно, что проще для изучения и контроля. Впоследствии глубинные культуры аэробных грибов сыграли значительную роль в развитии промышленного производства антибиотиков. Возрастающее технологическое значение культуры микроорганизмов значительно стимулировало интерес к этой области и привело в 40-50-е годы к созданию ферментеров с автоматической регуляцией условий среды. С этого времени, благодаря активному развитию теории непрерывного культивирования хемостатного типа, открылись широкие горизонты не только теоретического развития, но и практического применения культур клеток.

Классификация процессов культивирования

Выбор процесса культивирования зависит не только от потребностей организма, но и от того, для чего будет использована культура, то есть, от конечной цели эксперимента. Известно много процессов культивирования микроорганизмов. Они различаются:

1) по состоянию питательной среды (поверхностные и глубинные);

2) по наличию или отсутствию перемешивания (динамические или статические);

3) по содержанию кислорода (на аэробные или анаэробные);

4) по способу действия (закрытые, чаще периодические, и открытые, чаще непрерывные);

5) по количеству ферментеров (одно-, дву- и многостадийные);

6) по способу управления (хемостатные, турбидостатные, оксистатные, рН-статные и другие).

Культуры микроорганизмов можно подразделять на открытые и закрытые системы. Открытая система – это система, в которой все компоненты могут поступать в систему или покидать ее. Закрытой называют такую систему, в которой хотя бы один из существующих компонентов не может ни поступать в систему, ни покидать ее. Следовательно, все непрерывные культуры, в которых происходит, с одной стороны, приток питательной среды, с другой – отток биомассы и других продуктов, являются открытыми системами. Простая периодическая культура, содержащая ограниченное первоначальное количество питательного субстрата, служит примером закрытой системы. В закрытой системе скорость роста биомассы должна стремиться к нулю либо из-за недостатка субстрата, либо из-за непереносимости токсичного продукта при его дальнейшем накоплении. Следовательно, такие системы находятся в неустойчивом состоянии. В отличие от этого в открытых системах всегда есть возможность установления стабильного состояния.