Jacques Monod (1910-1976) og ”Monod kinetik” - ?· dansk kemi, 91, nr. 11, 2010 18 Jacques Monod…

  • Published on
    28-Sep-2018

  • View
    216

  • Download
    1

Embed Size (px)

Transcript

  • 18dansk kemi, 91, nr. 11, 2010

    Jacques Monod (1910-1976) og Monod kinetikDet er i r 100 r siden Jacques Monod blev fdt i Paris, og det er i hj grad p sin plads, at man i r ved mder rundt om i verden mindes denne fremragende videnskabsmand. I 1965 delte han Nobelprisen i fysiologi og medicin med Andr Lwoff og Francois Jacob

    Af John Villadsen, Institut for Kemiteknik, DTU

    I mit lille mindeskrift til Monod vil jeg mest beskftige mig med hans opdagelse af Monod-kinetikken. Denne kinetik benyttes overalt - somme tider forkert til at beskrive vkst af mikro-organismer, og den optrder allerede i indledende kurser i mi-krobiel fysiologi. En gennemgang, af hvordan Monod kom frem til sin beskrivelse af vksthastigheden for mikroorganismer, kan samtidig give studerende et indblik i, hvordan fysiologiske studier blev grebet an for over 70 r siden. Man kan mske for-nemme, at vor tids kostbare laboratorieudstyr ikke ndvendigvis er pkrvet for at f njagtige videnskabelige resultater.

    Faktisk er det skrift Monod i 1942 udgav (p basis af sin dok-torafhandling fra 1941) om Recherches sur la croissance des cultures bactriennes (figur 1) et mnster for, hvordan dygtigt udfrte eksperimenter, kombineret med videnskabelig nysger-righed for at tolke disse, kan frembringe resultater af helt over-raskende almen betydning.

    Sledes kan skriftet tjene som model for, hvad man kan hbe, at ogs nutidens ph.d.-studerende kan n frem til i lbet af deres arbejde. Den originale publikation kommer dog nppe i hnder-ne p mange studerende. De f eksemplarer, der antikvarisk er i handlen, slges for mange hundrede euro, og kun f biblioteker har et eksemplar.

    Monod havde god grund til ikke i for hj grad at publicere sin tilstedevrelse p udgivelsestidspunktet 1942. Som stabschef for Forces Francaises de lInterieur var han jaget af Gestapo. Lyk-keligvis undgik han sine forflgere, ogs efter at han i sommeren 1944 var ansvarlig for den franske sabotagevirksomhed op til invasionen.

    Monod kinetikDen specifikke vksthastighed (eller r

    x) af biomasse kan i en

    ustruktureret model for en mikroorganismes vkst beskrives med:

    (g celler X dannet) (g celler h)-1 (1)

    Det er denne formel, der har fet navnet Monod kinetik. s er koncentrationen af det substrat, der er begrnsende for vksten. Konstanterne

    max og K

    m er hhv. den maksimale specifikke

    vksthastighed og Monod-konstanten. kan ogs betegnes som aktiviteten af biomassen, alts, hvor meget en vis mngde biomasse kan producere af ny biomasse pr. tidsenhed. I en bio-reaktor finder man den volumetriske produktionshastighed, pro-duktionen af ny biomasse pr. volumen reaktor, som produktet af og biomassekoncentrationen x (g (L reaktor)-1). Det er (1), der

    beskriver den egentlige kinetik for bioprocessen reaktoren er blot det kar, hvori organismerne lever.

    I dag fortller lrebgerne, at afhngigheden mellem og s br findes ved stationre forsg i en kontinuert omrrt tank-reaktor (hvor =fortyndingshastigheden, D=forholdet mellem fdestrmmen v og reaktorvoluminet V, nr fden til reaktoren ikke indeholder biomasse). Batchforsg frardes normalt, fordi K

    m for de fleste industrielle mikroorganismer er meget lille, imel-

    lem 1 og 200 mg L-1, og man derfor ikke fr nok mlinger til at bestemme bde

    max og K

    m, fr alt substrat er brugt op og =0.

    hIsTorIsK KemI

    Jacques Monod (1910 - 1976): Fremragende naturvidenskabsmand - samt sabotr og naturfilosof. Foto: Scanpix.

  • 19 dansk kemi, 91, nr. 11, 2010

    Med de bioreaktorer man havde i 1930erne, kunne man, f.eks. pga. frygt for infektion, slet ikke lave kontinuerte fermenterin-ger. Derfor brugte Monod batchforsg: Medium med en given koncentration s

    0 af det begrnsende substrat blev podet med en

    smule biomasse til koncentrationen x0, og man mlte, hvordan s

    aftog og x voksede som funktion af tiden.Monod antog, at kulturen voksede eksponentielt med tiden, og

    han indfrte betegnelsen D for fordoblingsfrekvensen (h-1) for

    biomassekoncentrationen:

    Nu kunne D bestemmes ved forsg, hvor man p en rkke tids-

    punkter ti beregnede:

    mD =

    = m/ln 2 (3)

    Mellem ti og t

    i-1 antoges s at vre

    Figur 2, side 20 viser et ud af mange forsg, som Monod udfrte med forskellige sukre som substrat for tarmbakterien E. coli. Figuren er direkte reproduceret fra Monod (1942) for at vise, hvor njagtige forsgene var, ogs for helt sm s, i omrdet 1-2 mg L-1. Ordinataksen angiver fordoblingsfrekvensen for kulturen i en-heden h-1, og kurven er fremkommet ved statistisk behandling af data for 5 forsg.

    Man kan kun beundre, hvor njagtigt KM (= C

    1 p figuren) og

    D kan bestemmes: K

    M = 4 mg L-1 og

    max =1,35 ln 2 = 0,94 h-1.

    I referencen er figurerne ledsaget af tabeller over rdata, der viser, at

    max er bestemt med en usikkerhed p hjst 0,01 h-1 i det

    enkelte forsg og at afvigelsen mellem max

    (eller KM) bestemt i

    forskellige forsg hjst er et par procent.

    HiStoriSK KemiSamtidig er der tabeller, der viser, at biomasseudbyttet Y

    sx (g bio-

    masse/g substrat) er konstant gennem et helt forsg, f.eks. Y

    sx=0,233 for glukose med en usikkerhed p under 2%, helt ned

    til s25 mg L-1, hvor ln x nsten er holdt op med at vokse.Laver vi de tilsvarende forsg i en helt moderne bioreaktor vil

    vi mle s som funktion af =D i en rkke stationre forsg i en kontinuert reaktor (en kemostat). For at vre sikker p at forholdene er stationre i hvert forsg, m vi vente omtrent tiden Dt = 5 D-1 mellem hvert forsgspunkt. Nr er faldet til 0,05 h-1, skal der helst g 100 h mellem hver aflsning, en for studerende (og andre) nrmest uudholdelig lang tid.

    Monod kunne udfre en hel forsgsrkke som figur 2 p 3-4 timer. Ved t=0, hvor s=150 mg L-1 og x=x

    0, er man lngst til

    hjre p figuren, og efterhnden bevger man sig ned mod s=0 og x=x

    max=x

    0 + Y

    sx s

    0 0,233 150 = 35 mg L-1.

    At Monod, med datidens mleudstyr, kunne mle s njagtigt er beundringsvrdigt, men det skulle ikke vre nogen kunst at efterprve hans forsg med nutidens online eller at-line mleud-styr (FIA for glukose, og OD (lys-absorptionsmling) af biomas-sen). Man kan faktisk anbefale den ikke-stationre metode. Blot skal s

    0 vlges tilstrkkelig lille. Samtidig undgr man enhver

    interferens forrsaget af en evt. produkt- eller substratinhibition ved bestemmelsen af de to parametre

    max og K

    m.

    Til slut skal det bemrkes, at Monod ikke et jeblik var i tvivl om, at hans kinetik alene var en empirisk (om end oftest god) beskrivelse af biomassevkst under betingelser, hvor kulturen er i metabolisk ligevgt. Enhver tolkning af (1) som en mekanistisk funderet kinetik i lighed med Michaelis-Menten kinetik for en-zymreaktioner savner enhver berettigelse. De tusinder af reaktio-

    Figur 1. En helt usdvanlig doktor-afhandling (Monod (1942)).

    (2)

    s

  • 20dansk kemi, 91, nr. 11, 2010

    ner, der tilsammen giver vkst af biomassen, kan kun beskrives empirisk.

    Dog udtrykker (1) en fundamental egenskab ved vkst af mi-kroorganismer: Ved for lav koncentration af substratet vil enhver kemisk reaktion forlbe med en hastighed proportional med s. Her bliver hastighedskonstanten

    max/K

    M (h-1), nr s

Recommended

View more >