La croissance des cellules est régulée par des réseaux complexes d'interaction des facteurs génétiques et environnementaux 1,2. Le règlement multifactorielle de la croissance cellulaire nécessite une approche au niveau du système à son étude. Cependant, l'étude rigoureuse de la croissance cellulaire régulée est contestée par la difficulté de contrôler expérimentalement la vitesse à laquelle les cellules se développent. En outre, même dans les expériences les plus simples conditions extracellulaires sont souvent dynamique et complexe que les cellules modifient en permanence leur environnement comme ils prolifèrent. Une solution à ces problèmes est proposée par le chemostat: un procédé de culture de cellules qui permet un contrôle expérimental des taux de croissance de cellules dans des milieux définis, invariantes et contrôlées.
La méthode de culture en continu en utilisant un chemostat a été décrite de façon indépendante par Monod 3 et Novick et Szilard 4 en 1950. Conçu à l'origine, les cellules sont cultivées dans un volume fixe de médias qui est concontinuellement dilué par ajout de nouveaux médias et l'élimination simultanée des médias traditionnels et des cellules (Figure 1). Équations différentielles ordinaires couplées (figure 2) décrivent la vitesse de variation de la densité de cellules (x) et la concentration d'un nutriment (s) limitant la croissance dans le récipient chimiostatique. Surtout, ce système d'équations prédit un seul (non nul) stable à l'état d'équilibre (figure 3) avec l'implication remarquable à l'état d'équilibre, le taux de croissance spécifique des cellules (c'est à dire la constante de taux de croissance exponentiel) est égal au taux au cours de laquelle la culture est diluée (D). En faisant varier le taux de dilution, il est possible d'établir des populations à l'état stable de cellules à différents taux de croissance et dans différentes conditions de limitation en nutriments.
Le contrôle expérimental des taux de croissance à l'aide chémostats était essentielle pour le développement d'une compréhension de la façon dont les changements de la physiologie cellulaireavec des taux de croissance de 5,6. Cependant, cet ancien pilier de méthodes microbiologiques est devenu de plus en plus obscure lors de l'explosion dans la recherche en biologie moléculaire au cours de la fin du XXe siècle. Aujourd'hui, un regain d'intérêt dans le contrôle de la croissance dans les deux microbes et les organismes multicellulaires et l'avènement de méthodes échelle du génome pour l'analyse au niveau des systèmes a renouvelé motivation pour l'utilisation de chémostats. Ici, nous décrivons trois applications qui tirent sur le contrôle précis des taux de croissance de cellules et l'environnement extérieur qui sont uniquement possible en utilisant chémostats. Tout d'abord, nous décrivons l'utilisation de chémostats d'étudier comment l'abondance de milliers de biomolécules - tels que les transcriptions et des métabolites - sont réglementés de manière coordonnée avec les taux de croissance. Deuxièmement, nous décrivons comment chémostats peuvent être utilisées pour obtenir des estimations précises des écarts de taux de croissance entre les différents génotypes dans des environnements peu fertiles en utilisant des expériences de compétition. Troisièmement, nous décrivons comment peut chémostatsêtre utilisé pour étudier l'évolution adaptative des cellules en croissance dans des environnements pauvres en éléments nutritifs constants. Ces exemples illustrent la façon dont les chémostats activez enquêtes au niveau des systèmes de régulation de la croissance cellulaire, génique par des interactions de l'environnement et l'évolution adaptative.