KR20100014439A

KR20100014439A - 수생유기체의 배양을 향상시키는 방법

Info

Publication number: KR20100014439A
Application number: KR20097019383A
Authority: KR
Inventors: 앤드류 피터 무슨
Original assignee: 아이오제닉 피티와이 엘티디
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2010-02-10
Also published as: AU2008215169A1; IL200426A0; WO2008098298A1; EP2126069A1; EP2126069A4; RU2009134534A; JP2010534056A; US20100136644A1; MX2009008744A; CA2678175A1; CN101679961A

Abstract

본 발명은 조류 또는 박테리아와 같은 수생유기체의 생물학적 특징을 변화시키기 위한 전기화학적 방법에 관한 것이다. 본 발명은 성장률, 세포막침투성 및 부력과 같은 생물학적 특징에 대한 변화를 포함한다.

Description

수생유기체의 배양을 향상시키는 방법{METHODS FOR IMPROVING THE CULTIVATION OF AQUATIC ORGANISMS}

본 발명은 단세포 유기체를 포함한 수생유기체의 배양을 향상시키는 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 상기 방법은 수생유기체의 성장 및 특정한 다른 생물학적 특징에 영향을 주는 전기장의 사용을 포함한다.

사실상, 매우 다양한 식물군 및 동물군은 해양, 호수, 강, 연못, 댐(dam), 저수지 등을 포함하는 해수 및 민물 환경에 거주한다. 수생 환경에 의해 지지되는 생물 형태(life form)는 박테리아와 조류를 포함하는 단세포 유기체부터 식물 및 동물과 같은 복합 유기체까지의 범위이다.

자연과 달리, 수생 환경에서 유기체의 성장은 농업{쌀 및 수경재배(hydroponics)}과 같은 많은 상황에서 산업적으로 이용된다. 생물공학은 또한 수생 환경에서 원핵(prokaryotic) 및 진핵(eukaryotic) 세포의 성장에 의지하는 경제적으로 중요한 분야이다. 예를 들면, 맥주, 와인 및 낙농업, 생물발효(biofermentation)에서의 발효, 단백질 재조합(recombinant proteins) 생산, 생체막 세정을 위한 미생물의 생산, 및 호기성(aerobic) 및 혐기성(anaerobic) 세포 및 폐수의 정화시설 내에서의 유기체의 배양이다.

발효 생산물은 다양하고, 사회 내에서의 많은 수요를 만족시킨다. 예를 들면 배양된 조류는, 식료품 및 영양보충물의 재료로서 및 비료(fertiliser)로서 생물 연료 내에서의 에너지 원과 같은 광범위한 응용에서 사용된다.

어류 및 갑각류 양식은 더욱 보편화되었고, 공해의 생물들(open sea stock)이 고갈되고 오염됨에 따라 더욱 중요해지는 성장산업이며, 어류 및 갑각류 등의 생산 및 양식을 위해 적합하게 제어된 환경의 공급은 어렵고 값비싼 사업이다. 수생 동물의 번식 및 양식에 유용한 유기체 및 세포의 향상된 성장이 성취되는 경우에 경제적 이점이 있을 것이다.

목표하는 유기체의 성장을 위해 수생 환경을 향상시키고 최적화시키고자하는 경우에, 많은 인자들이 고려되어야 한다. 살아있는 유기체의 많은 신진대사 요건 중 임의의 하나가, 특정한 서식지에서 종(species)의 발생, 생존 및 재생을 방해하는 제한 인자일 수 있다. 예를 들면 수생 식물은 일반적으로, 인 또는 질소와 같은 영양분의 이용에 의해 수생 식물의 분포 및 풍부함(abundance)이 제한된다. 풍부한 인은 질소가 없는 식물에 사용되지 않으며, 반대의 경우도 마찬가지이다. 게다가 영양분은 생체내이용가능(bioavailable) 형태로 존재해야 한다.

산소 및 이산화탄소 수준과 같이 충분한 수준으로 용해된 기체도 또한 성장에 중요할 수 있다. 산소의 존재는, 몇몇의 유기 화합물이 분해되거나 보존되는 것에 대한 정도를 결정할 수 있으며, 산소-무산소 경계에서의 화학적 프로세스는 질소, 인 및 철을 함유하는 독립영양(autotrophic) 및 종속영양(heterotrophic)을 위해 영양분을 제한하는 주기에 강하게 영향을 줄 수 있다.

온도, 빛, 다양한 이온종의 농도, 경쟁 유기체의 존재 등과 같은 다른 매개변수도 또한 수생 환경내에서 미생물의 성장을 발생시키거나 향상시키는데 고려될 필요가 있을 수 있다.

미생물의 성장에 덧붙여서, 상기 유기체를 다루고 수확하는 프로세스도 또한 생산에 중요하다. 예를 들면 전체 군집이 정확한 시간의 단일 지점에서 수확될 수 있도록, 군집 내 모든 유기체의 성장 주기를 동일하게 진행할 필요가 있을 수 있다. 침투성을 변화시키고, 또는 심지어 생산 하의 세포 또는 유기체의 세포막 및/또는 벽을 용해할 필요도 또한 있을 수 있다. 예를 들면, 세포로 들어가기 위하여 또는 유기체에 의해 만들어진 생성물을 수생 환경내로 방출시키기 위해, 수생 환경내에서 용질의 통과를 허용시키도록 요구될 수 있다.

본 발명의 목적은, 수생 환경내에서의 성장을 향상시키거나 다룰 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 종래 기술의 문제점을 완화시키거나 극복하는 것이다.

한 목적에서, 본 발명은 수용액 내에 유기체의 생물학적 특징을 변화시키기 위한 방법을 제공하며, 상기 방법은 하기의 단계:(a)수용액과 제1 전극 디바이스와의 전기적 접촉 단계; (b) 비물리적 방식으로 수용액과 제2 전극 디바이스와의 전기적 접촉 단계 및 (c) 수용액 내에 전기장을 만들기 위하여, 제1 전극과 제2 전극 디바이스 사이에 전류를 흐르게 하는 단계를 포함한다. 생물학적 특징은, 성장, 생존력, 번식 능력, 세포 주기 타이밍, 영양의 흡수력, 유기체의 세포막 또는 세포벽의 보전성 또는 침투력, 부력 또는 이동성일 수 있다. 수생 유기체에 대한 전기장의 응용은 성장률, 포자형성 유기체의 세포막 또는 세포벽의 보전성의 변화를 초래할 수 있다{이것이 전기천공법(electroporation)또는 심지어 용해(lysis)를 유도할 수 있다}. 세포를 부유시키거나 침수시키는 능력은 수생 유기체의 수확에 대한 이점을 갖는다.

현재의 방법이 임의의 수생 유기체(단세포이거나 다세포임)에 대해서 사용될 수 있다는 것을 고려하더라도, 상기 유기체는 통상적으로 박테리아이거나 조류이다.

본 방법의 제1 실시예에서, 제1전극 디바이스는 음극이고 제2 전극 디바이스는 양극이다. 제2 전극 디바이스는 접지할 수 있으며, 수용액으로부터 이격된 접지 로드(rod)일 수 있다. 대안적으로, 제2 전극 디바이스는 수용액을 함유하기 위한 수단의 적어도 일부의 벽을 포함한다.

제1 전극 디바이스는 그 안에 비 전도성 외피(housing) 및 전극을 포함할 수 있으며, 상기 외피는 수용액이 전극과 접촉하도록 외피를 관통하는 수용액의 흐름을 위한 도관(conduit)을 제공한다.

제1 및/또는 제2 전극은 스테인리스 강으로 만들어 질 수 있으며, 수용액 내에 침지된 전극 메쉬(mesh), 로드 또는 플레이트의 형태일 수 있다.

본 방법의 한 실시예에서, 전류는 직류이다.

제1 및/또는 제2 전극은:비전도성 외피;외피 내에 배열된 하나 이상의 전극; 수용액이 각 전극과 접촉하도록 수용액이 외피를 관통하기 위한 외피내 입구 및 출구; 각 전극을 전원에 접속하기 위한 수단을 포함할 수 있다.

전극 디바이스는 산화 기체의 공급원으로의 접속을 위한 개구부와 같이, 외피를 통하여 산화제의 흐름을 수용하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다.

전극 디바이스가 비전도성 외피를 포함하는 경우에, 상기 디바이스는 통상적으로 폴리비닐클로라이드와 같은 플라스틱 재료로 만들어진 하나 이상의 관(tube)을 포함한다.

게다가, 전극 디바이스의 전극은 각각의 관 내에 장착될 수 있다. 한 실시예에서, 전극은 각 관 내에 실질적으로 동축으로 부착된다.

본 방법의 한 실시예에서, 전극 디바이스는 수용액이 한 관의 출구로부터 인접한 관의 입구로 흐르도록, 서로 유동적으로 교류하는 두개 이상의 관을 포함한다. 상기 관은 직경 (d)와 입구 및 출구 중 하나를 포함하는 개구 단부를 가질 수 있으며, 여기에서 관의 개구 단부는 전극 너머로 약 4d의 거리까지 확장한다. 한 실시예에서, 상기 거리는 약 0.5d 내지 약 4d이다.

본 발명의 두 번째 목적은, 본 명세서에 기술된 방법에 따라 생산된 유기체를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 방법 및 시스템의 제1 실시예를 도시하는 개략적 단면도,

도 2는 본 발명의 방법 및 시스템의 제2 실시예를 도시하는 개략적 단면도,

도 3은 본 발명의 방법 및 시스템의 제3 실시예를 도시하는 개략적 단면도,

도 4는 본 발명의 음극 디바이스의 실시예의 단면을 도시하는 개략도,

도 5는 유기 물질, 산소 및 태양광을 이용하여 조류가 번식하는 프로세스의 윤곽을 도시한 도면.

본 발명은 수생 환경내에 전기장의 발생이 그 안에 함유된 유기체의 성장을 조절하기 위해 사용될 수 있다는 발견의 적어도 일부에 근거한 것이다. 발명자는 또한 전위가 수생 환경 내에 유기체의 침투성을 조절하고 또한 세포 성장 주기를 조절하는데 사용될 수 있다는 것을 발견하였다. 따라서 본 발명의 첫 번째 목적은 수용액내에서 유기체의 생물학적 특징을 변화시키는 방법을 제공하는 것이고, 상기 방법은 하기의 단계:(a)수용액과 제1 전극 디바이스의 전기적 접촉 단계;(b) 비물리적 방식으로 수용액과 제2 전극 디바이스의 전기적 접촉 단계 및 (c)수용액 내에 전기장을 발생시키기 위하여, 제1과 제2 전극 디바이스 사이에 전류를 흐르게 하는 단계를 포함한다.

본 발명의 문맥내에서, "유기체(organism)"라는 용어는 수용액 내에서 살 수 있는, 임의의 살아있는 세포 또는 세포의 집합, 또는 임의의 다세포 유기체를 포함한다. 상기 용어는 말(alga), 박테리아, 이스트, 균류, 마이코플라즈마(mycoplasma), 아메바, 또는 포유류(mammalian) 세포와 같은 임의의 단순한 생명체; 또는 어류, 갑각류 또는 식물과 같은 임의의 더욱 복합적인 생명체를 포함한다.

본 발명의 다양한 목적 및 실시예의 검토가 주로 수생 조류의 배양에 영향을 주고 향상시키기 위한 것이지만, 본 발명은 유기체의 특정한 유형의 응용에 제한되지 않는 것으로 이해된다.

본 방법은 수생 유기체의 생물학적 특징을 변화시킬 수 있다. 본 명세서에서, "생물학적 특징"은 하기 특징 중 임의의 하나 이상을 포함한다:

(i) 유기체 크기, 유기체 형상, 유기체 표면적 또는 유기체의 수와 같은 매개변수 중 임의의 하나 이상의 변화를 포함하는 성장, (ⅱ)생존력, (ⅲ)번식 능력, (ⅳ)세포 주기 타이밍, (ⅴ)영양 흡수력, (ⅵ)용질 또는 용매를 함유하거나 배제하기 위한 유기체의 능력을 포함하는 유기체의 세포막 또는 세포벽의 보전성 또는 침투성, (ⅶ)부력 및 (ⅷ)이동성.

본 명세서에서, "변화"라는 용어는 본 발명에 따른 전기장의 응용에 대해서는 초래되지 않을 수 있지만, 생물학적 특징의 임의의 변화를 포함하고자 의도된다.

본 발명의 문맥 내에서, "수용액"은 물이 용매이거나 적어도 1차 용매인 임의의 용질의 임의의 용액을 포함하고자 의도된다. 수용액은 연못의 물, 호수의 물, 강물, 시냇물, 개울물, 해양수 또는 바닷물과 같이 자연 발생할 수 있다. 수용액은 인공적으로 만들어질 수 있는데, 예를 들면 박테리아의 성장을 위한 한정되거나 한정되지 않은 발효 배양액(broth), 또는 진핵 세포의 성장을 위한 최소의 필수 매질이다. 수용액이 순수한 물에 대해 유사한 밀도 또는 점도를 갖는 것이 의도되지는 않으며, 예를 들면 반고체 수용액(예를 들면 젤)이 고려된다.

수용액은 탱크, 도관(pipeline), 저수지, 댐, 배양 플라스크(incubation flask), 발효 챔버 또는 생물 반응기(bioreactor)와 같은 보관 수단에 의해 인공적으로; 또는 연못, 호수, 강, 시내, 개울, 해양 또는 바다에 의해 제공되는 것과 같 은 자연적인 보관 수단에 의해 수용될 수 있다. 보관 수단은 자연 호수내에 위치된 어장(fish pen)과 같이 자연 및 인공 수단의 조합일 수 있다.

본 방법의 한 실시예에서 생물학적 특징은 유기체의 성장이다. 발명자는 본 발명의 방법이 수용성 환경 내에서 조류의 성장을 향상시킬 수 있다고 증명하였다. 따라서 본 발명은 조류배양(algaculture)의 경제적으로 중요한 분야에서의 특별한 사용을 밝힐 것이다.

대다수의 배양된 조류는 식물플랑크톤(phytoplankton), 미소식물(microphytes) 또는 플랑크토닉(planktonic) 조류로서도 언급되는 미소조류(microalgae)의 분류 내에 있다. 일반적으로 해초로 알려져 있는 대형조류(macroalgae)도 또한 많은 상업적 및 산업적 사용을 가지지만, 대형조류의 크기와 이것이 자라기 위해 필요한 환경의 특정한 요건으로 인해 미소조류만큼 대규모로 배양되기에 적합하지 않으며, 거의 해양에서 야생으로 수확된다. 그렇지만 그럼에도 불구하고 본 발명의 방법이 대형조류에도 적용 가능하도록 의도된다.

조류를 배양할 때, 여러 인자들이 고려되어야 하며, 다른 조류는 다른 요건을 갖는다. 물은 특정 조류종이 자라도록 하는 온도 범위 내에 있어야만 한다. 영양분은 조류가 "굶주리지"않도록, 그리고 영양분이 낭비되지 않도록 조절되어야 한다. 빛은 너무 강하지도 너무 약하지도 않아야 한다.

한 실시예에서, 본 방법은 야생의 조류의 배양을 위해 수행되며, 이것은 수로유형(raceway-type) 연못과 호수 내에서 배양될 수 있다. 본 발명의 방법은 특히 이러한 큰 규모의 상황에 유리하다. 성장 계절은 지역에 크게 따르며, 열대 영역과 는 별개로 통상적으로 더 따뜻한 달로 제한된다. 본 발명에 의해 제공된 것과 같은 성장의 향상으로, 조류가 배양될 수 있는 더 넓은 다양한 환경 조건을 고려할 수 있다. 이러한 유형의 시스템에 대한 주요한 이점은, 건조하기에 가장 저렴한 것들 중 하나라는 것이며, 매우 최소한으로 단지 도랑(trench)이나 연못만을 파낼 필요가 있다. 또한 비교 가능한 크기 및 비용의 다른 시스템에 대하여, 가장 높은 생산 능력의 일부를 가질 수 있다. 해당하는 특정 조류가 다른 조류들이 살 수 없는 일종의 극한 조건을 요구하는(또는 살 수 있는) 경우에, 이러한 유형의 배양이 실행 가능하다. 예를 들면 스피룰리나 종(Spirulina sp.)은 매우 높은 농도의 중탄산염(sodium bicarbonate)을 구비한 물 안에서 성장할 수 있고, 두나리엘라 살리나(Dunaliela salina)는 극도의 소금물에서 성장할 수 있다. 사용하기 위해 필요한 조류를 선정하고, 새로운 연못에 높은 시작 농도의 필요한 조류를 주입하기 위한 단일하고 저렴한 시스템이 있다면, 개방형 배양도 또한 사용할 수 있다. 몇몇의 사슬형 규조류가 이러한 분류 내에 있으며, 이것은 상기 규조류가 배수관을 흐르는 물의 흐름으로부터 여과될 수 있기 때문이다. 미세 그물 직물의 "필로우 케이스(pillow case)"를 배수관 위에 묶고, 대부분의 조류가 이것을 통과해서 흐른다. 사슬형 규조류가 주머니 내에 수용되어, 새우 유생(larvae)을 먹이고{동양식 부화장(Estern hatchery)}, 새로운 탱크나 연못에 주입된다.

기본형 "개방형-연못"시스템의 변형은, 이것을 폐쇄하고, 온실을 구비한 연못 또는 물웅덩이(pool)를 덮는 것이다. 상기 변형이 일반적으로 경제적인 이유로 더 작은 시스템을 초래하는 동안, 개방형 시스템과 관련된 많은 문제를 처리한다. 상기 변형은 더 많은 종이 자라도록 허용하고, 종이 우성에 머물도록 성장되는 것을 허용하며, 가열되지 않을 경우에는 단지 약간 성장 시기를 확장하고, 가열될 경우에 연중 내내 생성할 수 있다.

조류는 또한 광생물반응기(photobioreactor) 내에서 성장할 수도 있다. 광생물반응기는 몇몇 유형의 광원을 병합한 생물반응기이다. 실질적으로 임의의 반투명 컨테이너(container)가 광생물반응기라 불릴 수 있지만, 상기 용어는 더욱 일반적으로 개방형 탱크 또는 연못에 대립하여 폐쇄형 시스템을 정의하는데 사용된다. 이러한 시스템은 폐쇄되었기 때문에, 조류가 성장하고 배양되도록 허용하기 위해 모든 필수 영양분이 시스템 내로 주입되어야 한다. 필수 영양분은 이산화탄소, 물, 무기물 및 빛을 포함한다. 온실로 덮인 연못이 광생물반응기로 간주될 수 있다. 광생물반응기는 "배치모드(batch mode)"로 작동될 수 있지만, 또한 영양분, 공기 및 이산화탄소를 함유하는 살균수가 연속적인 흐름으로 주입될 수 있다. 조류가 성장함에 따라 잉여 배양균이 넘치거나 수확된다. 충분히 주의해서 돌보지 않는다면, 연속적인 생물반응기는 종종 매우 급격히 붕괴하지만, 일단 생물반응기가 성공적으로 시작된다면 장기간동안 지속적으로 작동할 수 있다. 이러한 유형의 조류 배양의 이점은 일반적으로 오래된 "노후" 조류보다 더 높은 영양분 함량을 갖는, "로그 기(log phase)"의 조류가 생성된다는 것이다. "교환률"(일정 체적의 액체를 교환하는 시간)이 조류의 "배가 시간(doubling time)"과 동일할 때, 생물반응기에 대한 최대 생산량이 발생한다는 것을 알 수 있다.

조류가 종종 바람직한 균주(strain)를 정화하기 위한 미소생물학 기술을 이 용하는 단일배양에서 성장하는 반면, 다른 접근법이 다양한 연체동물의 배양을 위해 공급되는 조류를 매우 성공적으로 생산하기 위해 사용되어왔다. 바닷물은 유생이 배양되기에는 너무 큰 조류를 제거하기 위해, 여과기를 통과한다. 때때로 연체동물의 수용기(house) 내의 발코니 상 온실 내의 탱크는 부분적으로 여과된 물로 채워지고, 영양분이 첨가된다. 성장의 단지 하루 또는 이틀 후에 탱크에 공기가 공급되고 물이 사용된다. 혼합된 조류의 얕은 결과 배양액(soup)은 연체동물의 유생을 위한 훌륭한 식량원이 된다는 것을 알 수 있다. 조류배양의 이러한 방법의 이점은 보전 요건이 적다는 것이다.

조류 배양의 성장률 향상의 실용적인 이점은 단위시간당 더 많은 조류 생산물이 생성된다는 것이다. 따라서 더 많은 양의 생산물이 소정의 수용액 체적 내에서 성취가능하다.

본 방법의 한 실시예에서의 생물학적 특징은 세포 주기 타이밍이다. 당업자에 의해 이해될 것과 같이, 세포의 성장 및 재생은 미리 결정된 주기를 따른다. 많은 세포 유형에 대해, 세포 주기는 네 개의 독특한 기(phase)로 구성된다: G1 기, S 기, G2 기(집합적으로 중간기로서 알려짐) 및 M 기. M 기 그 자체는 두 개의 단단히 결합된 프로세스로 구성된다: 세포의 크로모좀이 두개의 자세포로 분열되는 유사분열, 및 세포의 세포질은 별개의 세포를 형성하며 분열되는 세포질 분열(cytokinesis). 각 기의 활성은 그 이전 기의 적합한 진행과 완결에 따른다. 일시적이거나 가역적으로 분열이 정지된 세포는 G0 기라 불리는 휴면 상태로 된다.

상대적으로 단시간의 M 기는 핵분열(유사분열) 및 세포질의 분열(세포질 분 열)로 구성된다. 식물 및 조류 내에서, 세포질 분열은 새로운 세포 벽의 형성이 수반된다. 모든 이러한 프로세스의 가장 큰 것은 (중간기)이다.

M 기 이후에, 자세포 각각은 새로운 주기의 중간기를 시작한다. 비록 중간기의 여러 단계가 일반적으로 형태학적으로 분별되지 않지만, 세포 주기의 각 기는 셀 분열의 개시를 위해 셀을 준비하는 특유화된 생물학적 프로세스의 개별적인 세트(set)를 갖는다.

이전의 M 기 이후로부터 DNA 합성 시작 전까지인, 중간기 내의 제1 기는 G1(G는 간극 또는 성장을 나타냄)이라 불린다. 이 기 동안, M 기 동안 상당히 속도가 늦춰진 세포의 생물합성 반응이 높은 속도를 되찾는다. 이 기는 S 기 내에서 요구되며, 주로 DNA 복제에 필요한 여러 엔자임의 합성에 의해 두드러진다. G1의 기간은 심지어 동일한 종의 다른 세포 중에서도 매우 가변적이다.

S 기의 확보는 DNA 합성이 시작될 때 시작된다; 상기 S 기의 확보가 완성될 때, 모든 크로모좀이 복제되며, 즉 각 크로모좀은 두개의(자매) 염색분체를 갖는다. 따라서 이 기동안에, 세포의 배수성(ploidy)이 동일하더라도 세포내 DNA의 양은 효과적으로 두배가 된다. RNA 전사 및 단백질 합성 속도는 이 기 동안 매우 느리다. 이에 대한 예외가 히스톤의 생성이며, 이것의 대부분은 S 기 중에 발생한다. S 기의 기간은 동일한 종의 세포 사이에서 비교적 일정하다.

그런 후에 세포는 G2 기가 되며, 이것은 세포가 유사분열 할 때까지 지속된다. 다시 주로 미세소관의 생성물을 포함하는 이 기 중에 중요한 단백질 합성이 발생하며, 상기 미세소관은 유사분열 프로세스 중에 요구되는 것이다. G2 기 동안 단 백질 합성의 금지는 세포가 유사분열을 하지 못하도록 한다.

"후기-유사분열(post-mitoic)"이라는 용어는 때때로 정지한 노후된 세포 모두를 의미하는데 사용된다. 다세포의 진핵(eukaryote) 내의 비증식(nonproliferative) 세포는 일반적으로 G1으로부터 정지한 G0 상태에 들어가며 오랜 시간동안, 혹은 무기한으로(종종 뉴런의 경우에서와 마찬가지로) 정지한 상태를 유지할 수 있다. 이것은 완전히 분화되는 세포에 대해 매우 일반적이다. 세포질의 노화는 세포의 자손 번식불능을 초래할 수 있는 DNA 손상 또는 열화에 대응하여 발생하는 상태이다; 이것은 종종 이러한 아포토시스(apoptosis)에 의한 이러한 손상된 세포의 자멸(selfdestruction)에 대한 생물학적 대안이다. 성숙된 유치체 내의 몇몇의 세포 유형, 예를 들면 간과 신장의 실질 세포는 반영구적으로 G0 기로 들어가고 매우 특정한 환경 하에서 다시 분할을 시작하도록 유도될 수만 있도록 되고, 다른 유형 예를 들면 상피 세포는 유기체의 일생을 통하여 분할을 지속한다.

따라서 본 발명의 방법은 임의의 상술된 상태 또는 상 중 임의의 하나에서의 세포에 동시에 진행하도록 작용할 수 있다.

상술된 부분은 일반적인 응용인 반면, 몇몇의 실시예에서 본 방법은 특정 유기체에 관련한다. 예를 들면 박테리아의 성장은 이원분열(binary fission)이라 불리는 프로세스 동안에 한 박테리아가 두 개의 동일한 자세포로 분열하는 것을 포함한다. 그러므로 박테리아 군집의 국부적 배가가 발생한다. 분열로 인한 두 모세포 모두 잔존할 필요는 없다. 그렇지만, 잔존하는 군집이 일관된 평균을 초과한다면, 박테리아 군집은 급격한 성장을 겪는다. 배치 배양 내에서 급격한 박테리아 성장 곡선의 측정은 통상적으로 모든 미소생물학자의 연구의 일부이다; 기초 수단은 직접적이고 개별적인(현미경, 유동 세포 분석법), 직접적이고 벌크인(bulk)(생물 자원), 간적접이고 개별적인{군체(colony)집계} 또는 간접적이고 벌크인(가장 확률이 높은 개수, 혼탁도, 영양분 흡수도) 방법에 의한 박테리아 계수(세포 집계)를 요구한다.

개체생태학에서, 배치 배양내에서 박테리아의 성장은 네 개의 다른 기로 모형화될 수 있다: 래그(lag) 기(A), 급격한 기 또는 로그(log) 기(B), 정지 기(C), 및 소멸 기(D).

래그 기 동안에, 박테리아는 성장 조건에 스스로를 적응시킨다. 개별적인 박테리아가 성숙하지만 아직 분화되지 않는 기간이다.

급격한 기(때때로 로그 기라 불림) 동안에, 단위 시간당 나타나는 새로운 박테리아의 수는 존재하는 군집에 정비례한다. 이것은 고전적인 급격한 성장 곡선에 따라 상승하며, 여기에서 군집 밀도의 로그는 시간에 따라 선형으로 상승한다. 이러한 성장의 실제 속도는 성장 조건에 따르며, 이것은 세포 분열의 결과 및 두 자세포의 잔존 가능성에 영향을 준다. 그렇지만 급격한 성장은 무기한으로 지속되지는 않는데, 매질에서 곧 영양분이 고갈되고 폐기물이 많아지기 때문이다.

정지기 동안에, 성장 속도는 영양분의 고갈과 독성의 생성물의 누적의 결과로 둔화된다. 이러한 기는 박테리아에 이용가능한 자원이 고갈되기 시작할 때 도달된다. 소멸 기에서 박테리아는 영양분이 바닥나고 소멸된다.

따라서, 본 발명의 방법은 임의의 상술된 상태 또는 기 중 임의의 하나에서 의 세포에 동시에 발생하도록 작용할 수 있다.

이러한 기초 배치 배양 성장 모델은 대형동물군(macrofauna)의 성장과는 다를 수 있는 박테리아 성장의 양상을 나타내며 강조한다. 이것은 복제성(clonality), 무성 이원 분할, 복제 자체에 대한 짧은 발달 시간, 외관상 낮은 소멸률, 정지 상태에서 번식 상태로의 이동 또는 매질의 조절에 대한 필요, 및 마지막으로 그 영양분을 고갈시키기 위한 적합한 균주의 실험 경향이 강조된다.

배치 배양은 가장 일반적인 실험실 성장 환경이며, 여기에서 박테리아 성장이 연구되지만 많은 것 중 하나일 뿐이다. 이상 공간적으로 구조화되지 않았으며 일시적으로 구조화된다. 박테리아 배양은 단일한 배치의 매질이 있는 폐쇄된 용기 내에서 배양된다. 몇몇의 실험 기간에서, 몇몇의 박테리아 배양은 신선한 무균 매질을 첨가하기 위해서 정기적으로 제거된다. 극한의 경우에, 상기 배치 배양은 영양분의 지속적인 재생을 유도한다. 이것은 또한 연속적인 배양으로서 알려진 케모스태트(chemostat)이다. 배치 배양은 영양분 공급률과 박테리아의 반응에 의해 정의된 평형 상태에서, 이상 공간적으로 구조화되지 않으며 일시적으로 구조화되지 않는다. 배치 배양과 비교해서, 박테리아는 급격한 성장 기로 유지되며 박테리아의 성장 속도의 성장이 알려진다. 연관된 디바이스는 터비도스탯(turbidostat) 및 옥소스탯(auxostat)이다.

세포 주기는 유기체의 특정 속(genera) 또는 종에 대해 특유한 경과를 포함한다. 예를 들면 조류의 몇몇의 종은 포자 형성 단계를 포함한다. 이것은 조류에서 무성 재생의 가장 일반적인 형태이다. 포자 형성은 유기체의 임의의 세포가 그 세 포 벽 내에 하나 이상의 번식 세포를 생성하는 프로세스를 의미한다. 본래의 세포는 포자낭(sporangium)이라하고 새로운 세포는 포자(spore)라 한다. 포자는 종종 군집 크기에서 급격한 증가를 위해 많이 생성된다. 발명자는 본 명세서에서 조류 세포의 군집의 세포 주기를 동시에 진행하기 위해 본 방법의 능력을 개시하고, 그로 인해 포자형성{또는 "숙성(ripening)"}은 군집에 전체에서 동시에 진행될 수 있다. 동시 진행하는 숙성의 실질적인 이점은 조류의 전체 군집을 그들의 최적 생산 상태에서 수확할 수 있다는 것이다.

본 발명의 한 실시예에서, 생물학적 특징은 유기체의 세포막 또는 세포벽의 보전성 또는 침투성이며, 이것은 용질 또는 용매를 함유하고, 배제하고, 수용하거나 방출하는 유기체의 능력을 포함한다.

침투성의 변화는 전기천공법(또한 전기침투법)의 프로세스에 의한 수용성 유기체의 세포내로 용질의 주입이나 상기 세로포부터의 용질의 방출을 촉진하는데 유용할 수 있다. 이러한 프로세스는 세포 내로 몇몇의 물질을 주입하는 방법으로서 분자 생물에서 일반적으로 사용되며, 예를 들면 분자 탐침(probe), 세포의 기능을 변화시킬 수 있는 약제, 또는 DNA 코딩의 단편을 세포에 부가하는 것이다. 그렇지만 본 방법은 박테리아의 성장을 위한 생물반응기와 같은 더 큰 규모로 사용될 수 있다.

전압이 그 유전강도를 초과하는 플라즈마 막을 가로지를 때 다공이 형성된다. 만일 인가된 전기장 및/또는 전기장에 노출되는 시간의 강도가 적합하게 선택된다면, 전기 펄스에 의해 형성된 다공은 세포외 화합물(extracellular compound) 이 세포내로 들어가는 기회를 갖는 동안의 짧은 시간 이후에 다시 밀봉된다. 전기장에 대해 살아있는 세포의 과도한 노출은 아포토시스 및/또는 괴사(necrosis)를 유발할 수 있다- 세포 소멸을 초래하는 프로세스.

분자 생물학에서, 전기천공법의 프로세스는 종종 박테리아, 이스트, 및 식물 원형질체의 변형에 사용된다. 지질막에 부가해서, 박테리아는 또한 지질막과 다르고 펩타이도글리칸(peptidoglycan) 및 그 유도체로 만들어진 세포벽을 갖는다. 그렇지만 상기 벽은 본질적으로 다공성이며 오직 심각한 환경적 충격으로부터 박테리아를 보호하는 단단한 외피(shell)로서 작용한다. 박테리아와 플라스미드(plasmid)가 함께 혼합된다면, 상기 플라스미드는 전기천공 이후에 세포내로 이동될 수 있다.

이러한 절차는 또한 근육 배양 세포, 특히 포유류 세포 내의 외부 유전자의 도입에 매우 효율적이다. 예를 들면, 종양 처리, 유전자 테라피 및 세포에 기초한 테라피와 마찬가지로 넉아웃 마우스(knockout mice)를 생성하는 프로세스에 사용된다. 진핵 세포 내에 외부 DNA를 주입하는 프로세스는 트랜스펙션(transfection)으로 알려져있다.

부력의 생물학적 특징은 세포막 또는 세포벽의 보전성 또는 침투성에 관한 것일 수 있으며, 이러한 구조가 소금, 물, 단백질, 지방, 기름 및 기체의 세포질내부(intracellular) 농도를 조절하기위해 작용할 수 있다. 부력의 변화는 수생 유기체의 수확을 돕기 위해 실질적으로 사용될 수 있다. 예를 들면 부력이 증가하는 경우에, 유기체는 수용액의 표면에 부유할 것이며, 그물(net), 스크린(screen) 또는 유사한 장치로부터 편리하게 얻을 수 있다.

반대로, 부력이 감소하는 경우에, 유기체는 수용액의 바닥으로 가라앉을 것이다. 그 후에 상청액(supernatant)이 흡수될 수 있으며, 수확될 농축된 유기체만 남는다.

상술된 것과 같이, 본 발명은 유기체의 생물학적 특징을 변화시키는 능력을 제공한다. 본 발명은 유기체의 전체적인 건강에 반드시 긍정적인 변화에 국한되지 않는다. 예를 들면, 본 발명은 유기체의 성장을 방해하고자 의도되는 경우에도 여전히 유용할 수 있다. 광합성 유기체의 부력은 낮은 정도의 빛에 노출되도록 감소될 수 있으며, 그로 인해 성장률 저하를 유도한다. 완전히 유기체를 소멸시키고자 의도되는 경우에, 본 명세서의 예에서 기술된 것과 같이 유기체의 세포가 완전히 용해되도록 전압이 인가될 수 있다.

본 방법은 제1 및 제2 전극 디바이스의 사용을 포함한다. 제1 전극 디바이스는 수용액과 통상적인 음극과의 직접적인 물리적 전기 접촉이다. 그러므로 통상적으로 사용 중에 음극 전하가 방출된다. 한 실시예에서, 제1 전극 디바이스는 그 안에 비 전도성 외피 및 전극을 포함할 수 있으며, 상기 외피는 수용액이 전극과 접촉하도록 외피를 관통하는 수용액의 흐름을 위한 도관을 제공한다. 다른 실시예에서 제1 전극 디바이스는 수용액 내에 침지된 전극 메쉬 또는 플레이트를 포함할 수 있다.

제2 전극 디바이스는 수용액과 통상적인 양극과의 물리적이지 않은 전기 접촉이다. 그러므로 통상적으로 사용 중에 양극 전하가 방출된다. 제2 전극 디바이스 는 접지할 수 있으며, 수용액으로부터 떨어진 접지 로드일 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 전극 디바이스는 수용액을 보존하는 수용 수단의 적어도 일부의 벽을 포함할 수 있다.

따라서 제2 전극 디바이스는 비록 전기적으로 접촉하지만, 수용액과 직접적 물리적으로 접촉하지 않는다. 이것은 수용액으로부터 떨어진 접지내에 제2 전극 디바이스를 묻음으로써 성취(예를 들면, 호수와 같이 큰 몸체의 야외의 물을 처리하는 경우)되거나, 전극은 수용액을 보존하는 수용수단의 외부 벽을 포함할 수 있다(예를 들면, 탱크 또는 연못과 같은 더 작은 체적의 수용액이 처리되는 경우). 어느 경우라도, 수용액과 제2 전극 디바이스 사이에 전기적 접촉이 있게 하기 위해서 수용액을 둘러싸는 수용 수단(예를들면 벽, 주변 땅 등)이 전기 전도성이어야 한다.

본 발명의 하나의 중요한 특징은 수용액(aqueous solution)을 제2 전극 디바이스와 물리적으로 접촉시키지 않음으로써 수용액의 화학적 성질이 제어될 수 있어서 그 결과 수용액 내의 유기체의 생물학적 특징이 변경될 수 있다는 것이다. 이론에 의해 제한되는 것을 바라지 않으면서, 제1 전극 디바이스와 관련된 반절 세포 작용이 진행될 수 있는 반면, 관련된 수성 종은 제2 전극 디바이스의 전하점에 도달할 수 없고, 이에 따라 완료하기 위해 진행할 제2 전극 디바이스와 관련된 반절 세포 작용을 위해 불충분한 이온 이동이 존재하므로, 제2 전극 디바이스와 관련된 반절 세포 작용은 진행될 수 없다고 믿어진다. 대신에, 제2 전극 및, 제2 전극과 수용 수단의 내부 표면간의 영역은 반절(half) 세포가 된다.

제2 전극 디바이스를 수용액과 직접적인 물리적 접촉을 갖지 않게 하는 것의 다른 관련된 이점은 전극의 갈바니 전기 부식이 최소화되는 것이다.

언급된 것처럼, 제1 전극 디바이스는 음극이고 제2 전극 디바이스는 양극인 것이 선호된다.

음극 제1 전극 디바이스는 다수의 이유들 때문에 바람직하다. 첫째로, 양극 제2 전극 디바이스가 수용액과 물리적으로 접촉하지 않는 덕분에, 양극과 통상적으로 관련된 반절 세포 작용의 완결을 위한 불충분한 이온 이동이 존재한다. 특히, 기체 상태로서 산소 용액의 생성과 가스 방출(outgassing)을 수반하는 반절 세포 작용은 물의 전해 동안의 일반적인 양극 반절 세포 작용이다. 하지만, 본 발명의 방법의 제1 실시예에서, 양극 제2 전극 디바이스가 물 밖에 있기 때문에, 이러한 반절 세포 작용에 수반된 음이온(anion)은 전하의 음이온 점에 도달할 수 없다. 따라서, 산소 용액으로부터 기체 상태로의 방출("기체 방출")을 초래하도록 작용하기 위해 수용액 내의 불충분한 전류 밀도가 존재한다. 이에 따라, 산소는 용액내에 용해되어, 산소와 과포화될 수 있는 산호가 풍부한 용액을 초래한다. 이러한 환경은 유기 불순물 처리에 특히 이롭다.

음극의 제1 전극 디바이스가 선호되는 또 다른 이유는 대부분의 비유기 오염물질은 양이온(cationic)(특히 금속 이온)이기 때문인데, 이는 양이온이 음극으로 이동할 것이고, 용액으로부터 제거될 수 있는 염으로서 반절 세포 작용 및/또는 침전을 겪을 수 있다는 것을 의미한다.

더 나아가, 공통 전극 재질의 안정성은 양극 조건이 아닌 음극 조건하에서 더 크다. 많은 공통 전극 금속은 양극 조건하에서 산화되기 쉬운데(갈바니 전기 부식), 이는 양극 금속의 수산화물을 가지고 수용액을 더 오염시킬 것이다. 이에 따라, 제1 전극 디바이스는 양극이다. 이 디바이스는 백금과 같은 산화 내성 물질로부터 바람직하게 제조된다.

특정 실시예들에서, 전극의 극성이 반전될 수 있다. 예를 들면, 제1 전극 디바이스가 양극이고, 제2 전극 디바이스가 음극인 경우에, 전극들의 극성이 예를 들면 금속 염과 같이 전해 동안 침전된 물질을 제거하기 위해 전극의 주기적인 세척의 목적을 위해 적어도 일시적으로 반전될 수 있다.

전류가 전극을 통과할 때, 전기장이 수용액 내에 설정된다. 비록 극성 반전이 요구되는 곳에서와 같은 특정 응용에서 교류가 사용될 수 있지만, 전류는 일반적으로 직류이다.

전극 디바이스는 비전도성 외피 및, 이 외피 내에 배열된 하나 이상의 전극을 포함할 수 있다. 외피는 하나 이상의 관을 포함할 수 잇다. 관(들)은 일반적으로 플라스틱 재질로 제조되고, 일 실시예에서 관(들)은 폴리비닐클로라이드로 제조된다. 외피는 대체로 견고한 벽들을 구비하고 구멍이 뚫려있지 않을 수 있으며, 전극의 오염을 최소화하는 이점을 제공할 수 있다.

전극은 로드일 수 있거나, 로드를 포함할 수 있는데, 이 로드는 속이 채워져 있거나 속이 비어 있을 수 있다. 일반적으로 로드는 스테인레스강으로 제조된다. 이 방법의 실시예에서, 전극은 각관 내에서 실질적으로 동축으로 배열된다.

전극 디바이스는 유기체를 함유하는 수용액을 전달하여 수용액을 각 전극에 접촉시키기 위해 외피 내에 입구와 출구, 그리고, 각 전극을 전원에 연결하기 위한 수단을 또한 포함할 수 있다.

본 방법의 제1 실시예에서, 전극은 수용액을 위한 입구 또는 출구로서 기능하는 개구 단부를 구비하는 각각의 관내에 장착된다. 관의 개구 단부는 전극 상의 이온 침전을 최소화하기 위해 충분한 양만큼 전극을 넘어서 확장된다. 바람직하게, 전극의 제1 종단은 전원에 연결하기 위해 적응되고, 각각의 관의 개구 단부는 전극의 제2 자유 종단을 넘어 확장된다.

발명자는 관의 개구 단부로부터 전극의 자유 종단을 이격시킴으로써, 전극상의 이온 침전에 의해 야기된 오염의 분량이 감소될 수 있어서, 전극을 지나가는 흐름의 방해 가능성을 감소시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 발명자는 또한 관의 개구 단부가 관의 직경의 4배까지 분량만큼, 그리고 본 발명의 특정 실시예에서 직경의 0.5 내지 4배만큼 전극으로부터 이격될 때, 최적의 결과가 얻어질 수 있다는 것을 발견하였다. 이론에 의해 제한되는 것을 원하지 않으면서, 관의 개구 단부로부터 전극을 이격시킴으로써 관내의 전류 경로 라인이 더 집중되고, 따라서 관 외부의 전기장과 비교해서 관내에서 비교적 집중된 전기장을 초래한다고 믿어진다. 그러면, 이온 침전물은 전극 상에서가 아니라 관의 외부 상에서 형성되는 경향이 있다.

자유 전극 종단을 관의 개구 단부로부터 이격시키는 것의 추가적으로 이로운 효과는 집중된 전기장이 최대 70 내지 80%까지 상당히 전력 요구를 감소시킨다는 것이다. 예를 들면, 관은 100mm의 직경을 가지며, 전극의 자유 종단은 관의 개구 단부로부터 약 100mm만큼 이격되어 있고, 전류 요구는 약 250 mA 내지 50 mA까지 감소된다.

전극 디바이스는 외피를 통해 산화체와 같은 반응성 유체의 흐름을 수용하기 위한 수단을 더 포함한다. 반응성 유체의 흐름을 수용하기 위한 수단은 예를 들면 대기 또는 다른 산화 기체와 같은 기체의 공급원과 연결하기 위한 개구를 포함할 수 있고, 공수(airlift) 펌프를 형성하기 위해 압축 공기의 공급원에 연결하기 위해 적응될 수 있다.

전해 방법 동안에 산화체를 도입하는 것은 용액 내의 산소와 같이, 특히 제1 전극 디바이스가 음극인 경우 산화체의 용해도를 크게 향상시킨다. 전해 동안 생성된 용존 산소와 함께 도입된 산소는 산소로 과포화된 용액을 초래할 수 있다. 반응성 산소종, 산소 음이온(oxyanions)과 자유 기(radicals)가 선호된다.

본 방법의 제1 실시예에서, 전기장은 유기체에 대한 산소의 공급을 증가시키기 위해 충분한 강도 및/또는 기간이어야 한다. 유기체가 성장하기 위해 용존산소를 요구하는 경우에, 이러한 실시예는 유기체의 성장 또는 생존력을 증가시킬 것이다.

본 방법의 다른 실시예에서, 전기장은 유기체의 세포막 전기화학 전위를 증가시키기 위해 충분한 강도 및/또는 기간이어야 한다.

본 방법의 제1 실시예에서, 전기장은 유기체 및, 수용액 내의 유기체에 의해 요구되는 영양분을 동시에 위치시키기 위해 충분한 강도 및/또는 기간이어야 한다. 유기체를 영양분과 더 근접하게 위치시키는 것은 (필수적 또는 비필수적으로) 유기 체에 대한 영양분의 이용가능성을 증가시켜서 성장을 돕는다.

당업자는 생물학적 특징의 효과를 얻거나 임의의 원하는 결과는 최적화하기 위해 전극, 전류, 전압과 시간간의 거리와 같은 가변 매개변수일 수 있다. 본 방법의 제1 실시예에서, 전극간의 거리는 적어도 약 1, 2, 3, 4, 5 ,6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 50, 75, 100, 250, 500, 750과 1000 미터로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 추가적인 실시예에서, 전압은 적어도 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 50, 75, 100, 250, 500, 750과 1000 볼트로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 조류의 증가된 성장을 위해서, 24 볼트 미만의 전압이 일반적이며, 한편 세포막 침투 또는 세포의 용해를 위해, 약 24 볼트보다 높은 전압이 일반적으로 사용된다. 본 방법의 추가적인 실시예에서, 전기장은 적어도 약 1, 2, 3, 4, 5 ,6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 50, 75, 100, 250, 500, 750, 및 1000분, 또는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 20, 25, 및 30일, 또는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 및 12개월로 이루어진 그룹으로부터 선택된 기간동안 인가된다. 전기장은 임의의 기간동안 계속해서 인가될 수 있거나 그렇지 않을 수 있으며, 기간동안 온 또는 오프될 수 있다는 것이 강조된다. 전압(또는 참으로 임의의 다른 매개변수가)이 임의의 기간 동안에 변경될 수 있다는 것이 또한 강조된다.

생물학적 특징의 견지에서 단일의 원하는 결과는 상기 언급된 임의의 두 개 이상의 매개변수의 조작에 의해 획득될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 전압 감소는 시간의 증가에 의해 보상될 수 있으며, 그 반대의 경우도 성립한다.

본 방법의 일 실시예에서, 음극 디바이스는 수용액 내에 위치된다. 음극 디 바이스를 수용액 내에 위치시킴으로써, 수용 수단의 벽들과 음극디바이스 간에 직접적인 전류 경로가 존재해서, 그 결과 수용액 내의 이온이 제각각의 전극으로 이동하는 것을 허용하는 전기장이 생성된다. 음이온종은 컨테이너의 벽으로 이동할 것이고, 양이온(cation)종은 음극 디바이스로 향해 이동할 것이다. 직접 및/또는 간접 전해에 의해, 음이온 이동의 생성물들 중 하나는 호흡하기 위한 필수 원소인 산소일 수 있다. 이것은 좌하부에서 새로운 조류를 야기하는 좌상부에서 오는 산소를 도시하는 도 1에 따라, 증가된 호기성 박테리아 활동을 초래할 수 있어서, 식물 또는 조류 유기체의 증가된 영양분 이용가능성을 야기하고, 이러한 유기체의 증가된 생산을 야기한다.

본 방법의 다른 실시예에서, 음극 표면 영역은 수용 수단의 내부 벽의 표면 영역의 약 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 또는 30% 미만이다. 일 실시예에서, 음극 표면 영역은 수용 수단의 내부 벽의 표면 영역의 약 65% 미만이다. 수용 수단의 내부 벽의 영역에 대해 음극 표면 영역을 작게 유지함으로써, 비균일 전위 기울기가 수용액 내에 수립될 수 있어서, 그 결과 전위 기울기는 음극 디바이스에 근접하여 증가한다. 이것은 도 1에 도시되는데, 음극 디바이스의 영역에서의 박테리아는 세포 내의 세포막 전기화학적 전위가 영향을 받을 수 있는 효과를 가지고 이러한 증가된 전위 기울기의 영향 하에 올 수 있는데, 이는 ATP 합성, 편모(flagellar) 회전, 및 성장 수율을 포함하는 다수의 근원적인 생리학적 프로세스의 자극을 야기한다. 따라서, 음극의 영향은 증가된 박테리아 크기와 활동을 초래할 수 있어서, 이에 따라 조류의 증가된 생산을 야기한다.

본 발명의 일 실시예에서, 전기장은 비균일하다. 도 2에서 점으로 도시된 비균일 전기장 라인에 의해, 라인이 함께 근접하는 더 큰 전기장이 존재한다는 것을 알 수 있다. 이것은 이러한 더 높은 전기장 영역에 영양분과 미생물 유기체를 유인하는 효과를 가질 수 있는데, 여기서 증가된 생물학적 활동이 발생할 것이다. 이것은 바람직한 조들의 증가된 생성을 야기할 수 있다.

일단 원하는 조류 성장이 달성되면, 하나 또는 두 개의 추가적인 단계들이 본 발명의 방법을 사용해서 수행될 수 있다.

단계 1. 전원(일 실시예에서 직류)을 오프함으로써 조류는 숙성이라고 알려진 휴식(resting) 포자 단계에 진입하기 위해 자극된다. 이것은 많은 날들이 걸릴 수 있고, 수확의 프로세스에 이롭다.

단계 2. 단기간과 고 에너지 또는 교류의 펄스를 포함할 수 있는 증가된 또는 반전된 극성 전압을 가진 전원을 온 함으로써, 조류는 용해되고, 현탁액으로부터 가라앉을 것인데, 이는 수확을 용이하게 하기 위해 제거 프로세스를 가능케 한다.

조류가 휴식 포자 단계에서 죽으면, 한 부분이 세포와 함께 모여질 수 있고 쉽게 버려질 수 있기 때문에 기름이 수용액의 상단으로부터 수확될 수 있다. 휴식 포자 단계에 있지 않은 조류는 많은 지질을 유지하면서 용해되고 하단으로 침하될 것이다. 이것은 컨테이너의 하단으로부터 수확될 수 있어서, 지질은 다른 프로세스 또는 임의의 다른 이용을 위해 재생될 수 있다.

본 발명의 방법에 의해 유기체의 임의의 프로세스는 유기체가 성장되거나 유 지된 수용 수단 내에서 발생할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 예를 들면, 세포는 전기장이 없는 생물 반응기에서 성장될 수 있고, 그 후에 여기서 설명된 전기장의 인가에 의해 후속적인 용해 또는 전기천공법(electroporation)을 위해 별도의 컨테이너로 이동될 수 있다.

많은 유형의 전극들(예, 고체 로드형 전극, 메쉬, 플레이트 등)이 본 방법의 문맥내에서 용도를 발견할 수 있지만, 특정 실시예가 여기서 개시된다. 도면들의 다음 논의에서, 참조 번호들은 유사한 부분들을 지칭한다.

도 1은 물의 몸체(12)를 포함하는 열린 지면에 파진 연못일 수 있는 전기 전도 컨테이너(24)에서 수생 유기체의 배양과 성장에 영향을 주고 향상시키기 위해 사용되는, 본 발명의 방법 및 시스템의 제1 실시에의 개략적 단면(10)을 도시한다. 전기적으로 연결된 일련의 로드 또는 관을 포함하는 음극 디바이스(14)는 물의 몸체(12) 내의 영역에 잠기며 이 영역을 포괄한다. 양극 로드(16)를 포함하는 양극 디바이스는 물(12)의 몸체를 둘러싸는 지면(18)에 묻힌다. 지면(18)은 물(12)의 몸체를 위한 물 수용 수단으로서 효과적으로 작용한다. 음극 디바이스(14)와 양극 로드(16)는 직류 전압원(20)을 포함하는 전원의 음 및 양의 단자에 각각 연결된다. 직류 전원(20)은 0 내지 -100 볼트사이의 전압을 제공하기 위해 조정될 수 있어서, 전류 경로 라인(22)에 의해 도시된 것처럼 물(12)의 몸체에서 전기장을 수립하고 지면(18)을 둘러싼다. 전압은 다음과 같은 프로세스의 하나, 일부 또는 전부를 초래하기 위해 충분한 강도와 기간의 전기장이 달성될 때까지 조정된다:

(i) 이로운 호기성 종에게 호흡의 필요를 공급하기 위한 산소의 증가된 공 급;

(ii) 증가된 근원적 생리학적 프로세스와 성장 수율을 초래하는 증가된 세포막 전기화학적 전위;

(iii) 종(species)과 그 영양분의 효율적인 국부적 집중.

본 발명의 방법과 시스템의 제2와 제3 실시예를 각각 도시하는 도 2와 3의 다음과 같은 설명에서, 논의는 제1 실시예의 양상과 다른 실시예의 양상에 초점이 맞추어질 것이다.

도 2에서, 물의 몸체(112)는 전기 전도성 컨테이너(124)를 포함하는 물 수용 수단 내에 제공된다. 외부벽은 물과 물리적으로 접촉되지 않는다. 따라서, 전류 경로 라인(122)에 의해 지시된 전기장은 전도 컨테이너(124)와 물의 몸체(112) 내에 전체가 있으며, 둘러싸는 지면(118)으로 확장하지 않는다. 따라서, 전류는 전원(120)으로부터 컨테이너의 벽(124)으로 병합된 양극 디바이스(116)를 통해 물의 몸체(112)로 흐르고, 그런 후에 전기적으로 함께 연결된 일련의 로드 또는 관(114)을 포함하는 침윤된 음극 디바이스로, 그런 후에 전원(120)으로 다시 돌아온다.

도 3은 음극 디바이스(214)가 실질적으로 평면의 침윤된 메쉬 또는 플레이트인 변형을 도시한다. 이에 따라, 전류 경로 라인(222)은 전원(220)으로부터, 묻힌 양극(216)을 통해, 지면(218)을 통해, 전도성 컨테이너의 벽(224)을 통해 물의 몸체(212)로 흐르고, 그런 후에 침윤된 실질적으로 평면인 음극(214)으로, 그리고 전원(220)으로 다시 돌아온다.

도 4는 물(312)에 침윤된 음극 로드(314) 중 하나의 단면을 도시하며, 전기 장 라인(322)과 등위 표면(326)의 형태를 도시한다. 전기장 라인(322)은 실질적으로 음극 로드 아래의 영역에 서로 근접하게 보이며, 등위 표면(326)은 음극 로드(314)에 더 인접한 영역에서 더 근접하게 보인다. 이러한 비균일성은 세포막 전기화학적 전위와, 종 및 그 영양분의 국부적 집중 모두에 영향을 준다.

본 발명은 다음과 같은 비제한적인 예들을 참조해서 이제 보다 완전하게 설명될 것이다.

예들

예1: 12 볼트 전기장을 조류에 인가

야생 조류를 포함하는 산화 연못으로부터 50 리터의 폐수가 작은 실험 연못에서 6주간에 걸쳐 12 볼트가 전극에 유지되면서 본 발명에서 사용되었다. 동일한 공급원으로부터의 1 리터의 폐수가 날마다 추가되었다. 이 분량은 증발로부터의 손실을 대체하였다.

조류 밀도는 유지되었고, 6주간에 걸쳐 천천히 증가되었다. 조류가 마르거나 가라않는 아무런 징조도 없었다.

6주의 기간의 끝에서, 시스템이 꺼졌고 관찰되었다. 3일 후에, 균일한 휴식 포자 단계가 달성되었는데, 이는 황금빛을 띠는 노란색으로 색상이 변경된 것에 의해 표시된다. 이것은 휴지 포자 단계가 전체 군집에 걸쳐서 야기될 수 있다는 동기화에 대한 증거이다.

시스템은 12 볼트에서 재가동되어, 세포의 용해, 생물 폐기물(biomass)의 연못 바닥으로의 침하, 및 표면상의 관찰할 수 있는 기름에 의해 표시되는 지질(lipid)의 부유를 초래했다.

예2: 48 볼트의 전기장을 조류에 인가

이 실험은 6주의 기간을 통해 동일한 결과를 가지고 예1에 설명된 대로 실시되었다.

600mm x 400mm x 480mm 크기의 실험 연못은 50 리터의 폐수를 포함했다. 대전된 연못 음극은 스테인레스강으로 조성되었고, 물에 수직으로 매달려 있다. 로드의 하단은 연못의 바닥으로부터 10mm 떨어져 있었다. 10mm x 700mm 크기의 스테인레스강 로드 유형 양극은 연못의 모서리로부터 5 미터의 거리에서 지면에 묻혔다. 배양 중인 조류는 산화 연못으로부터 폐수에서 자연적으로 발생하는 야생종이었다. 성장 전압은 12 볼트였고, 전류는 250 mA였다. 조류는 시스템을 오프하지 않고 48 볼트로 용해되었고, 휴식 포자 단계 이전에 시작되었다. 이것은 최대 전기장 영역에서 자체적으로 집중된 죽은 생물의 폐기물이 침하되는 것을 초래하였다.

용해는 세포막의 와해를 통해 발생한다. 이것은 비교적 높은 전압에서 달성되었다. 더 낮은 전압에서, 용해는 발생하지 않았고, 우리는 거의 치사량에 가깝고 일시적이고 국부적인 와해가 발생했을 것이라는 것을 추론한다.

마지막으로, 다양한 다른 변화 및/또는 변형이 본 명세서에서 개설된 본 발명의 정신으로부터 이탈하지 않고 수행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

전술된 바와 같이, 본 발명은 단세포 유기체를 포함한 수생유기체의 배양을 향상시키는 방법에 관한 것이며, 더욱 구체적으로 상기 방법은 수생유기체의 성장 및 특정한 다른 생물학적 특징에 영향을 주는 전기장의 사용을 포함한다.

Claims

수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법으로서,

(a) 제1 전극 디바이스를 이용해 수용액을 전기적으로 접촉하는 단계;

(b) 비-물리적 방식으로 제2 전극 디바이스를 사용해 수용액을 전기적으로 접촉시키는 단계;

(c) 수용액에서 전기장을 수립하기 위해 제1 및 제2 전극 디바이스간에 전류를 통과시키는 단계를

포함하는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제1항에 있어서, 생물학적 특징은 성장, 생존력, 번식 능력, 세포 주기의 타이밍, 영양을 소화흡수하는 능력, 유기체의 세포막 또는 세포벽의 보전성 또는 침투성, 부력 또는 이동성으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제1항에 있어서, 생물학적 특징은 성장인, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제3항에 있어서, 성장은 증가된 성장률인, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제1항에 있어서, 생물학적 특징은 세포 주기의 타이밍인, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제5항에 있어서, 세포 주기의 타이밍은 유기체 군집에서 세포 주기의 동기화인, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제6항에 있어서, 세포 주기의 동기화는 유기체의 세포 내의 포자 형성의 동기화를 초래하는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제1항에 있어서, 생물학적 특징은 유기체의 세포막 또는 세포벽의 보전성인, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제8항에 있어서, 유기체의 세포막 또는 세포벽의 보전성의 변경은 세포의 용해를 초래하는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서, 유기체의 세포막 또는 세포벽의 보전성의 변경은 세포의 전기천공법(electroporation)을 초래하는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제1항에 있어서, 생물학적 특징은 유기체 세포의 부력인, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제11항에 있어서, 유기체의 세포의 부력의 변경은 수용액에서 세포의 부유 또는 침하를 초래하는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 유기체는 박테리아 또는 조류(algae)인, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전극 디바이스는 음극이고, 제2 전극 디바이스는 양극인, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 전극 디바이스는 접지와 접촉하는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제15항에 있어서, 제2 전극 디바이스는 수용액으로부터 이격된 접지 로드를 포함하는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 전극 디바이스는 수용액을 포함하기 위한 수단의 벽의 적어도 일부분을 포함하는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전극은 비전도성 외피와 이 외피 내의 전극을 포함하고, 상기 외피는 수용액이 전극을 접촉하도록 수용액의 흐름을 위한 도관을 제공하는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전극 디바이스는 수용액에 잠겨 있는 전극 메쉬, 로드 또는 플레이트로부터 선택되는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 전류는 직류인, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및/또는 제2 전극은:

비전도성 외피;

상기 외피 내에 배열된 하나 이상의 전극;

수용액이 각 전극을 접촉하도록 수용액의 통과를 위한 외피 내의 입구와 출구; 및

각 전극을 전원에 연결하기 위한 수단을 포함하는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 전극 디바이스는 외피를 통과하여 산화체의 흐름을 수용하기 위한 수단을 더 포함하는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제22항에 있어서, 전극 디바이스를 통과하는 산화체의 흐름을 수용하기 위한 수단은 산화 기체의 공급부에 연결하기 위한 개구를 포함하는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 전극 디바이스는 스테인레스강으로 제조된 전극을 포함하는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 전극 디바이스의 비전도성 외피는 바람직하게 플라스틱으로 제조된, 보다 바람직하게 폴리비닐클로라이드로 제조된 하나 이상의 관을 포함하는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 전극 디바이스의 각 전극은 각각의 관내에 장착되는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제26항에 있어서, 전극은 각각의 관내에 실질적으로 동축으로 장착되는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 수용액이 하나의 관의 출구로부터 인접 관의 입구로 흐르도록 전극 디바이스는 서로 유체가 통하도록 연결된 두 개 이상의 관을 포함하는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제25항 또는 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 관은 직경 d이고, 입구와 출구 중 하나를 포함하는 개구 단부를 구비하며, 관의 개구 단부는 약 4d까지의 거리만큼 전극을 넘어 확장하는, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제29항에 있어서, 거리는 약 0.5d와 약 4d 사이인, 수용액에서 유기체의 생물학적 특징을 변경하기 위한 방법.
제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 따라 생산된 유기체.