Temos desenvolvido e validado um conjunto de pequenas dimensões de quimiostatos em miniatura construído a partir de partes prontamente disponíveis para baixo custo. Resultados evolução fisiológica e experimental foram semelhantes aos quimiostatos de maior volume. A matriz ministat fornece uma plataforma compacta, barata e acessível para experimentos quemostato tradicionais, a genômica funcional e aplicações de rastreamento de produtos químicos.
Quimiostatos são sistemas de cultura contínua em que as células são cultivadas num ambiente bem controlado, quimicamente constante onde a densidade da cultura é limitada pela limitação de nutrientes específicos. 1,2 Dados do quimiostatos são altamente reprodutível para a medição de fenótipos quantitativos uma vez que proporcionam uma taxa de crescimento constante e meio ambiente no estado estacionário. Por estas razões, quimiostatos se tornaram ferramentas úteis para a caracterização de fina escala da fisiologia através da análise da expressão do gene da 3-6, e outras características de culturas de equilíbrio de estado estacionário. Sete experiências a longo prazo em quimiostatos pode destacar trajectórias específicas que as populações microbianas adoptarem durante a evolução adaptativa no ambiente controlado. Na verdade, quimiostatos têm sido utilizados para a evolução experimental desde a sua invenção. 8 Um resultado comum em experimentos de evolução é para cada réplica biológica para adquirir um repertório único de mutações. 9-13 Essa diversidade sugere que há ainda muito a ser descoberto por realizar experimentos evolução, com rendimento muito maior.
Nós apresentamos aqui o projeto e operação de uma matriz relativamente simples, de baixo custo de quimiostatos-ou-em miniatura ministats e validar seu uso na determinação de fisiologia e evolução em experimentos com leveduras. Esta abordagem implica crescimento de dezenas de quimiostatos correr um único multiplexados bomba peristáltica. As culturas são mantidas a um volume de trabalho de 20 ml, o que é prático para uma variedade de aplicações. A nossa esperança é que aumentando a produção, diminuindo despesas e prestação de edifício e instruções detalhadas de operação pode também motivar a investigação e aplicação industrial deste projeto como uma plataforma geral para caracterizar funcionalmente um grande número de cepas, espécies, e parâmetros de crescimento, bem como genética ou bibliotecas de medicamentos.
A dinâmica do crescimento microbiano e evolução são fundamentais para a microbiologia, ecologia, genética e biotecnologia. O método mais comum é a cultura de micróbios em lotes, onde as células são inoculadas a uma densidade baixa em caldo rico em nutrientes e cultivadas até à saturação. Embora simples de realizar utilizando equipamento de laboratório padrão, culturas em lote experimentar um ambiente químico flutuante e, correspondentemente, alterar a fisiologia celular. Este ambiente de crescimento heterogêneo pode resultar em efeitos secundários de crescimento e estresse que podem mascarar sutis diferenças fisiológicas. Evolução experimental por transferência lote de série pode selecionar para misturas complexas de crescimento fase subpopulações específicas, dificultando tentativas de conexão adaptações às condições específicas do seletivos. Medição de fenótipos quantitativos pode ser difícil devido ao ruído do tempo de coleta imprecisa e variação em características como tempo de atraso. Culturas contínuas fornecer uma alternativaregime de crescimento, onde as células podem ser cultivadas de forma reprodutível num ambiente quimicamente homogéneo com uma taxa de crescimento definidos para chegar a um estado fisiológico constante. Devido a estas vantagens, os estudos sobre evolução experimental e caracterização do estado celular utilizam frequentemente o ambiente controlado de culturas contínuas como o quimiostato 14.
Apreciação destas vantagens levou a um ressurgimento do interesse nas culturas quimiostato. 15 Desde a sua introdução em 1950, 1,2 quimiostato sistemas têm sido desenvolvidos para a função de uma variedade de escalas que vão de litros de microlitros e para uma variedade de aplicações 16. -19 Estes projetos diversos, que variam de biorreatores produzidos comercialmente para navios glassblown para plataformas personalizadas microfluídica, partes princípios gerais de design. A câmara de cultura é agitada e arejada (normalmente, fazendo borbulhar ar através dele) e os micróbios neles contidos são mantidos homogéneosly dispersas por toda a câmara de cultura em todos os momentos. Meio fresco de composição definido é adicionado continuamente e a velocidade de adição controla a taxa de crescimento e influencia o ambiente químico experimentado pela cultura. Um estouro define o volume de cultura no tubo de crescimento, e através desta o transbordamento cultura serão amostrados na mesma taxa em que entra no meio fresco. Desta forma, as culturas rapidamente chegar a um estado fisiológico estável em que muitos parâmetros biológicos permanecem constantes. Apesar das vantagens do quimiostatos e relatórios destas plataformas diferentes na literatura, a adoção generalizada tem sido limitada por dificuldades de construção e operação desses sistemas, e altos custos associados às opções comerciais. Além disso descrições de como fazer e utilizar estes dispositivos podem ser opacos.
Apresentamos projetos e instruções para uso de uma matriz de pequenas dimensões de quimiostatos miniatura construídas a partir de partes prontamente disponíveis a baixo custo. Nós obsErve altamente consistentes parâmetros experimentais e resultados reproduzíveis quando se compara o nosso dispositivo com dados relatados para leveduras cultivadas em biorreatores maior volume comerciais. Isto inclui a reprodutibilidade da fisiologia celular, como visto através do alcance de estado estável de equilíbrio dentro de 10-15 gerações e obtenção de densidades semelhantes de cultura no estado de equilíbrio. Além disso, os padrões de expressão de genes são consistentes entre ministats e uma plataforma de maior volume comercial. Estabilidade da taxa de diluição, a densidade óptica e da reprodutibilidade da expressão do gene entre as três culturas replicadas demonstrar a robustez da nossa plataforma. Mostramos também que as mesmas mutações adaptativas surgir ao longo prazos semelhantes evolução experimental como com quimiostatos de maior volume.
Cultivo quemostato nos ministats, como com qualquer quemostato, requer atenção aos detalhes e resolução de problemas. Desde que a contaminação é de grande preocupação em experimentos de cultura contínua, que normalmente olhar através do microscópio para a contaminação bacteriana e fúngica após inoculação ea cada 50 gerações durante experimentos evolução a longo prazo. Até à data, não observamos contaminação através de 96 experiências de evolução superior a 300 gerações (dados não mostrados). Para testar a contaminação cruzada entre ministats e do potencial de micróbios para colonizar a câmara de cultura por meio da linha de efluente 16 que correu ministats tais que cada ministat outro foi inoculado com a levedura como acima, e o restante não foram inoculados com a cultura. As culturas foram recolhidos num recipiente de resíduos urbanos, que foi esvaziado em dias alternados. Assim, se fosse possível para os contaminantes para entrar na linha de efluentes que provavelmente teria observado que neste experiment. Durante três semanas e mais de 100 gerações de crescimento neste padrão quadriculado de células inoculadas e não inoculados não foi observada no crescimento não-inoculados tubos de cultura ministat, sugerindo que a contaminação por fungos ou outros micróbios fora é improvável que ocorra em experimentos de prazos semelhantes.
Embora os ministats foram projetados para operar de forma análoga à quimiostatos comerciais, a natureza modular deste arranjo permite a otimização para se ajustar às necessidades dos usuários e orçamento. A bomba peristáltica usada no presente protocolo podem alcançar taxas de fluxo entre 0,0186 vol / vol para 3,6 hr / hr (dados não mostrados). Um maior controlo das taxas de diluição pode ser conseguido com modelos de bombas alternativas. Note-se que a operação a baixas taxas de diluição podem exigir a substituição de uma agulha de maior calibre para atingir a mesma frequência de fornecimento de gotículas. O tamanho da população é uma consideração importante para o projeto adequado de experimentos evolução.A taxa de diluição padrão e concentração de nutrientes utilizada aqui proporciona uma população relativamente grande (~ 10 9 células) da mesma ordem de grandeza que os estudos publicados de evolução. 11 populações maiores ou menores podem ser mantidos, alterando o volume de trabalho, ou limitar a concentração de nutrientes. Fornecimento de mutação aumentada também pode ser obtida através do trabalho com as estirpes com taxas de mutação elevadas.
Os ministats também pode ser melhorado com o nosso projeto atual. Por exemplo, a condensação pode acumular nas paredes do tubo de cultura e pode ser muito reduzido por meio de um banho de água profunda, incubadora ou sala de temperatura constante. Embora a aglomeração e crescimento de parede em sulfato de culturas limitadas parece ser relativamente rara, aparecendo em experiências 5/48 evolução por 300 gerações (dados não mostrados), uma variedade de surfactantes estão disponíveis, que podem ajudar a diminuir ou retardar esta característica. No caso em que interfere com a agregação de cultura adequadoagitação, a mistura pode ser aumentada pela redução do número de caminhos de cada bomba de ar é dividido, ou pela adição de um aparelho de agitação. Sondas adicionais para a concentração de gás dissolvido, o pH, ou outros parâmetros podem também ser incluídos, tal como em alguns modelos de outros 17.
Apesar de possíveis modificações, usando os ministats como descritas neste protocolo, observou-se altamente consistentes parâmetros experimentais e resultados reproduzíveis quando se compara o nosso dispositivo com dados relatados para quimiostatos maior volume comerciais. Isto incluiu a reprodutibilidade da fisiologia celular, como visto através do alcance de estado estável de equilíbrio dentro de 10-15 gerações (Figura 2A) e a obtenção de densidades semelhantes de cultura no estado de equilíbrio. Padrões de expressão de genes foram consistentes em três repetições em ministats biológica e entre ministats e comerciais de grande volume plataformas (Figura 2B), com a excepção de genes do metabolismo do ferro. Estes expression diferenças são provavelmente causado por alterações no teor de metais dos dois dispositivos ou melhorias na qualidade dos ingredientes de mídia. Os nossos dados sugerem que ministats serão úteis para a fisiologia ou a concorrência experiências onde um ambiente consistente é necessária.
Para testar se o desenho ministat é suficiente para aplicações de evolução experimental que evoluíram culturas sob limitação de sulfato durante 250 gerações e CGH utilizado para caracterizar a amplificação no locus SUL1 -. Uma característica fundamental da evolução a longo prazo sob estas condições em quimiostatos maior volume 10 Observou amplificação de clones de SUL1 em 4/4 experiências independentes em evolução sulfato limitados meios de comunicação (Figura 2C). Tomado como um todo, estes dados sugerem que são ministats uma plataforma sólida que pode ser útil para uma variedade de aplicações quimiostato tradicionais. Embora demonstrado sua utilização na cultura de levedura de brotamento, as ministats devetambém ser compatível com outros organismos e projetos similares foram efectivamente utilizadas para cultura de bactérias e leveduras outros. 16,17,25 Além disso, o menor volume de cultura e correlacionados diminuição da necessidade de mídia pode fazer ministats uma alternativa atraente para experimentos que requerem caros ou exóticos Os reagentes, como pode ser o caso em química ou telas genéticos.
The authors have nothing to disclose.
Criação do vídeo foi suportado por concessões do Centro Nacional de Pesquisa de Recursos (5P41RR011823-17) e do Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais (8 P41 GM103533-17) do National Institutes of Health. Este trabalho também foi apoiado pela concessão do NSF 1120425. MJD é uma Rita Allen Foundation Scholar. AWM é apoiado em parte pelo NIH T32 HG00035. Agradecemos a luz do sol Anna de assistência com a melhoria protocolos. Além disso, reconhecemos Sara DiRienzi, Celia Payen, e Amy Sirr como usuários iniciais dos ministats.
Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
3/32″ x 7/32″ silicone tubing | VWR | 63009-260 | Tubing: Order: (50′ coil pack) |
1/2″ x 5/8″ silicone tubing (extra large) | VWR | 63009-299 | Tubing: Order: (50′ coil pack) |
1/4″ x 3/8″ silicone tubing (medium) | VWR | 63009-279 | Tubing: Order: (50′ coil pack) |
Orange green marprene pump tubing | Watson-Marlow | 978.0038.00+ | Tubing: Order: 6x(pack of 6) |
Female luer, 1/8″ barb | Cole Parmer | HV-45500-04 | Connectors: Order: 4x(pack of 25) |
Male luer lock, 1/8″ barb | Cole Parmer | HV-45503-04 | Connectors: Order: 1x (pack of 25) |
Reducing connector, PVDF, 1/4″ to 1/8″ | Cole Parmer | EW-30703-50 | Connectors: Order: 1x (pack of 10) |
Barbed Y connector, 1/8″ ID | Cole Parmer | HV-30703-92 | Connectors: Order: 3x(pack of 10) |
Medium tubing clamps | VWR | 63022-405 | Clamps: Order: 1x(pack of 12) |
Day Pinchcock (metal clamp for tubing) | VWR | 21730-001 | Clamps: Order: 1x(pack of 10) |
Male inline valved quick-connector, Fits tubing: 1/4 in. | Fisher | 05-112-39 | Connectors: Order: 1x(pack of 25) |
Female inline valved quick-connector, Fits tubing: 1/4 in. I.D.,Polypropylene | Fisher | 05-112-37 | Connectors: Order: 1x(pack of 5) |
Silent Air Pumps | Aquarium Guys.com | 212422 | Air Supply: Order: 4 pumps |
PTFE filters, 0.45 μm, for air filtration | Cole Parmer | HV-02915-22 | Air Supply: Order: 1x(box of 100) |
1L Flask with sidearm | Fisher | 10-181F | Air Supply: Order: 2x(Pack of 6) |
#8 silicone stopper, 3/8 in hole, for sidearm flasks | Fisher | K953715-0801 | Air Supply: Order: 8 stoppers |
4-Port manifold | Cole Parmer | EW-06464-85 | Air Supply: Order: 8 manifolds |
55 ml Screw cap culture tubes | Corning Life Sciences | 9825-25 | Culture Chamber: Order: 2x(pack of 48) |
Regular hypodermic white hub needle, 16G, 5 in. length for effluent line | Fisher | 14-817-105 | Culture Chamber: Order: 1x(pack of 100) |
Spinal tap needle | VWR | BD40836 | Culture Chamber: Order: 4x(pack of 10) |
Regular hypodermic pink needle | Fisher | 14-817-104 | Culture Chamber: Order: 1x(pack of 100) |
Foam Silicone stopper size “2”, pink | Cole Parmer | EW-06298-06 | Culture Chamber: Order: 2x(pack of 20) |
8-Well tube Rack | VWR | 82024-452 | Culture Chamber: Order: 4 racks |
10L Reservoir bottle with bottom hose outlet: vacuum safe | VWR | 89001-530 | Media: Order: 2 or more |
Yellow foam silicone stopper, non-standard size 12 | Cole Parmer | EW-06298-22 | Media: Order: 2 or more |
Carboy Venting Filter | Fisher | SLFG 050 10 | Media: Order: 1x(pack of 10) |
Electrical tape, green | Amazon.com | 10851-BA-10 | Media: Order 1 roll. |
Bottle top filter, 1L, .2 μm, 45 mm | VWR | 29442-978 | Media: Order: (1 case of 12) |
5000 ml Reservoir bottle with bottom outlet: vacuum safe | VWR | 89003-384 | Media: (Optional) |
Blue Foam Silicone stopper, nonstandardsize 10 1/2 | Cole Parmer | EW-06298-18 | Media: (Optional) |
205S/CA16, 16 Cartridge pump | Watson-Marlow | 020.3716.00A | Media Pump: Order: 1 |
16-channel 205CA Extension pump head | Watson-Marlow | 023.1401.000 | Media Pump: Order: 2 extension pump heads |
Silicone aquarium sealer | Fisher | S18180B | Media Pump: Order: 1 |
6-block dry bath | VWR | 12621-120 | Heatblock: Order: 2 for 32 ministats or 1 for 16. |
Block for drybath, 6 x 25 mm test tube per block | VWR | 12621-120 | Heatblock: Order: 12 for 32 ministats or 6 for 16. |
Nylon Membrane Filters, 0.45 μm Pore Size; Dia.: 25 mm | Fisher | R04SP02500 | Harvesting: Order: 1x(pack of 100) (optional) |
Nylon Membrane Filters,0.45 μm Pore Size; 45 mm | Fisher | R04SP04700 | Harvesting: Order: 1x(pack of 100) (optional) |
47 mm, large filter apparatus | Fisher | XX10 047 30 | Harvesting: Order: 1 (optional) |
Glass filter holder, 25 mm, small filter apparatus | VWR | 26316-692 | Harvesting: Order: 1 (optional) |
Dewar flask, 1L for Liquid Nitrogen | VWR | 63380-052 | Harvesting: Order: 1 (optional) |