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Method Article
Hier wird ein Hochdurchsatzprotokoll vorgestellt, um Wachstumsdaten zu messen, einschließlich Wachstumskurven, Wachstumsrate und maximaler Wachstumsrate. Das Protokoll wurde anhand von zwei Biofilm-produzierenden Bakterien verifiziert und validiert. Die Ergebnisse und der in dieser Studie angewandte Ansatz können auf andere Hochdurchsatzprotokolle mit Mikroplatten-Readern ausgeweitet werden.
Ziel dieser Studie war es, ein wiederholbares, zuverlässiges Hochdurchsatzprotokoll zu entwickeln, um das Bakterienwachstum in 96-Well-Platten zu überwachen und die maximale Wachstumsrate zu analysieren. Es wurden die Wachstumskurven und maximalen Wachstumsraten von zwei Bakterienarten bestimmt. Untersucht wurden u.a. (i) Deckelkondensation, (ii) Weglängenkorrektur, (iii) Inokulationsgröße, (iv) Abtastzeitintervall und (v) räumliche Verzerrung. Die Wiederholbarkeit des Protokolls wurde mit drei unabhängigen technischen Replikationen bewertet, mit einer Standardabweichung von 0,03 zwischen den Durchläufen. Die maximalen Wachstumsraten von Bacillus mycoides und Paenibacillus tundrae betrugen (mittlere ± SD) 0,99 h-1 ± 0,03 h-1 bzw. 0,85 h-1 ± 0,025 h-1. Diese Bakterien sind aufgrund ihrer Affinität, miteinander zu verklumpen, optisch schwieriger zu überwachen. Diese Studie zeigt, wie wichtig die Inokulationsgröße, die Weglängenkorrektur, die Deckelerwärmung, die Probenahmezeitintervalle und die räumliche Verzerrung der Well-Platte sind, um zuverlässige, genaue und reproduzierbare Daten auf Mikroplatten-Readern zu erhalten. Das entwickelte Protokoll und seine Verifizierungsschritte können mit Mikroplatten-Readern und Hochdurchsatzprotokollen auf andere Methoden erweitert werden, wodurch die inhärenten Fehler und Materialkosten der Forscher reduziert werden.
Das wachsende Interesse an der Multi-Omics-Manipulation, einschließlich Mechanismus- und Stoffwechselstudien von Bakterien, unterstreicht die Bedeutung von Hochdurchsatz- und automatisierten Methoden wie der Aufzeichnung von Wachstumsdaten 1,2. Wachstumsdaten, die kinetische Parameter wie maximale Wachstumsraten umfassen, können helfen, bakterielle Reaktionen auf verschiedene physikalische, chemische und antibakterielle Bedingungen zu charakterisieren. Daten zur Wachstumsrate sind eine Standard-Antwortvariable, die verwendet wird, um potenzielle Genotyp-Phänotyp-Verknüpfungenaufzudecken 1 oder die mikrobielle Sicherheit und Haltbarkeit von Lebensmitteln anzuzeigen 3,4. Techniken wie die adaptive Laborevolution 5,6,7, das genomweite Screening, bestimmte chemische Assays8 und verschiedene genetische Vorwärts-Screenings9 stützen sich auf Wachstumsraten, um die Ergebnisse zu bewerten.
Messungen der optischen Dichte (OD) von Bakterienkulturen sind eine mikrobiologische Standardmethode zur Überwachung des Bakterienwachstums. OD-Messungen werden oft bei einer Wellenlänge von 600 nm aufgezeichnet, wobei sie sich auf Lichtstreuung und die Zelldichtestützen 10,11. Das Beer-Lambert-Gesetz erklärt die Abhängigkeit der OD-Werte von der Konzentration (d. h. Zelldichte, Zellzahl), der Weglänge und dem Absorptionskoeffizienten. Die Geometrie und das optische System eines Spektralphotometers beeinflussen die OD-Messwerte11. Klassische Methoden der Außendurchmessermessung können sehr zeit- und arbeitsintensiv sein, und die Daten können eine Vielzahl menschlicher Fehler enthalten. In diesem Protokoll wird ein Mikroplatten-Reader verwendet, um die Analysezeit12,13 und die Wahrscheinlichkeit einer biologischen Kontamination zu verringern. Die Hochdurchsatzanalyse mit Mikroplatten-Readern wird in verschiedenen Bereichen der Mikrobiologie eingesetzt, z. B. beim Screening von Biofilm-produzierenden Bakterien14,15, bei der Hemmung des bakteriellen Wachstums16, beim Wachstum von Hefezellen17, bei der Bestimmung der Empfindlichkeit gegenüber Antimykotika18 und beim Toxizitätsscreening von Nanomaterialien19.
Einige Forscher haben Protokolle zur bakteriellen Wachstumsrate mit einem Mikroplatten-Reader veröffentlicht 12,20,21. Ein gründliches Protokoll, das die Zuverlässigkeit der gesammelten Daten untersucht, ist jedoch noch nicht vollständig etabliert. Es wird berichtet, dass Faktoren wie die Art der Spezies 22,23,24 und die Dichtungsbänder die Wiederholgenauigkeit aufgrund der Unzulänglichkeit des Sauerstofftransfers in einer 96-Well-Platte beeinflussen 25,26. Delaney et al. berichteten über große Cluster von Methylorubrum extorquens (Wildtyp-Stamm) im Wachstumsmedium bei Verwendung eines Mikroplatten-Readers, was zu extrem verrauschten Wachstumsdaten führte24. Das Problem wurde gelöst, indem die Gene entfernt wurden, die mit der Biofilmproduktion verbunden sind24. Aufgrund der Sekretion extrazellulärer polymerer Substanzen haben Biofilm-produzierende Bakterien eine größere Affinität, miteinander zu verschmelzen und Zellcluster zu bilden. Daher ist es schwieriger, ihr Wachstum mit Hilfe von Lichtstreutechniken (z. B. Spektralphotometer und Mikroplatten-Reader) zu überwachen.
Dieses Protokoll zielt darauf ab, Schritte zu etablieren, um reproduzierbare Daten in einem Hochdurchsatzverfahren mit einem Mikroplatten-Reader zu erhalten. Bacillus mycoides und Paenibacillus tundrae wurden aufgrund ihres schnellen Wachstums und ihrer Fähigkeit, Biofilme zu produzieren, verwendet, die bei manuellen und automatisierten Ansätzen traditionell eine Herausforderung darstellen. Faktoren wie (i) Weglängenkorrektur, (ii) Kondensation auf dem Deckel, (iii) Inokulumgröße, (iv) Abtastzeitintervall und (v) räumliche Verzerrung wurden untersucht, um die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Daten zu bewerten. Dieses Protokoll enthält Schritte zur genauen Überwachung des Bakterienwachstums und zur Messung spezifischer Wachstumsraten mit einem Mikroplatten-Reader.
HINWEIS: Alle Schritte in diesem Protokoll müssen unter sterilen Bedingungen (d. h. zwischen zwei Flammen oder einer Biosicherheitswerkbank) durchgeführt werden. Alle Materialien und Werkzeuge werden für 20 min autoklaviert. In der Materialtabelle finden Sie Details zu allen Materialien, Geräten und Software, die in diesem Protokoll verwendet werden. Behandschuhte Hände werden desinfiziert, mindestens 1 Minute lang mit Händedesinfektionsmittel oder 70%iger Alkohollösung feucht gehalten und danach nicht aus dem Sicherheitsschrank genommen. Andernfalls muss der Desinfektionsvorgang wiederholt werden, bevor die Hände wieder in den Sicherheitsschrank eingeführt werden. ACHTUNG: Stellen Sie sicher, dass das Desinfektionsmittel vollständig verdunstet ist, bevor Sie eine offene Flamme verwenden.
HINWEIS: Zwei Bakterien wurden, wie zuvor erläutert27 , aus der Trinkwasserbiofiltration auf ihre Fähigkeit zur Bildung von Biofilm isoliert. Sie wurden durch die vollständige 16S-rRNA-Sequenzierung identifiziert und als Bacillus mycoides (SAMN10518261) und Paenibacillus tundrae (SAMN10452279) an das NCBI übermittelt.
1. Aufbereitung der Bakterienbrühe in Glycerin
2. Bereiten Sie die Kultur über Nacht vor.
3. Bereiten Sie das Inokulum vor.
4. Übertragen des Wachstumsmediums auf den Mikroplatten-Reader
5. Einstellungen des Mikroplatten-Readers
6. Aufzeichnung von Wachstumsdaten
7. Datenanalyse
8. Bestimmung der Wachstumsrate
9. Bestimmung der räumlichen Verzerrung
HINWEIS: Mikroplatten-Reader und -Platten führen zu Verzerrungen in den Ergebnissen. Es ist von entscheidender Bedeutung, die räumlichen Verzerrungen der Platten zu bewerten, die in einem bestimmten Mikroplatten-Reader verwendet werden, um die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. Um dies zu erreichen, gehen Sie wie folgt vor:
10. Validierung der OD-Messwerte und Faktor für die Weglängenkorrektur
HINWEIS: Die Bestimmung des Weglängenkorrekturfaktors ist entscheidend, um die Daten zu validieren und die Zuverlässigkeit und Gültigkeit auf verschiedenen Geräten sicherzustellen.
Validierung des OD-Messwerts und Faktor für die Weglängenkorrektur
Geteilte Proben der B . mycoides-Kultur wurden zu unterschiedlichen Zeitpunkten entnommen und mit dem Mikroplatten-Reader und dem Spektralphotometer gemessen (Abbildung 1A). Dieser Schritt wurde unternommen, um die Ergebnisse auf verschiedenen Geräten zu validieren. Die Daten von OD600 korrelierten, stimmten aber nicht überein (...
Mikroplatten-Reader ermöglichen es, konsistente und wiederholbare Wachstumsraten zu erzielen. Diese Technologie minimiert menschliche Fehler und ermöglicht eine Probenahme mit hohem Durchsatz. Die geringe Menge an Kultur, die pro Probe benötigt wird, macht diesen Ansatz zu einer attraktiven und kostengünstigen Alternative zur Zellzählung mit Kolben oder Reagenzgläsern. Mikroplatten-Reader ermöglichen eine große Stichprobengröße, erhöhen die statistische Aussagekraft und erleic...
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte anzugeben.
Diese Arbeit wurde vom Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC) / Halifax Water Industrial Research Chair in Water Quality and Treatment (Grant No. IRCPJ 349838-16). Das Autorenteam möchte sich auch bei Anita Taylor für die Hilfe bei der Durchsicht dieses Artikels bedanken.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Centrifuge | Eppendorf | 5810 R | |
Centrifuge tubes - 15 mL | ThermoFisher- Scientific | 339650 | Sterile |
Centriguge tubes - 50 mL | ThermoFisher- Scientific | 339652 | Sterile |
Disposable inoculating loop , 10 µL | Cole-Parmer | UZ-06231-08 | Sterile |
Erlenmeyer flasks - 250 mL | Cole-Parmer | UZ-34502-59 | Glass |
Isopropanol | ThermoFisher- Scientific | 396982500 | ≥99.0 |
Phosphate Buffer Saline | Sigma-Aldrich | P4417 | |
Pipett tips 1,000 µL | ThermoFisher- Scientific | UZ-25001-76 | |
Pipett tips 10 mL | ThermoFisher- Scientific | UZ-25001-83 | |
Pipett tips 200 µL | ThermoFisher- Scientific | UZ-25001-85 | |
Pipett tips 5 mL | ThermoFisher- Scientific | UZ-25001-80 | |
Pipettor 1,000 µL | Cole-Parmer | UZ-07909-11 | |
Pipettor 10 mL | Cole-Parmer | UZ-07909-15 | |
Pipettor 200 µL | Cole-Parmer | UZ-07909-09 | |
Pipettor 5 mL | Cole-Parmer | UZ-07859-30 | |
Tryptic Soy Broth | Millipore | 22091 | Suitable for microbiology |
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