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Method Article
Tasa de crecimiento celular es un proceso regulado y un determinante principal de la fisiología celular. Cultivo continuo usando quimiostatos permite el control extrínseca de la tasa de crecimiento de las células por la limitación de nutrientes facilitar el estudio de las redes moleculares que controlan el crecimiento celular y cómo estas redes evolucionan para optimizar el crecimiento celular.
Las células regulan su tasa de crecimiento en respuesta a señales desde el mundo exterior. A medida que la célula crece, diversos procesos celulares deben estar coordinados incluyendo la síntesis macromolecular, metabolismo y en última instancia, el compromiso con el ciclo de división celular. El quimiostato, un método de controlar experimentalmente tasa de crecimiento celular, proporciona un medio poderoso para estudiar sistemáticamente cómo afecta la tasa de crecimiento de los procesos celulares - incluyendo la expresión génica y el metabolismo - y las redes reguladoras que controlan la tasa de crecimiento de las células. Cuando mantenido por cientos de generaciones quimiostatos se puede utilizar para estudiar la evolución de adaptación de microbios en las condiciones ambientales que limitan el crecimiento celular. Se describe el principio de las culturas chemostat, demostrar su funcionamiento y ofrecer ejemplos de sus diversas aplicaciones. Tras un período de inactividad después de su introducción en el medio del siglo XX, la convergencia de las metodologías a escala del genoma con un renovado enterés en la regulación del crecimiento celular y la base molecular de la evolución adaptativa es estimular un renacimiento en el uso de quimiostatos en la investigación biológica.
El crecimiento de las células está regulada por complejas redes de interacción de factores genéticos y ambientales 1,2. La regulación multifactorial del crecimiento celular requiere un enfoque a nivel de sistema para su estudio. Sin embargo, el estudio riguroso de crecimiento celular regulada se ve desafiada por la dificultad de controlar experimentalmente la velocidad a la que crecen las células. Por otra parte, incluso en los experimentos simples condiciones extracelulares son con frecuencia dinámico y complejo como células alteran continuamente su entorno ya que proliferan. Una solución a estos problemas es proporcionada por el quimiostato: un método de cultivo de células que permite el control experimental de las tasas de crecimiento de células en entornos definidos, invariantes y controlados.
El método de cultivo continuo utilizando un quimiostato fue descrita independientemente por Monod 3 y Novick y Szilard 4 en 1950. Tal como se concibió originalmente, las células se cultivan en un volumen fijo de los medios de comunicación que es CONcontinuamente se diluye mediante la adición de los nuevos medios y la eliminación simultánea de los viejos medios de comunicación y las células (Figura 1). Acoplados ecuaciones diferenciales ordinarias (Figura 2) describen la tasa de cambio en la densidad de células (x) y la concentración de un nutriente (s) que limita el crecimiento en el recipiente de quimiostato. Es importante destacar que este sistema de ecuaciones predice un único (distinto de cero) estable en estado estacionario (Figura 3) con la notable implicación de que en el estado estacionario, la tasa de crecimiento específico de las células (es decir, la constante de velocidad de crecimiento exponencial) es igual a la tasa en el que el cultivo se diluye (D). Mediante la variación de la tasa de dilución es posible establecer poblaciones en estado estacionario de las células a diferentes tasas de crecimiento y en diferentes condiciones de limitación de nutrientes.
El control experimental de la tasa de crecimiento utilizando quimiostatos fue fundamental para el desarrollo de una comprensión de cómo los cambios de la fisiología celularcon tasas de crecimiento de 5,6. Sin embargo, este antiguo pilar de métodos microbiológicos hizo cada vez más oscura durante la explosión en la investigación de la biología molecular a finales del siglo XX. Hoy en día, el renovado interés en el control de crecimiento en ambos microbios y organismos multicelulares y el advenimiento de los métodos a escala del genoma de análisis a nivel de sistemas, ha renovado la motivación para el uso de quimiostatos. A continuación, describimos tres aplicaciones que aprovechan el control preciso de las tasas de crecimiento de células y el medio externo que son únicamente posibles con quimiostatos. En primer lugar, se describe el uso de quimiostatos para investigar cómo la abundancia de miles de biomoléculas - tales como transcripciones y metabolitos - están regulados coordinadamente con la tasa de crecimiento. En segundo lugar, se describe la forma quimiostatos pueden utilizarse para obtener estimaciones precisas de las diferencias de tasas de crecimiento entre los diferentes genotipos en ambientes con nutrientes limitados utilizando experimentos de competición. En tercer lugar, se describe cómo se puede quimiostatosser utilizado para estudiar la evolución adaptativa de las células que crecen en entornos pobres en nutrientes constantes. Estos ejemplos ilustran la forma en que quimiostatos están permitiendo a las investigaciones a nivel de los sistemas de regulación del crecimiento celular, génica mediante interacciones ambientales y la evolución adaptativa.
El principio de cultivo continuo utilizando un quimiostato se puede realizar en una variedad de implementaciones. En todos quimiostatos que es esencial contar con 1) los métodos para mantener la esterilidad de todos los componentes, 2) una cultura bien mezclado, 3) la aireación adecuada del recipiente de cultivo y 4) un medio fiable de adición de los medios y la cultura de eliminación. Aquí, se describe el uso de un biorreactor Sixfors (Infors Inc) como un quimiostato usando métodos que se pueden adaptar fácilmente a configuraciones alternativas.
1. Montaje de los buques Chemostat
2. Preparación de los Medios de Comunicación
3. Calibración de haces 2 Sondas y configuración quimiostato
4. Inoculación
5. Iniciando Bombas y alcance del estado continuo
6. Aplicación 1: El estudio de las células que crecen a ritmos diferentes en condiciones de estado estacionario
7. Aplicación 2: Medición precisa de diferencias en desarrollo las tasas entre los genotipos en ambientes controlados utilizando los ensayos de la competencia basada en Citometría de Flujo
8. Aplicación 3: Evolución Experimental
Una ventaja importante de quimiostatos es la capacidad de controlar la tasa de crecimiento de las células experimentalmente mediante la variación de la tasa de dilución. En la levadura de gemación Saccharomyces cerevisiae, la morfología de una célula es informativo de su fase en el ciclo de división celular. Las poblaciones con tasas de crecimiento más altas contienen una mayor proporción de división activa las células según se determina mediante la medición de la fracción de células unbudded (Fig...
Quimiostatos permiten el cultivo de microbios en condiciones de estado estacionario de crecimiento controlado. Las células crecen continuamente a una velocidad constante que resulta en un ambiente externo invariante. Esto es en contraste con los métodos de cultivo por lotes en el que el entorno externo está cambiando continuamente y la tasa de crecimiento de las células se determina por la interacción compleja de medio ambiente y genotipo. Por lo tanto, una ventaja importante de cultivo de microbios en quimiostatos...
Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.
Este trabajo fue apoyado por la puesta en marcha de fondos forman la Universidad de Nueva York. Agradecemos a Maitreya Dunham y Matt Brauer que inicialmente desarrolló el uso de biorreactores Sixfors como quimiostatos.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Infors-HT Sixfors Chemostat | Appropriate Technical Resources, Inc. | ||
Glass Bottle 9.5 L | Fisher Scientific | 02-887-1 | For Media Vessel and Hosing |
Pinchcock | Fisher Scientific | 05-867 | For Media Vessel and Hosing |
Stopper, Size 12, Green Neoprene | Cole-Palmer | EW-62991-42 | For Media Vessel and Hosing |
Straight Connector | Cole-Palmer | EW-30703-02 | For Media Vessel and Hosing |
General purpose ties 4 in | Fisher Scientific | NC9557052 | For Media Vessel and Hosing |
Tubing, Silicone Rubber | Small Parts | B000FMWTDE | For Media Vessel and Hosing |
Tubing, Silicone, 3/8 in OD | Fisher Scientific | 02-587-1Q | For Media Vessel and Hosing |
Tubing, Silicone, 7/32 in OD | Fisher Scientific | 02-587-1E | For Media Vessel and Hosing |
Tubing, Stainless Steel, 3/16 in OD | McMaster-Carr | 6100K164 | For Media Vessel and Hosing |
Tubing, Stainless Steel, 3/8 in OD | McMaster-Carr | 6100K161 | For Media Vessel and Hosing |
Hook Connectors | Fisher Scientific | 14-66-18Q | For Media Vessel and Hosing |
Ratchet Clamp | Cole-Palmer | EW-06403-11 | For Media Vessel and Hosing |
Luer, Female | Cole-Palmer | EW-45512-34 | For Media Vessel and Hosing |
Luer, Male | Cole-Palmer | EW-45513-04 | For Media Vessel and Hosing |
Millipore Aervent MTGR05010 62 mm Filter, 0.2 μm | Fisher Scientific | MTGR05010 | For Media Vessel and Hosing |
PTFE Acrodisc CR 13 mm filters, 0.2 μm | Fisher Scientific | NC9131037 | For Media Vessel and Hosing |
Direct-Reading Flowtube for Air | Cole-Palmer | EW-32047-77 | For Nitrogen Gas Setup |
Direct-Reading Flowtube for Nitrogen | Cole-Palmer | EW-32048-63 | For Nitrogen Gas Setup |
Gas Proportioner Multitube Frames | Cole-Palmer | EW-03218-50 | For Nitrogen Gas Setup |
Regulator, Two-Stage Analytical | Airgas | Y12-N145D580 | For Nitrogen Gas Setup |
Hose Adaptor, Stainless Steel | Airgas | Y99-26450 | For Nitrogen Gas Setup |
Hose Male Adaptor | Airgas | WES544 | For Nitrogen Gas Setup |
Norprene Tubing | US Plastics | 57280 | For Nitrogen Gas Setup |
Tripod Base | Cole-Palmer | EW-03218-58 | For Nitrogen Gas Setup |
Valve Cartridges | Cole-Palmer | EW-03217-92 | For Nitrogen Gas Setup |
Carboy 10 L | Fisher Scientific | 02-963-2A | For Media Preperation |
Steritop Sterile Vacuum Bottle-Top Filters, 1,000 ml, PES membrane; for 45 mm neck size | Fisher Scientific | SCGP-T10-RE | For Media Preperation |
Media Bottle 100 ml, 45 mm neck size | Fisher Scientific | FB-800-100 | For Media Preperation |
calcium chloride·2H2O | Fisher Scientific | C79-500 | Media Reagents |
sodium chloride | Fisher Scientific | BP358-1 | Media Reagents |
magnesium sulfate·7H2O | Sigma Aldrich | 230391 | Media Reagents |
potassium phosphate monobasic | Fisher Scientific | AC424205000 | Media Reagents |
ammonium sulfate | Fisher Scientific | AC423400010 | Media Reagents |
potassium chloride | Sigma Aldrich | P9541 | Media Reagents |
boric acid | Sigma Aldrich | B6768 | Media Reagents |
copper sulfate·5H2O | Sigma Aldrich | 209198 | Media Reagents |
potassium iodide | Sigma Aldrich | 60400 | Media Reagents |
ferric chloride·6H2O | Fisher Scientific | I88-100 | Media Reagents |
manganese sulfate·H2O | Sigma Aldrich | 230391 | Media Reagents |
sodium molybdate·2H2O | Sigma Aldrich | M7634 | Media Reagents |
zinc sulfate·7H2O | Fisher Scientific | Z68-500 | Media Reagents |
biotin | Fisher Scientific | BP232-1 | Media Reagents |
calcium pantothenate | Fisher Scientific | AC24330-1000 | Media Reagents |
folic acid | Sigma Aldrich | F7876 | Media Reagents |
inositol (aka myo-inositol) | Fisher Scientific | AC12226-1000 | Media Reagents |
niacin (aka nicotinic acid) | Sigma Aldrich | N4126 | Media Reagents |
p-aminobenzoic acid | Fisher Scientific | AC14621-2500 | Media Reagents |
pyridoxine HCl | Sigma Aldrich | P9755 | Media Reagents |
riboflavin | Sigma Aldrich | R4500-25G | Media Reagents |
thiamine HCl | Fisher Scientific | BP892-100 | Media Reagents |
Leucine | Sigma Aldrich | L8000-100G | Media Reagents |
Uracil | Sigma Aldrich | U0750 | Media Reagents |
Dextrose | Fisher Scientific | DF0155-08-5 | Media Reagents |
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