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Method Article
Il tasso di crescita delle cellule è un processo regolato e un determinante fondamentale della fisiologia cellulare. Coltura continua utilizzando chemostati consente il controllo estrinseco di crescita cellulare mediante limitazione nutritiva facilitare lo studio delle reti molecolari che controllano la crescita cellulare e come tali reti evolvono per ottimizzare la crescita cellulare.
Le cellule regolano il loro tasso di crescita in risposta a segnali dal mondo esterno. Con la crescita della cellula, diversi processi cellulari devono essere coordinati tra cui la sintesi macromolecolare, metabolismo e infine, l'impegno per il ciclo di divisione cellulare. Il chemostato, un metodo per controllare sperimentalmente tasso di crescita cellulare, fornisce un potente mezzo di sistematicamente studiare come impatti tasso di crescita processi cellulari - tra l'espressione genica e del metabolismo - e le reti di regolazione che controllano il tasso di crescita delle cellule. Quando mantenuta per centinaia di generazioni chemostati può essere usato per studiare l'evoluzione adattativa di microbi in condizioni ambientali che limitano la crescita cellulare. Descriviamo il principio di culture chemostato, dimostriamo loro funzionamento e fornire esempi delle loro varie applicazioni. Dopo un periodo di inattività dopo la loro introduzione a metà del XX secolo, la convergenza delle metodologie genoma scala con una rinnovata nelteresse nella regolazione della crescita cellulare e la base molecolare della evoluzione adattativa è stimolare una rinascita nell'uso di chemostati nella ricerca biologica.
La crescita delle cellule è regolata da complesse reti di interazione dei fattori genetici e ambientali 1,2. La regolazione multifattoriale della crescita cellulare richiede un approccio a livello di sistema allo studio. Tuttavia, lo studio rigoroso della crescita cellulare regolamentato è contestata dalla difficoltà di controllare sperimentalmente la velocità con cui le cellule crescono. Inoltre, anche nelle condizioni più semplici esperimenti extracellulari sono frequentemente dinamico e complesso come cellule alterano continuamente il loro ambiente mentre proliferano. Una soluzione a questi problemi è fornita dal chemostat: un metodo di coltura di cellule che consente il controllo sperimentale dei tassi di crescita delle cellule in ambienti definiti, invarianti e controllati.
Il metodo di coltura continuo utilizzando un chemostat è stato descritto in modo indipendente da Monod 3 e Novick & Szilard 4 nel 1950. Come originariamente concepito, le cellule sono coltivate in un volume fisso di supporto che è constantemente diluita con l'aggiunta di nuovi media e la rimozione simultanea di vecchi media e cellule (Figura 1). Accoppiate equazioni differenziali ordinarie (Figura 2) descrivono il tasso di variazione della densità delle cellule (x) e la concentrazione di una sostanza nutritiva (s) crescita limitativo nel recipiente chemostat. È importante sottolineare che questo sistema di equazioni prevede un unico (diverso da zero) stabile allo stato stazionario (Figura 3) con l'implicazione notevole che allo stato stazionario, il tasso di crescita specifico delle cellule (cioè il costante tasso di crescita esponenziale), è pari al tasso alla quale la coltura è diluito (D). Variando la velocità di diluizione è possibile stabilire popolazioni steady-state di cellule a tassi di crescita diversi e in diverse condizioni di scarsità di nutrienti.
Il controllo sperimentale del tasso di crescita utilizzando chemostati è stato fondamentale per lo sviluppo di una comprensione di come i cambiamenti fisiologia cellularecon tassi di crescita 5,6. Tuttavia, questo ex pilastro dei metodi microbiologici divenne sempre più oscuro durante l'esplosione nella ricerca di biologia molecolare nel corso del tardo ventesimo secolo. Oggi, rinnovato interesse nel controllo della crescita in entrambi i microbi e organismi multicellulari e l'avvento di metodi genoma scala per analisi a livello di sistema ha rinnovato motivazione per l'uso di chemostati. Qui, descriviamo tre applicazioni che capitalizzano il controllo preciso dei tassi di crescita delle cellule e l'ambiente esterno che sono unicamente possibile con chemostati. In primo luogo, si descrive l'uso di chemostati per studiare come l'abbondanza di migliaia di biomolecole - come trascrizioni e metaboliti - sono coordinatamente regolato con il tasso di crescita. In secondo luogo, si descrive come chemostati possono essere utilizzati per ottenere stime precise delle differenze di tasso di crescita tra i diversi genotipi in ambienti nutrienti limitata con esperimenti di competizione. In terzo luogo, si descrive come chemostati puòessere usato per studiare l'evoluzione adattativa di cellule che crescono in ambienti poveri di nutrienti costanti. Questi esempi esemplificano i modi in cui i chemostati stanno consentendo indagini sistemi a livello di regolazione della crescita delle cellule, geni da interazioni ambientali e l'evoluzione adattativa.
Il principio di coltura continuo utilizzando un chemostat può essere realizzato in una varietà di implementazioni. In tutti chemostati è essenziale per avere 1) metodi per mantenere la sterilità di tutti i componenti, 2) una cultura ben miscelato, 3) aerazione adeguata del recipiente di coltura e 4) in modo affidabile Inoltre media e rimozione cultura. Qui, descriviamo l'uso di un bioreattore Sixfors (Infors Inc) come chemostat utilizzando metodi che possono essere facilmente adattato alle configurazioni alternative.
1. Montaggio delle navi chemostato
2. Preparazione del supporto
3. Calibrazione DO 2 sonde e configurazione chemostato
4. Inoculazione
5. Avvio Pompe e raggiungimento dello stato stazionario
6. Applicazione 1: Studiare Cells crescendo a diversi tassi in condizioni di stato stazionario
7. Applicazione 2: Misura precisa delle differenze nei tassi di crescita tra i genotipi in ambienti controllati mediante saggi Concorso basati Citometria a Flusso
8. Applicazione 3: Evolution Sperimentale
Uno dei principali vantaggi di chemostati è la capacità di controllare la velocità di crescita delle cellule sperimentalmente variando il grado di diluizione. Nel lievito erba, Saccharomyces cerevisiae, la morfologia di una cellula è informativo della fase del ciclo di divisione cellulare. Popolazioni con tassi di crescita contengono una percentuale maggiore di divisione attivamente cellule come determinato misurando la frazione di cellule unbudded (Figura 5A). Analisi di espressione mRNA globale di...
Chemostati permettono la coltivazione di microbi in condizioni di steady-state di crescita controllata. Le cellule crescono continuamente ad una velocità costante risultante in un ambiente esterno invariante. Questo è in contrasto con i metodi di coltura batch in cui l'ambiente esterno è in continua evoluzione e il tasso di crescita delle cellule è determinata dalla complessa interazione di ambiente e genotipo. Pertanto, un vantaggio importante di coltura microbi in chemostati oltre colture in lotti è la capaci...
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari in competizione.
Questo lavoro è stato sostenuto da start up fondi dalla New York University. Ringraziamo Maitreya Dunham e Matt Brauer che ha inizialmente sviluppato l'uso di bioreattori Sixfors come chemostati.
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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