Name: automated 3d optical coherence tomography to elucidate biofilm morphogenesis over large spatial scales
Uploaded: 2019-08-21T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Automated 3D Optical Coherence Tomography to Elucidate Biofilm Morphogenesis Over Large Spatial Scales at JoVE.com

Wij danken Mauricio Aguirre Morales voor zijn bijdrage aan de ontwikkeling van dit systeem.  Financiële steun kwam van de Zwitserse National Science Foundation naar T.J.B.

1. installatie van de positionerings inrichting
<ol><li>Draad het positionerings apparaat aan op een microcontroller board, volgens de instructies in https://github.com/grbl/grbl/wiki/Connecting-Grbl.</li>
	<li>Sluit de microcontroller aan op een single-board computer met internetverbinding via een USB-kabel en installeer de GRBL-server zoals beschreven in https://gitlab.com/FlumeAutomation/GRBL_Server.git. Nu moet het positionerings apparaat bevatbaar zijn vanaf een webpagina die wordt gehost op http://IP:5020/. Als a...

<ol>
	<li>Flemming, H. C., Wingender, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+biofilm+matrix.">The biofilm matrix.</a> Nature reviews. Microbiology. 8, 623-633 (2010).</li><li>Flemming, H. -. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biofilms:+an+emergent+form+of+bacterial+life.">Biofilms: an emergent form of bacterial life.</a> Nature reviews. Microbiology. 14, 563 (2016).</li><li>Stoodley, P., Lewandowski, Z., Boyle, J. D., Lappin-Scott, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oscillation+characteristics+of+biofilm+streamers+in+turbulent+flowing+water+as+related+to+drag+and+pressure+drop.">Oscillation characteristics of biofilm streamers in turbulent flowing water as related to drag and pressure drop.</a> Biotechnology and Bioengineering. 57, 536-544 (1998).</li><li>Stoodley, P., Lewandowski, Z., Boyle, J. D., Lappin-Scott, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+formation+of+migratory+ripples+in+a+mixed+species+bacterial+biofilm+growing+in+turbulent+flow.">The formation of migratory ripples in a mixed species bacterial biofilm growing in turbulent flow.</a> Environmental microbiology. 1, 447-455 (1999).</li><li>Banin, E., Vasil, M. L., Greenberg, E. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Iron+and+Pseudomonas+aeruginosa+biofilm+formation.">Iron and Pseudomonas aeruginosa biofilm formation.</a> Proceedings of the Natural Academy of Sciences U.S.A. 102, 11076-11081 (2005).</li><li>Battin, T. J., Besemer, K., Bengtsson, M. M., Romani, A. M., Packmann, A. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+ecology+and+biogeochemistry+of+stream+biofilms.">The ecology and biogeochemistry of stream biofilms.</a> Microbiology. 14, 251-263 (2016).</li><li>Battin, T. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microbial+landscapes:+new+paths+to+biofilm+research.">Microbial landscapes: new paths to biofilm research.</a> Nature Reviews. Microbiology. 5, 76-81 (2007).</li><li>Neu, T. R., Lawrence, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Innovative+techniques,+sensors,+and+approaches+for+imaging+biofilms+at+different+scales.">Innovative techniques, sensors, and approaches for imaging biofilms at different scales.</a> Trends in Microbiology. 23, 233-242 (2015).</li><li>Meleppat, R. K., Shearwood, C., Seah, L. K., Matham, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+optical+coherence+microscopy+for+the+in+situ+investigation+of+the+biofilm.">Quantitative optical coherence microscopy for the in situ investigation of the biofilm.</a> J. of Biomedical Optics. 21 (12), 127002 (2016).</li><li>Wagner, M., Horn, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+coherence+tomography+in+biofilm+research:+A+comprehensive+review.">Optical coherence tomography in biofilm research: A comprehensive review.</a> Biotechnology and Bioengineering. 114, 1386-1402 (2017).</li><li>Huang, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+coherence+tomography.">Optical coherence tomography.</a> Science. 254, 1178-1181 (1991).</li><li>Haisch, C., Niessner, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualisation+of+transient+processes+in+biofilms+by+optical+coherence+tomography.">Visualisation of transient processes in biofilms by optical coherence tomography.</a> Water Resources. 41, 2467-2472 (2007).</li><li>Drexler, W., Fujimoto, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Optical Coherence Tomography: Technology and Applications. , (2008).</li><li>Fercher, A. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+coherence+tomography+&#8211;+development,+principles,+applications.">Optical coherence tomography &#8211; development, principles, applications.</a> Zeitschrift f&#252;r Medizinische Physik. 20, 251-276 (2010).</li><li>Lee, H. -. C., Liu, J. J., Sheikine, Y., Aguirre, A. D., Connolly, J. L., Fujimoto, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrahigh+speed+spectral-domain+optical+coherence+microscopy.">Ultrahigh speed spectral-domain optical coherence microscopy.</a> Biomedical Optics Express. , 41236-41254 (2013).</li><li>Fortunato, L., Leiknes, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-situ+biofouling+assessment+in+spacer+filled+channels+using+optical+coherence+tomography+(OCT):+3D+biofilm+thickness+mapping.">In-situ biofouling assessment in spacer filled channels using optical coherence tomography (OCT): 3D biofilm thickness mapping.</a> Bioresource Technology. 229, 231-235 (2017).</li><li>Niederdorfer, R., Peter, H., Battin, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Attached+biofilms+and+suspended+aggregates+are+distinct+microbial+lifestyles+emanating+from+differing+hydraulics.">Attached biofilms and suspended aggregates are distinct microbial lifestyles emanating from differing hydraulics.</a> Nature Microbiology. 1, 16178 (2016).</li><li>Roche, K. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Benthic+biofilm+controls+on+fine+particle+dynamics+in+streams.">Benthic biofilm controls on fine particle dynamics in streams.</a> Water Resources. 53, 222-236 (2016).</li><li>Fortunato, L., Jeong, S., Wang, Y., Behzad, A. R., Leiknes, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integrated+approach+to+characterize+fouling+on+a+flat+sheet+membrane+gravity+driven+submerged+membrane+bioreactor.">Integrated approach to characterize fouling on a flat sheet membrane gravity driven submerged membrane bioreactor.</a> Bioresource Technology. 222, 335-343 (2016).</li><li>Morgenroth, E., Milferstedt, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biofilm+engineering:+linking+biofilm+development+at+different+length+and+time+scales.">Biofilm engineering: linking biofilm development at different length and time scales.</a> Reviews in Environmental Science and Bio/Technology. 8, 203-208 (2009).</li></ol>

OCT Imaging is zeer geschikt voor het oplossen van structuren in het micrometer bereik met een FOV van verschillende vierkante millimeter. Het is dus een krachtig hulpmiddel voor biofilm onderzoek10,18. Echter, OCT is momenteel beperkt tot een maximale scangebied van 100-256 mm2, terwijl biofilm structurele patronen vaak hoger zijn dan deze ruimtelijke schaal19, vooral wanneer morfologische differentiatie wordt gedreven door gro...

Biofilms zijn een zeer succesvolle microbiële leefstijl aanpassing en deze Interphase-geassocieerde en matrix-omsloten gemeenschappen van micro-organismen domineren microbiële leven in natuurlijke en industriële instellingen1,2. Daar vormen biofilms complexe architecturen, zoals langwerpige streamers3, rimpelingen4 of champignon achtige Caps5 met belangrijke gevolgen voor de groei van de biofilm, structurele stabiliteit en weerstand tegen stress6. Terwijl veel over biofilm structurele differentiatie is geleerd van het werk op mono-species culturen geteeld in miniatuur stroom kamers, de meeste biofilms zijn zeer complexe gemeenschappen vaak met inbegrip van leden van alle domeinen van het leven6. Het waarderen van deze complexe biofilms als microbiële landschappen7 en begrijpen hoe biofilm structuur en functie samenwerken in complexe Gemeenschappen is dus in de voorhoede van biofilm onderzoek.
Een mechanistisch begrip van de morfogenese van complexe biofilms in reactie op omgevings aanwijzingen vereist zorgvuldig ontworpen experimenten in combinatie met ruimtelijk en tijdelijk opgeloste waarnemingen van biofilm fysieke structuur over relevante Weegschaal8. De niet-destructieve waarneming van de biofilm groei in experimentele systemen is echter ernstig beperkt door logistieke beperkingen, zoals de noodzaak om monsters te verplaatsen (bijv. naar een Microscoop) die vaak schadelijk zijn voor de delicate biofilm structuur.
Het hier gepresenteerde protocol introduceert een volledig geautomatiseerd systeem op basis van optische coherentie tomografie (OCT), dat de in-situ, niet-invasieve monitoring van biofilm morfogenese op het MESOSCHAAL (mm-bereik) mogelijk maakt. OCT is een opkomende beeldvormings techniek in biofilm onderzoek met toepassingen in waterzuivering en Biofouling-onderzoek, geneeskunde9 en stream Ecology10. In de LGO wordt een lichtbron met een lage coherentie opgesplitst in een monster-en referentiearm; de interferentie van het licht gereflecteerd en verstrooid door de biofilm (monsterarm) en het licht van de referentiearm wordt geanalyseerd. Een reeks axiale intensiteit profielen (A-scans) die diepte-opgeloste structurele informatie bevat wordt verworven en samengevoegd in een B-scan (een dwarsdoorsnede). Een reeks van aangrenzende B-scans componeert de laatste 3D volume scan10. Oct biedt een laterale optische resolutie in het bereik van ongeveer 10 μm en is daarom goed geschikt om mesoscopische structurele differentiatie van biofilms10,12te bestuderen. Voor een meer gedetailleerde beschrijving van OCT, refereer je naar Drexler en Fujimoto13en fercher en collega's14. Hoewel het gezichtsveld van een enkele OCT XY-scan tot honderden vierkante micrometers reikt, kunnen grotere patronen niet worden gekwantificeerd door middel van OCT in één scan. Met betrekking tot biofilms in natuurlijke habitats zoals beekjes en rivieren, beperkt dit momenteel ons vermogen om biofilm morfogenese te beoordelen op schaal die overeenkomt met het fysieke en hydraulische sjabloon van de habitat.
Om deze ruimtelijke limieten te overtreffen en automatisch OCT-scans te verwerven, werd een spectrale-domein OCT-beeldvormings sonde op een 3-assige positioneringssysteem gemonteerd. De installatie maakt de overname van verschillende OCT-scans in een overlappend mozaïek patroon (tegel scan) mogelijk, het effectief bereiken van de tomografische beeldvorming van oppervlakten tot 100 cm2. Bovendien maakt de hoge positioneringsnauwkeurigheid van dit systeem het mogelijk om de groei en ontwikkeling van biofilm functies op specifieke sites op een betrouwbare manier te monitoren tijdens lange termijn experimenten. Het systeem is modulair en afzonderlijke componenten(d.w.z. positionerings apparaat en OCT) van de installatie kunnen worden gebruikt als standalone oplossingen of flexibel gecombineerd. Figuur 1 geeft een overzicht van de hard-en softwareonderdelen van de installatie.
Het systeem werd getest met een in de handel verkrijgbare GRBL-gestuurde CNC-positionerings inrichting (tafel van materialen). De bedrijfs afstanden van dit specifieke positionerings platform zijn 600 × 840 × 140 mm, met een door de fabrikant aangegeven nauwkeurigheid van +/-0,05 mm en een programmeerbare resolutie van 0,005 mm. GRBL is een open-source (GPLv3 licentie), high-performance Motion Control voor CNC Apparaten. Daarom moet elke op GRBL gebaseerde (versie > 1,1) positionerings apparaat compatibel zijn met de hier gepresenteerde richtlijnen en softwarepakketten. Bovendien, de software kan worden aangepast aan andere stepmotor controllers met stap-DIR input type met enkele modificaties.
Het LGO-apparaat dat wordt gebruikt om de prestaties van het systeem (tabel met materialen) te beoordelen, beschikt over een lichtbron met een lage coherentie met een middengolf lengte van 930 nm (bandbreedte = 160 Nm) en instelbare lengte en intensiteit van de referentiearm. In het voorbeeld dat hier wordt gepresenteerd, werd ook een Onderdompelings adapter gebruikt voor het dippen van de LGO-sonde in stromend water (tabel met materialen). Het softwarepakket dat hier is ontwikkeld voor geautomatiseerde OCT-scan acquisitie, is kritisch afhankelijk van de SDK die samen met het specifieke LGO-systeem wordt geleverd, maar de LGO-systemen van dezelfde fabrikant met verschillende scan lenzen en centrale golflengten moeten gemakkelijk compatibel.
Het GRBL-apparaat wordt bestuurd door een webserver die op een single board computer is geïnstalleerd (Figuur 1). Hiermee wordt de afstandsbediening van het apparaat vanaf elke computer met een lokaal netwerk of internettoegang verleend. Het LGO-apparaat wordt bestuurd door een afzonderlijke computer, waardoor de werking van het LGO-systeem wordt afgezien van de geautomatiseerde experimentele installatie. Tot slot bevatten de softwarepakketten bibliotheken voor het synchroniseren van de LGO-sonde positionering en de LGO-scan verwerving (d.w.z. om automatisch 3D-beeldsets te verwerven in een mozaïek patroon of in een set gedefinieerde posities). Door de positie van de LGO-sonde in 3D effectief te definiëren, kan het brandpuntsvlak specifiek worden aangepast voor (regionale) sets scans. Met name op ongelijke oppervlakken kunnen verschillende brand vlakken (d.w.z. verschillende posities in z-richting) voor elke LGO-scan worden gespecificeerd.
Er is een set softwarepakketten ontwikkeld voor het verwerken van RAW OCT-scans (tabel 1). Navigatie van het positionerings apparaat, OCT-scan acquisitie en verwerking van gegevensset worden uitgevoerd met python-gecodeerde Jupyter-notebooks, die opmerkelijke flexibiliteit in de ontwikkeling en optimalisatie van de software mogelijk maken. Twee bewerkte en geannoeerde voorbeelden van dergelijke notebooks (respectievelijk voorbeeld verwerving en-verwerking) zijn beschikbaar vanaf https://gitlab.com/FlumeAutomation/automated-oct-scans-acquisition.git ze zijn bedoeld als startpunt voor aanpassing van de methode. Een Jupyter-notebook is een web browser gebaseerde toepassing die cellen met geannoleerde python-code bevatten. Elke stap is opgenomen in een cel van het notitieblok, die afzonderlijk kan worden uitgevoerd. Vanwege de verschillende lengte van het lichtpad door de scan lens (sferische aberratie)15, worden de RAW-scans van de LGO vervormd weergegeven (Figuur 2a). We ontwikkelden een algoritme om automatisch te corrigeren voor deze vervorming in verworven OCT-scans (opgenomen in imageprocessing. ipynb, aanvullend bestand 1). Bovendien, biofilm morfologie kan worden gevisualiseerd als een 2D hoogtekaart, zoals eerder werd gebruikt in membraansystemen16, en we illustreren hoe hoogte kaarten verkregen uit scans in een betegeling array kan worden gestikt.
Ten slotte wordt de functionaliteit van de beschreven laboratoriuminstallatie geïllustreerd met behulp van een Flume-experiment waarbij fototrofische stroom biofilm wordt blootgesteld aan een gradiënt van stromingssnelheid.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:631px;" width="631">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">OCT Probe</td>
			<td style="width:129px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:119px;">GAN210C1</td>
			<td style="width:167px;">OCT imaging device</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">OCT scan lens</td>
			<td style="width:129px;">Thorlabs&#160;</td>
			<td style="width:119px;">OCT-LK3-BB</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Immersion adapter</td>
			<td style="width:129px;">Thorlabs&#160;</td>
			<td style="width:119px;">OCT-IMM3-SP1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Stepcraft 840 CK</td>
			<td style="width:129px;">STEPCRAFT</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td>positioning device</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">microcontroller</td>
			<td style="width:129px;">Arduino Uno R3</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Single-board computer</td>
			<td style="width:129px;">Raspberry PI</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">camera</td>
			<td style="width:129px;">Canon EOS 7D Mark II</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">camera lens</td>
			<td style="width:129px;">Canon MACRO EFS 35 mm</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

automated 3d optical coherence tomography to elucidate biofilm morphogenesis over large spatial scales

Biofilms zijn een meest succesvolle microbiële levensstijl en prevaleren in een veelheid van milieu-en engineered instellingen. Het begrijpen van biofilm morfogenese, dat is de structurele diversificatie van biofilms tijdens de assemblage van de Gemeenschap, vertegenwoordigt een opmerkelijke uitdaging in ruimtelijke en temporele weegschalen. Hier presenteren we een geautomatiseerd biofilmbeeldvormings systeem op basis van optische coherentie tomografie (OCT). OCT is een opkomende beeldvormings techniek in biofilm onderzoek. De hoeveelheid gegevens die momenteel kunnen worden verkregen en verwerkt, belemmert echter de statistische gevolgtrekking van grootschalige patronen in biofilm morfologie. Het geautomatiseerde LGO-beeldvormings systeem maakt het mogelijk om grote ruimtelijke en uitgebreide temporele schalen van biofilm groei te bedekken. Het combineert een commercieel beschikbaar LGO-systeem met een robotpositionerings platform en een suite van software-oplossingen om de positionering van de LGO-scan sonde te regelen, evenals de overname en verwerking van 3D-biofilmimaging-gegevenssets. Deze opstelling maakt de in-situ en niet-invasieve geautomatiseerde monitoring van biofilmontwikkeling mogelijk en kan verder worden ontwikkeld om de LGO-beeldvorming te koppel met macrofotografie en micro sensor profilering.

We demonstreren de functionaliteit van het geautomatiseerde OCT-beeldvormings systeem met behulp van een Flume-experiment dat is ontworpen om de spatio-temporale morfogenese van fototrofische stream-biofilms te bestuderen. Een geleidelijk vernauwing van de glijbanen veroorzaakte gradiënten in de stromingssnelheid langs het midden van de Flume (zie referentie17).  De temporele ontwikkeling en structurele differentiatie van biofilm werd gemonitord gedurende 18 dagen met als doel de effecten van hydr...

Watch this Scientific Journal Video about Automated 3D Optical Coherence Tomography to Elucidate Biofilm Morphogenesis Over Large Spatial Scales at JoVE.com

Automated 3D Optical Coherence Tomography to Elucidate Biofilm Morphogenesis Over Large Spatial Scales

Geautomatiseerde 3D optische coherentie tomografie om biofilm morfogenese te Verheldoen over grote ruimtelijke weegschalen

Microbiële biofilms vormen complexe architecturen in interfasen en ontwikkelen tot zeer Schaalafhankelijke ruimtelijke patronen. Hier introduceren we een experimenteel systeem (hard-en software) voor het automatisch verwerven van 3D optische coherentie tomografie (OCT) datasets. Deze toolset maakt de niet-invasieve en Multi-Scale karakterisatie van biofilm morfogenese in ruimte en tijd mogelijk.

Biofilms are a most successful microbial lifestyle and prevail in a multitude of environmental and engineered settings. Understanding biofilm ...

Hier presenteren we een geautomatiseerd systeem op basis van optische coherentie tomografie of OCT. Dit stelt ons in staat om de structuur van biofilms over grote ruimtelijke schalen of langere perioden te monitoren. OCT imaging is zeer geschikt om structuren op te lossen in de micrometer bereik, maar het is momenteel beperkt tot een maximale oppervlakte van ongeveer 250 vierkante millimeter.Biofilms overschrijden deze schaal vaak, vooral wanneer de differentiatie wordt aangedreven door grootschalige milieugradiënten. De experimentele opstelling stelt ons in staat om de driedimensionale morfogenese van biofilms over grote ruimtelijke schalen en langere perioden te monitoren. Het systeem is snel, nauwkeurig en werkt autonoom.We bestudeerden de morfogenese van biofilms in stromen waar ze belangrijke ecosysteemprocessen aansturen. Het systeem kan echter worden gebruikt om biofilms te bestuderen in andere natuurlijke systemen of ontworpen omgevingen. De software voor positionering, beeldverwerving en analyse is geschreven in Python.Ze zijn verkrijgbaar via Jupyter Notebooks. Dit zijn gebruiksvriendelijke, vrij beschikbare en flexibele oplossingen. Wij zijn van mening dat de visuele weergave van de installatie andere gebruikers helpt om de installatie te reproduceren en de software beter te begrijpen.We hopen dat dit andere onderzoekers inspireert om soortgelijke benaderingen te volgen. Hier is een overzicht van de installatie. Het systeem bestaat uit een precisie positionering apparaat, de OCT sonde, en het is gemonteerd rond een plexiglas flume.Begin met het bedraderen van het positioneringsapparaat door samen met instructies op GitHub te volgen. Installeer de GRBL-server zoals beschreven in een aparte GitLab-pagina, nadat deze is aangesloten. Positioneringssysteem kan nu worden bediend via deze webpagina;als alternatief kan worden gecontroleerd via een Python-script, zoals weergegeven in het uitgewerkte voorbeeld.Plaats de computer en de OCT-basiseenheid op een bank naast de experimentele opstelling met microfluïde apparaten, stroomkamers, rookruimten of filtratiesystemen. Als u nog niet is geïnstalleerd, installeert u het OCT-systeem samen met de beschikbare software zoals beschreven door de fabrikant. Installeer vervolgens de softwarepakketten voor geautomatiseerde OCT-scanacquisitie zoals beschreven in de GitLab-documenten die hier zijn gekoppeld.Om te beginnen met het verwerven van afbeeldingen, monteer de optische coherentie tomografie sonde op de positionering apparaat met behulp van een compatibele zwaluwstaart houder. Installeer indien nodig een onderdompelingsadapter op de objectieve lens en zet vervolgens het OCT-systeem en het positioneringsapparaat in. Open de commerciële OCT-software, zoek een interesselocatie, focus op het monster en pas de referentiearm en lichtbronintensiteit aan voor een optimale beeldkwaliteit.Let op de coördinaten en herhaal deze procedure voor een aantal posities met behoud van dezelfde referentiearmlengte en -intensiteit. Open de ImageAcquisition. ipynb bestand gevonden in dit artikel Aanvullende Bestand 2 in Jupyter Notebook.Elke cel bevat code om specifieke taken uit te voeren en kan afzonderlijk worden uitgevoerd via cel indrukken en vervolgens uitvoeren of beheren en Enter of Shift en Enter. Volg het gewerkte voorbeeld om het pad in te stellen naar de vereiste bibliotheken om het positioneringsapparaat aan te sluiten om het positioneringsapparaat te kalibreren om de OCT-scanner te initialiseren. Pas vervolgens de acquisitieparameters aan, waaronder de brekingsindex, de grootte van het gezichtsveld en het aantal A-scans per B-scan.Stel verder de signaalgrenzen van de OCT-scan in op basis van histogrammen van voorlopige scans en de doelmap voor verkregen gegevens en metadata. Afhankelijk van het gezichtsveld en de resolutie kan de bestandsgrootte oplopen tot 1,5 gigabyte per OCT-scan. Deze twee parameters bepalen de grootte van de voxels in de uiteindelijke gegevensset en de grootte van het uitvoerbestand.Ze moeten overeenkomen met de optische resolutie van de OCT-sonde. Zoals in het uitgewerkte voorbeeld wordt benadrukt, u één OCT-scan met standaardparameters aanschaffen of één scan aanschaffen waarin een andere set parameters wordt opgegeven. U ook specifieke coördinaten verstrekken om het positioneringsapparaat te verplaatsen en één OCT-scan te verkrijgen.Met deze functie u herhaaldelijk terugkeren naar exact dezelfde positie in het experiment met een hoge ruimtelijke nauwkeurigheid. Gegevens worden opgeslagen in 8bit. raw-indeling om opslagruimte te besparen.Metagegevens, waaronder de OCT-instellingen en -coördinaten, worden opgeslagen in dezelfde map in een json-bestand met dezelfde naamgevingsconventie. U ook een lijst met posities van belang opgeven en de respectieve OCT-scans automatisch verwerven. Om biofilm morfologische structuren over grote milieugradiënten te karakteriseren, verwerft u scans in een mozaïekpatroon.Geef hiervoor het aantal naburige tegels op met een standaardoverlapping van 30%De ruwe OCT-scans lijken vervormd. Dit is te wijten aan verschillen in padlengte door het optische systeem. We ontwikkelden een algoritme dat deze vervorming corrigeert, zoals blijkt uit de uitgewerkte voorbeelden.Open de Jupyter-notebook ImageProcessing.ipynb om te beginnen met beeldcorrectie. In navolging van dit voorbeeld worden eerst de OCT-scans bijgesneden om valse signalen uit te sluiten en de gegevensset te heroriënteren, zodat de biofilm boven het substratum verschijnt. Volgende correct voor sferische aberratie.Om dit te bereiken, lokaliseert het algoritme een sterk reflecterend vlak oppervlak in de OCT-scan en gebruikt dit als referentie om de scans af te vlakken. Over een raster van 20 bij 20 identificeert het algoritme vervolgens lokale maxima in signaalintensiteit om het referentieoppervlak te lokaliseren. Vervolgens wordt een tweede orde polynomial oppervlak gemonteerd over deze punten en gebruikt om elke pixel van de OCT-scan in Z richting te verschuiven.De parameters van dit algoritme moeten worden aangepast aan de kenmerken van de OCT-scan. Deze correctie maakt een homogeen referentieoppervlak over meerdere afbeeldingen mogelijk en vergemakkelijkt zo het naaien van grootschalige beelden. Zodra de afbeelding is afgevlakt, worden de beelden gecorrigeerd voor achtergrondgeluid door een leeg gebied van de afbeelding boven de biofilm te identificeren en de gemiddelde achtergrondintensiteit af te trekken.Bereken vervolgens een hoogtekaart van de 3D OCT-gegevensset. Definieer hiervoor een referentieoppervlak zoals het substratum en kies een geschikte intensiteitsdrempel. Vervolgens wordt een hoogtekaart weergegeven met de hoogte van de biofilm gerapporteerd als grijswaardenwaarde.Als afbeeldingen zijn verkregen in een mozaïekpatroon, steek dan de respectievelijke hoogtekaarten door het stikalgoritme toe te passen. Met behulp van geautomatiseerde OCT-beeldvorming werd de spatiotemporale morfogenese van fototrofische stroombiofilms onderzocht met behulp van flume-experimenten. De flumes zijn gemaakt van plexiglas en geleidelijk verwijd van de in naar de uitstroom.Dit resulteert in een gradiënt in de stroomsnelheid. Hier is een hoogtekaart van een biofilm die langs de gehele gradiënt van de stroomsnelheid groeit. Belangrijk is dat het geautomatiseerde OCT-beeldvormingssysteem een continue meting van structurele parameters zoals biofilmdikte, ruwheid en biovolume mogelijk maakt onder verschillende stroomomstandigheden, variërend van lage-stroomsnelheid tot omstandigheden met een hoge doorstromingssnelheid.Samen met morfologische veranderingen, het gemiddelde biovolume aanzienlijk afgenomen als een functie van afstand tot de inlaat in de flume. De kwaliteit van de OCT-scans is kritisch afhankelijk van de lengte van de referentiearm en de scherpstelafstand. Het kan nodig zijn om deze parameter aan te passen tijdens de experimenten.Om de nauwkeurigheid van het positioneringsapparaat te garanderen, moet u ervoor zorgen dat u regelmatig bewerkingen uitvoert. Dit geautomatiseerde beeldvormingsapparaat kan gemakkelijk worden gekoppeld aan microsensorprofilering voor een functionele karakterisering van biofilms. OCT is een opkomende beeldvormingstechniek en we verwachten dat het hier gepresenteerde systeem onderzoek naar biofilmstructuur stimuleert.Dit kan relevant zijn voor technologieën zoals drinkwaterbehandeling of bioverwerking.

Research

JoVE Journal

Environment

Automated Gel Size Selection to Improve the Quality of Next-generation Sequencing Libraries Prepared from Environmental Water Samples

Geautomatiseerde Gel Size Selectie om de kwaliteit van next-generation sequencing bibliotheken Bereid uit Environmental watermonsters Verbeteren

Next-generation sequencing of environmental samples can be challenging because of the variable DNA quantity and quality in these samples. High quality DNA ...

The Use of an Automated System (GreenFeed) to Monitor Enteric Methane and Carbon Dioxide Emissions from Ruminant Animals

The Use of an Automated System GreenFeed to Monitor Enteric Methane and Carbon Dioxide Emissions from Ruminant Animals

Het gebruik van een Automated System (GreenFeed) naar Enterisch methaan en kooldioxide emissies van herkauwers Monitor

Ruminant animals (domesticated or wild) emit methane (CH4) through enteric fermentation in their digestive tract and from decomposition of manure during ...

Using Pharmacological Manipulation and High-precision Radio Telemetry to Study the Spatial Cognition in Free-ranging Animals

Met behulp van farmacologische Manipulatie en hoge precisie-Radio Telemetrie op de Ruimtelijke Cognition in Free opgezette dieren Studie

An animal&#39;s ability to perceive and learn about its environment plays a key role in many behavioral processes, including navigation, migration, ...

Biofilm Removal Using Carbon Dioxide Aerosols without Nitrogen Purge

Biofilm verwijderen Met behulp van Carbon Dioxide aerosols zonder stikstofspoeling

Biofilms can cause serious concerns in many applications. Not only can they cause economic losses, but they can also present a public health hazard. ...

Data Processing Methods for 3D Seismic Imaging of Subsurface Volcanoes: Applications to the Tarim Flood Basalt

Gegevens van de verwerkingsmethoden voor 3D seismische beeldvorming van ondergrond vulkanen: toepassingen aan het Tarim Flood Basalt

The morphology and structure of plumbing systems can provide key information on the eruption rate and style of basalt lava fields. The most powerful way ...

Tracking Infiltration Front Depth Using Time-lapse Multi-offset Gathers Collected with Array Antenna Ground Penetrating Radar

Bijhouden van infiltratie Front diepte met behulp van Time-lapse multi offset verzamelt verzameld met Array antenne Ground-Penetrating Radar

A Ground Penetrating Radar (GPR) system based on a ground-coupled, densely populated antenna array was used to collect data during an infiltration ...

Composition and Distribution Analysis of Bioaerosols Under Different Environmental Conditions

Samenstelling en analyse van de verdeling van Bioaerosols onder verschillende omgevingsomstandigheden

Variable microorganisms in particulate matter (PM) under different environmental conditions may have significant impacts on human health. In this study, ...

Split Point Analysis and Uncertainty Quantification of Thermal-Optical Organic/Elemental Carbon Measurements

Analyse van gesplitste punten en onzekerheids kwantificering van thermische-optische organische/elementair koolstof metingen

Researchers from myriad fields frequently seek to quantify and classify concentrations of carbonaceous aerosols as organic carbon (OC) or elemental carbon ...

Atom Probe Tomography Analysis of Exsolved Mineral Phases

Atom probe tomografie analyse van Uitopgeloste minerale fasen

Element diffusion rates and temperature/pressure control a range of fundamental volcanic and metamorphic processes. Such processes are often recorded in ...

Combining Fluidic Devices with Microscopy and Flow Cytometry to Study Microbial Transport in Porous Media Across Spatial Scales

Het combineren van fluidic devices met microscopie en flow cytometrie om microbiële transporten te bestuderen in poreuze media over ruimtelijke schalen

Understanding the transport, dispersion and deposition of microorganisms in porous media is a complex scientific task comprising topics as diverse as ...