Name: automated microbial cultivation and adaptive evolution using microbial microdroplet culture system (mmc)
Uploaded: 2022-02-18T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Automated Microbial Cultivation and Adaptive Evolution using Microbial Microdroplet Culture System MMC at JoVE.com

Questo studio è stato supportato dal National Key Research and Development Program of China (2018YFA0901500), dal National Key Scientific Instrument and Equipment Project della National Natural Science Foundation of China (21627812) e dal Tsinghua University Initiative Scientific Research Program (20161080108). Ringraziamo anche la Prof.ssa Julia A. Vorholt (Istituto di Microbiologia, Dipartimento di Biologia, ETH Zurigo, Zurigo 8093, Svizzera) per la fornitura del ceppo di E. coli essenziale per metanolo versione 2.2 (MeSV2.2).

1. Installazione di strumenti e software
<ol><li>Scegli un ambiente pulito e sterile (come un banco pulito) come spazio permanente dedicato per MMC. Installare MMC in modo costante nello spazio. NOTA: tenere l'MMC lontano dall'interferenza di forti campi elettrici, campi magnetici e forti sorgenti di radiazioni termiche. Evitare che forti vibrazioni influenzino i componenti di rilevamento ottico. Fornire l'alimentazione di AC220 V, 50 HZ all'MMC. Per informazioni dettagliate su MMC, fare riferimento...

<ol>
	<li>Lewis, W. H., 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=Innovations+to+culturing+the+uncultured+microbial+majority.">Innovations to culturing the uncultured microbial majority.</a> Nature Reviews Microbiology. 19 (4), 225-240 (2020).</li><li>Feist, A. M., Herrgard, M. J., Thiele, I., Reed, J. L., Palsson, B. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reconstruction+of+biochemical+networks+in+microorganisms.">Reconstruction of biochemical networks in microorganisms.</a> Nature Reviews Microbiology. 7 (2), 129-143 (2009).</li><li>Zeng, W. Z., Guo, L. K., Xu, S., Chen, J., Zhou, J. 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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=Droplet-based+high-throughput+cultivation+for+accurate+screening+of+antibiotic+resistant+gut+microbes.">Droplet-based high-throughput cultivation for accurate screening of antibiotic resistant gut microbes.</a> eLife. 9, 56998 (2020).</li><li>Baret, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surfactants+in+droplet-based+microfluidics.">Surfactants in droplet-based microfluidics.</a> Lab on a Chip. 12 (3), 422-433 (2012).</li><li>Nitschke, M., Pastore, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Production+and+properties+of+a+surfactant+obtained+from+Bacillus+subtilis+grown+on+cassava+wastewater.">Production and properties of a surfactant obtained from Bacillus subtilis grown on cassava wastewater.</a> Bioresource Technology. 97 (2), 336-341 (2006).</li><li>Jiang, Y. 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=Recent+advances+of+biofuels+and+biochemicals+production+from+sustainable+resources+using+co-cultivation+systems.">Recent advances of biofuels and biochemicals production from sustainable resources using co-cultivation systems.</a> Biotechnology for Biofuels. 12, 155 (2019).</li></ol>

Questo protocollo presenta come utilizzare il sistema di coltura microbica di microgoccioline (MMC) per eseguire la coltivazione microbica automatizzata e l'evoluzione adattiva a lungo termine. MMC è un sistema di coltivazione microbica miniaturizzato, automatizzato e ad alto rendimento. Rispetto ai metodi e agli strumenti di coltivazione microbici convenzionali ad alta produttività, MMC presenta molti vantaggi come il basso consumo di manodopera e reagenti, il funzionamento semplice, il rilevamento online (OD e fluore...

La coltivazione microbica è una base importante per la ricerca scientifica microbiologica e le applicazioni industriali, che è ampiamente utilizzata nell'isolamento, identificazione, ricostruzione, screening ed evoluzione dei microrganismi 1,2,3. I metodi di coltivazione microbica convenzionali utilizzano principalmente provette, fiaschi di scuotimento e piastre solide come contenitori di coltivazione, combinati con incubatori vibranti, spettrofotometri, lettori di micropiastre e altre attrezzature per la coltivazione, il rilevamento e lo screening microbico. Tuttavia, questi metodi hanno molti problemi, come operazioni ingombranti, bassa produttività, bassa efficienza e grande consumo di manodopera e reagenti. I metodi di coltivazione ad alto rendimento sviluppati negli ultimi anni si basano principalmente sulla micropiastra. Ma la micropiastra ha un basso livello di ossigeno disciolto, scarsa proprietà di miscelazione e grave evaporazione ed effetto termico, che spesso portano a uno scarso stato di crescita e alla parallelizzazione sperimentale di microrganismi 4,5,6,7; d'altra parte, deve essere dotato di attrezzature costose, come stazioni di lavoro per la gestione dei liquidi e lettori di micropiastre, per ottenere la coltivazione automatizzata e il rilevamento dei processi 8,9.
Come importante branca della tecnologia microfluidica, la microfluidica a goccioline è stata sviluppata negli ultimi anni sulla base di sistemi microfluidici tradizionali a flusso continuo. Si tratta di una tecnologia microfluidica a flusso discreto che utilizza due fasi liquide immiscibili (solitamente olio-acqua) per generare micro-goccioline disperse e operare su di esse10. Poiché le micro-goccioline hanno le caratteristiche di un piccolo volume, un'ampia superficie specifica, un'elevata velocità di trasferimento di massa interna e nessuna contaminazione incrociata causata dalla compartimentazione, e i vantaggi di una forte controllabilità e di un'elevata produttività delle goccioline, ci sono stati molti tipi di ricerca che applicano la tecnologia microfluidica delle goccioline nella coltivazione, nello screening e nell'evoluzione dei microrganismi ad alto rendimento11 . Tuttavia, ci sono ancora una serie di questioni chiave per rendere la tecnologia microfluidica a goccioline popolare e ampiamente applicata. In primo luogo, il funzionamento della microfluidica delle goccioline è ingombrante e complesso, con conseguenti elevati requisiti tecnici per gli operatori. In secondo luogo, la tecnologia microfluidica a goccioline combina componenti ottici, meccanici ed elettrici e deve essere associata a scenari applicativi biotecnologici. È difficile per un singolo laboratorio o team costruire sistemi di controllo microfluidici a goccia efficienti se non esiste una collaborazione multidisciplinare. In terzo luogo, a causa del piccolo volume di micro-goccioline (dal picoliter (pL) al microlitro (μL)), ci vuole molta difficoltà per realizzare il controllo automatizzato preciso e il rilevamento online in tempo reale delle goccioline per alcune operazioni microbiche di base come la sottocoltura, la cernita e il campionamento, ed è anche difficile costruire un sistema di apparecchiature integrato12.
Al fine di affrontare i problemi di cui sopra, è stato sviluppato con successo un sistema automatico di coltura microbica di microgoccioline (MMC) basato sulla tecnologia microfluidica delle goccioline13. L'MMC è costituito da quattro moduli funzionali: un modulo di riconoscimento delle goccioline, un modulo di rilevamento dello spettro delle goccioline, un modulo chip microfluidico e un modulo di campionamento. Attraverso l'integrazione e il controllo del sistema di tutti i moduli, viene stabilito con precisione il sistema operativo automatizzato che include la generazione, la coltivazione, la misurazione (densità ottica (OD) e fluorescenza), la scissione, la fusione, lo smistamento delle goccioline, ottenendo l'integrazione di funzioni come l'inoculazione, la coltivazione, il monitoraggio, la sottocoltura, lo smistamento e il campionamento richiesti dal processo di coltivazione microbica delle goccioline. MMC può contenere fino a 200 unità di coltivazione di goccioline replicate di 2-3 μL di volume, che equivale a 200 unità di coltivazione del pallone shake. Il sistema di coltivazione a micro-goccioline può soddisfare i requisiti di non contaminazione, ossigeno disciolto, miscelazione e scambio massa-energia durante la crescita di microrganismi e soddisfare le varie esigenze della ricerca microbica attraverso molteplici funzioni integrate, ad esempio la misurazione della curva di crescita, l'evoluzione adattativa, l'analisi multilivello a fattore singolo e la ricerca e l'analisi dei metaboliti (basata sul rilevamento della fluorescenza)13,14.
Qui, il protocollo introduce in dettaglio come utilizzare l'MMC per condurre la coltivazione automatizzata e microbica e l'evoluzione adattiva (Figura 1). Abbiamo preso eseguito come esempio Escherichia coli (E. coli) MG1655 per dimostrare la misurazione della curva di crescita e un ceppo di E. coli meSV2.215 essenziale per il metanolo per dimostrare l'evoluzione adattativa in MMC. È stato sviluppato un software operativo per MMC, che rende l'operazione molto semplice e chiara. Nell'intero processo, l'utente deve preparare la soluzione batterica iniziale, impostare le condizioni dell'MMC e quindi iniettare la soluzione batterica e i relativi reagenti nell'MMC. Successivamente, l'MMC eseguirà automaticamente operazioni come la generazione di goccioline, il riconoscimento e la numerazione, la coltivazione e l'evoluzione adattiva. Eseguirà inoltre il rilevamento online (OD e fluorescenza) delle goccioline con alta risoluzione temporale e visualizzerà i relativi dati (che possono essere esportati) nel software. L'operatore può interrompere il processo di coltivazione in qualsiasi momento in base ai risultati ed estrarre le goccioline target per gli esperimenti successivi. L'MMC è facile da usare, consuma meno manodopera e reagenti e ha un throughput sperimentale relativamente elevato e una buona parallelità dei dati, che presenta vantaggi significativi rispetto ai metodi di coltivazione convenzionali. Fornisce una piattaforma sperimentale a basso costo, favorevole alle operazioni e robusta per i ricercatori per condurre ricerche microbiche correlate.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>0.22 &#956;m PVDF filter membrane</td>
			<td>Merck Millipore Ltd.</td>
			<td>SLGPR33RB</td>
			<td>Sterilize the MMC oil</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4 &#176;C refrigerator</td>
			<td>Haier</td>
			<td>BCD-289BSW</td>
			<td>For reagent storage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Agar</td>
			<td>Becton, Dickinson and Company</td>
			<td>214010</td>
			<td>For solid plate preparation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CaCl2&#183;2H2O</td>
			<td>Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd.</td>
			<td>20011160</td>
			<td>Component of the special medium for MeSV2.2.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clean bench</td>
			<td>Beijing Donglian Har Instrument Manufacture Co., Ltd.</td>
			<td>DL-CJ-INDII</td>
			<td>For aseptic operation and UV sterilization</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CoCl2&#183;6H2O</td>
			<td>Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd.</td>
			<td>10007216</td>
			<td>Component of the special medium for MeSV2.2.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Computer</td>
			<td>Lenovo</td>
			<td>E450</td>
			<td>Software installation and MMC control</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Constant temperature incubator</td>
			<td>Shanghai qixin scientific instrument co., LTD</td>
			<td>LRH 250</td>
			<td>For the microbial cultivation using solid medium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CuSO4&#183;5H2O</td>
			<td>Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd.</td>
			<td>10008218</td>
			<td>Component of the special medium for MeSV2.2.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electronic balance</td>
			<td>OHAUS</td>
			<td>AR 3130</td>
			<td>For reagent weighing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EP tube</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>1.5 mL</td>
			<td>For droplet collection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FeCl3&#183;6H2O</td>
			<td>Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd.</td>
			<td>10011928</td>
			<td>Component of the special medium for MeSV2.2.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Freezing Tube</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>2.0 mL</td>
			<td>For strain preservation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gluconate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>S2054</td>
			<td>Component of the special medium for MeSV2.2.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glycerol</td>
			<td>GENERAL-REAGENT</td>
			<td>G66258A</td>
			<td>For strain preservation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-Pressure Steam Sterilization Pot</td>
			<td>SANYO Electric</td>
			<td>MLS3020</td>
			<td>For autoclaved sterilization</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>isopropyl-&#946;-d-thiogalactopyranoside (IPTG)</td>
			<td>Biotopped</td>
			<td>420322</td>
			<td>Component of the special medium for MeSV2.2.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kanamycin sulfate</td>
			<td>Solarbio</td>
			<td>K8020</td>
			<td>Component of the special medium for MeSV2.2.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KH2PO4</td>
			<td>MACKLIN</td>
			<td>P815661</td>
			<td>Component of the special medium for MeSV2.2.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methanol</td>
			<td>MACKLIN</td>
			<td>M813895</td>
			<td>Component of the special medium for MeSV2.2.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MgSO4&#183;7H2O</td>
			<td>BIOBYING</td>
			<td>1305715</td>
			<td>Component of the special medium for MeSV2.2.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microbial Microdroplet Culture System (MMC)</td>
			<td>Luoyang TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd.</td>
			<td>&#160;MMC-I</td>
			<td>Performing growth curve determination and adaptive evolution. Please refer to http://www.tmaxtree.com/en/index.php?v=news&#38;id=110</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microfluidic chip</td>
			<td>Luoyang TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd.</td>
			<td>MMC-ALE-OD</td>
			<td>For various droplet operations. Please refer to http://www.tmaxtree.com/en/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MMC oil</td>
			<td>Luoyang TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd.</td>
			<td>MMC-M/S-OD</td>
			<td>The oil phase for droplet microfluidics. Please refer to http://www.tmaxtree.com/en/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MnCl2</td>
			<td>Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd.</td>
			<td>20026118</td>
			<td>Component of the special medium for MeSV2.2.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaCl</td>
			<td>GENERAL-REAGENT</td>
			<td>G81793J</td>
			<td>Component of the LB medium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Na2HPO4&#183;12H2O</td>
			<td>GENERAL-REAGENT</td>
			<td>G10267B</td>
			<td>Component of the special medium for MeSV2.2.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NH4Cl</td>
			<td>Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd.</td>
			<td>10001518</td>
			<td>Component of the special medium for MeSV2.2.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Petri dish</td>
			<td>Corning Incorporated</td>
			<td>90 mm</td>
			<td>For the preparation of solid medium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette</td>
			<td>eppendorf</td>
			<td>2.5 &#956;L, 10 &#956;L, 100&#956;L, 1000&#956;L</td>
			<td>For liquid handling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Quick connector A</td>
			<td>Luoyang TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd.</td>
			<td>&#8212;</td>
			<td>For the connection of each joint. Please refer to http://www.tmaxtree.com/en/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reagent bottle</td>
			<td>Luoyang TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd.</td>
			<td>MMC-PCB</td>
			<td>Sampling and storage of bacteria solution and reagents. Please refer to http://www.tmaxtree.com/en/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Shake flask</td>
			<td>Union-Biotech</td>
			<td>50 mL</td>
			<td>For microbial cultivation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Shaking incubator</td>
			<td>Shanghai Sukun Industrial Co., Ltd.</td>
			<td>SKY-210 2B</td>
			<td>For the microbial cultivation in shake flask</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Streptomycin sulfate</td>
			<td>Solarbio</td>
			<td>S8290</td>
			<td>Component of the special medium for MeSV2.2.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe</td>
			<td>JIANGSU ZHIYU MEDICAL INSTRUCTMENT CO., LTD</td>
			<td>10 mL</td>
			<td>Draw liquid and inject it into the reagent bottle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe needle</td>
			<td>OUBEL Hardware Store</td>
			<td>22G</td>
			<td>Inner diameter is 0.41 mm and outer diameter is 0.71 mm.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tryptone</td>
			<td>Oxoid Ltd.</td>
			<td>LP0042</td>
			<td>Component of the LB medium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultra low temperature refrigerator</td>
			<td>SANYO Ultra-low</td>
			<td>MDF-U4086S</td>
			<td>For strain preservation (-80 &#176;C)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV&#8211;Vis spectrophotometer</td>
			<td>General Electric Company</td>
			<td>Ultrospec 3100 pro</td>
			<td>For the measurement of OD values</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vitamin B1</td>
			<td>Solarbio</td>
			<td>SV8080</td>
			<td>Component of the special medium for MeSV2.2.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Yeast extract</td>
			<td>Oxoid Ltd.</td>
			<td>LP0021</td>
			<td>Component of the LB medium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ZnSO4&#183;7H2O</td>
			<td>Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd.</td>
			<td>10024018</td>
			<td>Component of the special medium for MeSV2.2.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

automated microbial cultivation and adaptive evolution using microbial microdroplet culture system (mmc)

I metodi di coltivazione microbica convenzionali di solito hanno operazioni ingombranti, bassa produttività, bassa efficienza e grande consumo di manodopera e reagenti. Inoltre, i metodi di coltivazione ad alto rendimento basati su micropiastre sviluppati negli ultimi anni hanno uno scarso stato di crescita microbica e sperimentano la parallelizzazione a causa del loro basso livello di ossigeno disciolto, della scarsa miscela e della grave evaporazione e dell'effetto termico. A causa dei numerosi vantaggi delle micro-goccioline, come il piccolo volume, l'elevata produttività e la forte controllabilità, la tecnologia microfluidica a base di goccioline può superare questi problemi, che è stata utilizzata in molti tipi di ricerca di coltivazione, screening ed evoluzione microbica ad alto rendimento. Tuttavia, la maggior parte degli studi precedenti rimane nella fase di costruzione e applicazione del laboratorio. Alcune questioni chiave, come gli elevati requisiti operativi, l'elevata difficoltà di costruzione e la mancanza di tecnologia di integrazione automatizzata, limitano l'ampia applicazione della tecnologia microfluidica a goccioline nella ricerca microbica. Qui, un sistema automatizzato di coltura microbica a microgoccioline (MMC) è stato sviluppato con successo basato sulla tecnologia microfluidica delle goccioline, ottenendo l'integrazione di funzioni come l'inoculazione, la coltivazione, il monitoraggio online, la sottocoltivazione, lo smistamento e il campionamento richiesti dal processo di coltivazione microbica delle goccioline. In questo protocollo, l'Escherichia coli (E. coli) MG1655 wild-type e un ceppo di E. coli essenziale per il metanolo (MeSV2.2) sono stati presi come esempi per introdurre come utilizzare l'MMC per condurre in dettaglio la coltivazione microbica automatizzata e relativamente ad alto rendimento e l'evoluzione adattativa. Questo metodo è facile da usare, consuma meno manodopera e reagenti e ha un'elevata produttività sperimentale e una buona parallelità dei dati, che presenta grandi vantaggi rispetto ai metodi di coltivazione convenzionali. Fornisce una piattaforma sperimentale a basso costo, favorevole alle operazioni e affidabile in termini di risultati per i ricercatori scientifici per condurre ricerche microbiche correlate.

Questo protocollo utilizza E. coli MG1655 e un ceppo MeSV2.2 come esempi per dimostrare la coltivazione microbica e l'evoluzione adattativa essenziale del metanolo con una strategia automatizzata e relativamente elevata in MMC. La misurazione della curva di crescita è stata utilizzata principalmente per caratterizzare la coltivazione microbica. L'evoluzione adattativa è stata condotta mediante sottocoltura continua automatizzata e aggiungendo un'alta concentrazione di metanolo come pressione selettiva durante ...

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Automated Microbial Cultivation and Adaptive Evolution using Microbial Microdroplet Culture System MMC

Questo protocollo descrive come utilizzare il sistema di coltura microbica di microgoccioline (MMC) per condurre la coltivazione microbica automatizzata e l'evoluzione adattativa. MMC può coltivare e sub-coltivare microrganismi automaticamente e continuamente e monitorare online la loro crescita con una produttività relativamente elevata e una buona parallelizzazione, riducendo il consumo di manodopera e reagenti.

Coltivazione microbica automatizzata ed evoluzione adattiva utilizzando il sistema di coltura microbica di microgoccioline (MMC)

Conventional microbial cultivation methods usually have cumbersome operations, low throughput, low efficiency, and large consumption of labor and ...

Questo metodo può aiutare a risolvere i problemi con i metodi convenzionali di coltivazione microbica. Fornisce una piattaforma sperimentale a basso costo, facile da usare e affidabile in termini di risultati per la coltivazione microbica automatizzata e l'evoluzione adattiva. Questa tecnologia automatizza le operazioni e riduce maggiormente il consumo di manodopera.E allo stesso tempo, ha buone prestazioni culturali con risultati affidabili e operazioni semplici. La tecnologia è utilizzata principalmente nei campi di ricerca microbiologica, come la misurazione della curva di crescita, l'evoluzione adattiva del laboratorio e un'analisi multilivello a fattore singolo. Iniziare i preparativi dell'esperimento collegando l'ago della siringa con un diametro interno di 0,41 millimetri e un diametro esterno di 0,71 millimetri a un connettore rapido A e un flacone di reagente.Quindi autoclave tutta l'attrezzatura a 121 gradi Celsius per 15 minuti. Per installare il chip microfluidico, aprire la porta della camera operativa e sollevare la sonda in fibra ottica. Dopo aver allineato i fori del campo elettrico con gli aghi, posizionare delicatamente il chip sul piedistallo del chip, quindi inserire le due colonne di posizionamento nei fori di posizionamento e posizionare la sonda in fibra ottica.Quindi, collegare il connettore rapido A sul chip alla porta corrispondente del sistema di coltura microbica a microgocciola o MMC in base al numero di posizione descritto nel manoscritto. Al termine, chiudere la porta della camera operativa. Diluire la sospensione di Escherichia coli MG1655 in coltura con il mezzo ad un OD600 da 0,05 a 0,1 per ottenere 10 millilitri di soluzione batterica iniziale.Per inizializzare MMC, fare clic sulla scheda Inizializzazione. Quando viene visualizzata l'interfaccia di inizializzazione, impostare la temperatura di coltivazione su 37 gradi Celsius e il valore del segnale fotoelettrico su 0,6. L'inizializzazione richiederà circa 20 minuti.Successivamente, posizionare un flacone di reagente sterilizzato sul banco pulito e stringere il tappo. Utilizzare una siringa sterile da 10 millilitri per iniettare da tre a cinque millilitri di olio MMC dall'ago della siringa al tubo laterale nel flacone del reagente. Quindi inclinare e ruotare lentamente il flacone del reagente per far sì che l'olio si infiltri completamente nella parete interna.Dopo aver iniettato cinque millilitri di una soluzione batterica iniziale nella bottiglia, riempire la bottiglia del reagente iniettando da cinque a sette millilitri di olio MMC. Estrarre il connettore rapido indipendente A del flacone del reagente e inserire il connettore rapido A nel connettore rapido B del flacone per completare l'operazione di iniezione del campione. Una volta fatto, aprire la porta della camera operatoria per mettere la bottiglia del reagente nel bagno di metallo.Estrarre il connettore C2 del chip e il connettore rapido A del flacone del reagente. Collegare il connettore del tubo laterale del flacone del reagente al connettore C2 e il connettore del tubo superiore al connettore O2. Quindi chiudere la porta della camera operativa.Per scegliere la funzione di misurazione della curva di crescita, fare clic su Curva di crescita nell'interfaccia di impostazione dei parametri inserendo il numero come 15. Quindi accendere l'interruttore di rilevamento OD e impostare la lunghezza d'onda su 600 nanometri. Fare clic sulla scheda Start per avviare la generazione di droplet.Il processo richiederà 15 minuti per essere completato. Quando viene visualizzata una finestra popup sull'interfaccia principale che richiede un messaggio, aprire la porta della camera operativa per estrarre il flacone del reagente e collegare i connettori C2 e O2. Dopo aver chiuso la porta, fare clic sul pulsante OK nella finestra popup per coltivare automaticamente le goccioline e rilevare i valori OD.Quando la curva di crescita raggiunge la fase stazionaria, fare clic sul pulsante Esportazione dati per esportare i dati OD. Selezionare il percorso di salvataggio dei dati ed esportare il valore OD registrato durante il periodo di coltivazione nel formato CVS Per tracciare la curva di crescita, utilizzare software di mappatura come Excel e Origin 9.0. Iniettare i volumi necessari della soluzione batterica iniziale, del mezzo fresco e dell'olio MMC nei flaconi di reagente sterilizzati separati per la soluzione batterica iniziale nel mezzo fresco, come spiegato in precedenza.Per scegliere la funzione di evoluzione adattiva, fare clic su ALE nel software. Nell'interfaccia di impostazione dei parametri, attivare l'interruttore di rilevamento OD, quindi impostare tutti i parametri descritti nel manoscritto e premere la scheda Start per avviare la generazione di droplet. Il processo richiederà circa 25 minuti.Durante ogni periodo di sotto-coltivazione, osservare se i valori massimi di OD delle goccioline sono aumentati in modo significativo. Se l'aumento si verifica e soddisfa i requisiti dell'esperimento, fare clic sul pulsante di esportazione dei dati per esportare i dati OD. Per estrarre le goccioline di destinazione da MMC, fare clic sulla scheda di screening per selezionare la funzione di estrazione delle goccioline.Quindi scegli l'opzione Raccogli e fai clic sul numero di droplet di destinazione. Al termine, fare clic su OK. Attendi che la finestra popup richieda un messaggio. Quindi inserire il connettore rapido CF nel tubo microcentrifuga per la raccolta e fare clic su OK. Dopo uno o due minuti, quando l'interfaccia del software aprirà una nuova finestra che richiede un messaggio, inserire nuovamente il connettore rapido CF e fare clic su OK per fare in modo che MMC continui a funzionare.Quando il droplet di destinazione successivo raggiunge il sito di riconoscimento dei droplet, raccoglierlo come specificato in precedenza. Utilizzare una pipetta da 2,5 microlitri per estrarre e posizionare la goccia su una piastra solida da 90 millimetri, quindi distribuire uniformemente la goccia con un'asta rivestita triangolare di vetro con una lunghezza laterale di tre centimetri, quindi coltivare la goccia in un incubatore a temperatura costante a 37 gradi Celsius per 72 ore. Successivamente, scegli da tre a cinque colonie indipendenti di batteri per coltivare ogni colonia separatamente in un pallone da 50 millilitri con 10 millilitri di mezzo fresco in un incubatore vibrante a 200 rotazioni al minuto e 37 gradi Celsius per 48-72 ore.Dopo l'incubazione, seguire le relative normative standard per conservare la soluzione batterica coltivata nel tubo del glicerolo. L'analisi rappresentativa mostra le curve di crescita di 50 goccioline nell'intero processo di evoluzione adattiva. È stato osservato che il ceppo essenziale di metanolo Escherichia coli o MeSV2.2 ha mostrato una crescita lenta iniziale seguita da una crescita rapida.La curva di crescita delle goccioline sei nell'intero processo di evoluzione adattiva è stata tracciata separatamente. Il valore massimo di OD600 nella prima generazione era 0,37, che è aumentato a 0,58 nell'ultimo periodo di sotto-coltivazione, indicando che il ceppo nella goccia sei ha realizzato un'ovvia evoluzione adattativa. Inoltre, sono state confrontate le curve di crescita del ceppo a sei goccioline e del ceppo iniziale.Il ceppo a sei goccioline ha mostrato un tasso di crescita specifico massimo e una concentrazione cellulare più elevati nella fase stazionaria rispetto al ceppo iniziale. La cosa più importante è assicurarsi che il collegamento del chip dello strumento e del flacone del reagente sia corretto, ovvero le goccioline affinché le operazioni procedano normalmente. Questo metodo fornisce ai ricercatori una nuova idea per la coltivazione di microrganismi e fornisce anche una piattaforma efficiente e a basso costo per l'evoluzione adattiva dei ceppi.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Automated Microbial Cultivation and Adaptive Evolution using Microbial Microdroplet Culture System (MMC)

Microfluidic Picoliter Bioreactor for Microbial Single-cell Analysis: Fabrication, System Setup, and Operation

In this protocol the fabrication, experimental setup and basic operation of the recently introduced microfluidic picoliter bioreactor (PLBR) is described ...

Ricerca

Bioingegneria

Cultivation of Mammalian Cells Using a Single-use Pneumatic Bioreactor System

La coltivazione di cellule di mammifero utilizzando un singolo-uso del sistema pneumatico Bioreattore

Recent advances in mammalian, insect, and stem cell cultivation and scale-up have created tremendous opportunities for new therapeutics and personalized ...

Electrotaxis Studies of Lung Cancer Cells using a Multichannel Dual-electric-field Microfluidic Chip

Electrotaxis Studi di polmone cellule tumorali usando un Multicanale Dual-campo elettrico Microfluidic Chip

The behavior of directional cell migration under a direct current electric-field (dcEF) is referred to as electrotaxis. The significant role of ...

A Novel Bioreactor for High Density Cultivation of Diverse Microbial Communities

Un bioreattore Novel per l&#39;alta densità di coltivazione diverse comunità microbiche

A novel reactor design, coined a high density bioreactor (HDBR), is presented for the cultivation and study of high density microbial communities. Past ...

Design and Implementation of an Automated Illuminating, Culturing, and Sampling System for Microbial Optogenetic Applications

Progettazione e Realizzazione di un Illuminating automatizzato, Coltura, e di campionamento per microbica optogenetic Applicazioni

Optogenetic systems utilize genetically-encoded proteins that change conformation in response to specific wavelengths of light to alter cellular ...

Assembly and Tracking of Microbial Community Development within a Microwell Array Platform

Assemblea e monitoraggio dello sviluppo microbico della comunità all&#39;interno di una piattaforma di array Microwell

The development of microbial communities depends on a combination of complex deterministic and stochastic factors that can dramatically alter the spatial ...

Prospecting Microbial Strains for Bioremediation and Probiotics Development for Metaorganism Research and Preservation

Prospezione ceppi microbici per biorimediazione e lo sviluppo di probiotici per la ricerca e la conservazione dei metaorganismi

Pollution affects all biomes. Marine environments have been particularly impacted, especially coral reefs, one of the most sensitive ecosystems on Earth. ...

Process Optimization using High Throughput Automated Micro-Bioreactors in Chinese Hamster Ovary Cell Cultivation

Ottimizzazione dei processi mediante microreattori automatizzati ad alta velocità effettiva nella coltivazione delle cellule ovaio dell'ammasso cinese

Optimization of bioprocesses to increase the yield of desired products is of importance in the biopharmaceutical industry. This can be achieved by strain ...

Generating Controlled, Dynamic Chemical Landscapes to Study Microbial Behavior

Generazione di paesaggi chimici dinamici e controllati per studiare il comportamento microbico

We demonstrate a method for the generation of controlled, dynamic chemical pulses&#8213;where localized chemoattractant becomes suddenly available at the ...

High-Throughput Identification of Resistance to Pseudomonas syringae pv. Tomato in Tomato using Seedling Flood Assay

High-Throughput Identification of Resistance to Pseudomonas syringae pv. Tomato in Tomato using Seedling Flood Assay

Identificazione ad alto contenuto di velocità effettiva della resistenza a Pseudomonas syringae pv. Pomodoro nel pomodoro utilizzando Seedling Flood Assay

Tomato is an agronomically important crop that can be infected by Pseudomonas syringae, a Gram-negative bacterium, resulting in bacterial speck disease. ...