Protocollo per il Biofilm Streamer formazione in un dispositivo a microfluidi con Micro-pilastri
Summary
Protocols for the study of biofilm formation in a microfluidic device that mimics porous media are discussed. The microfluidic device consists of an array of micro-pillars and biofilm formation by Pseudomonas fluorescens in this device is investigated.
Abstract
Diverse specie batteriche possiedono la capacità di attaccare alle superfici e colonizzare in forma di film sottili chiamati biofilm. I biofilm che crescono in mezzi porosi sono rilevanti per diversi processi industriali e ambientali come il trattamento delle acque reflue e di CO 2 sequestro. Abbiamo usato Pseudomonas fluorescens, un batterio aerobico Gram-negativi, per indagare la formazione di biofilm in un dispositivo di microfluidica che imita mezzi porosi. Il dispositivo di microfluidica è costituito da una serie di micro-posti, che sono stati fabbricati utilizzando soft-litografia. In seguito, la formazione di biofilm in questi dispositivi a flusso è stato studiato e ci dimostrano la formazione di biofilm filamentosi note come stelle filanti nel nostro dispositivo. Qui vengono fornite insieme ai protocolli di coltura batterica I protocolli dettagliati per la fabbricazione e l'assemblaggio del dispositivo di microfluidica. Le procedure dettagliate per la sperimentazione con il dispositivo di microfluidica sono anche presentati insieme con il rappresentanterisultati.
Introduction
Recentemente, abbiamo dimostrato la dinamica di formazione di biofilm batterici in un dispositivo di microfluidica che imita mezzi porosi 1. Biofilm batterici sono essenzialmente colonie di batteri di superficie aggregati che sono racchiusi da sostanze polimeriche extracellulari (EPS) 2-4. Questi film sottili di batteri possono formare in quasi ogni nicchia immaginabile che vanno da superfici lisce all'habitat molto più complesso di mezzi porosi. Valiei et al. 1 usato un dispositivo microfluidico con una matrice di micro-pilastro per simulare una struttura di supporto porosa e studiato la formazione di biofilm in questo dispositivo in funzione della portata del fluido. Essi hanno scoperto che in un certo regime di flusso, biofilm filamentosi noti come stelle filanti hanno cominciato ad emergere tra i diversi pilastri. Streamers possono essere legati ad una o entrambe le estremità per superfici solide, ma il resto della struttura è sospesa in un liquido. Formazione Streamer inizia in genere dopo un primo strato di biofilm ha formato e il suo formatoione può dettare l'evoluzione a lungo termine di biofilm in tali habitat complessi. Recentemente, alcuni ricercatori hanno studiato le dinamiche di formazione streamer. Yazdi et al. 5 ha mostrato che le fiamme possono formare nei flussi vorticosi provenienti da una bolla oscillante. In un altro esperimento, Rusconi et al. 6 studiato l'effetto di curvatura del canale e della geometria del canale sulla formazione di stelle filanti. Essi hanno scoperto che le fiamme possono formare nelle sezioni curve di microcanali, e streamer morfologia è correlata alla motilità. Recenti ricerche hanno dimostrato che le fiamme possono avere ampie ripercussioni in vari scenari naturali e artificiali in quanto possono fungere da precursori della formazione di strutture maturi in interfacce porosi, portare a una rapida e catastrofica proliferazione di biofilm in sistemi biomedici, e anche causare notevoli flow interazioni struttura, ecc 1,7-9.
Filanti Biofilm spesso formano ihabitat n complesse come mezzi porosi. Crescita biofilm intesa in ambiente mezzi porosi è rilevante per diversi processi ambientali e industriali come il trattamento biologico delle acque reflue 10, mantenendo ben-bore integrità in situazioni come la cattura di CO 2 11 e collegare dei pori nel terreno 12. Osservando la formazione di biofilm in tali habitat complessi spesso può essere difficile a causa della opacità dei mezzi porosi. In tali situazioni, le piattaforme multimediali porosi microfluidica base possono rivelarsi estremamente vantaggiosa in quanto consentono in tempo reale e monitoraggio in situ. Un altro vantaggio della microfluidica è la possibilità di costruire più bioreattori su un'unica piattaforma bio-microfluidica e contemporaneamente consentire il monitoraggio e / o integrazione di sensori on-line. La flessibilità per implementare più esperimenti di laboratorio in un unico dispositivo e la capacità di raccogliere importanti dati pertinenti per l'analisi statistica accurata è un adv importanteantage di sistemi microfluidici 13,14.
Nel contesto della discussione di cui sopra, le dinamiche di formazione streamer comprensione in un ambiente mezzi porosi sarebbe utile per diverse applicazioni. In questo studio, sviluppiamo il protocollo per indagare la formazione streamer in un dispositivo che imita mezzi porosi. Realizzazione della piattaforma microfluidica, sono descritti i passi necessari per la cultura e la sperimentazione di cellule. Nei nostri esperimenti, il ceppo batterico tipo selvaggio di Pseudomonas fluorescens è stato impiegato. P. fluorescens, che si trova naturalmente nel suolo, svolge un ruolo chiave nel mantenimento ecologia del suolo 15. Il ceppo batterico impiegato era stato geneticamente per esprimere la proteina fluorescente verde (GFP) costitutivamente.
Protocol
Representative Results
Discussion
Abbiamo dimostrato un semplice dispositivo di microfluidica che imita mezzi porosi per lo studio dello sviluppo del biofilm in ambienti complessi. Ci sono diversi passaggi critici che determinano l'esito degli esperimenti. Essi comprendono la geometria del dispositivo. Mentre la geometria del palo può variare, adeguato poro-spazio per bandierine per formare è necessario. Inoltre, Valiei et al. 1 hanno dimostrato che la formazione streamer si verifica solo in un determinato campo di portata. A p…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank Professor Howard Ceri from the Biological Sciences Department of the University of Calgary for providing bacterial strains. A. Kumar acknowledges support from NSERC. T. Thundat acknowledges financial support from the Canada Excellence Research Chair (CERC) program. The authors would also like to acknowledge help from Ms. Zahra Nikakhtari for help with videography.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Flourescent Microscope | Nikon | ||
| LB agar | Fisher | BP1425-500 | suspend 40 g in 1 L of purified water |
| LB broth | Fisher | BP1427-500 | suspend 20 g in 1 L of purified water |
| Biosafety hood | Microzone corporation | ||
| Petri-dish | Fisher | 875712 | sterile 100mmx15mm polystyrene petri dish |
| Incubator shaker | New Brunswick Scientific | Excella E24incubator shaker series | |
| 50 mL sterilized centrifuge tube | Corning | 430828 | Polypropylene Rnase-/Dnase-free |
| Tetracycline free base | MP Biomedicals | 103012 | 50 ug/mL |
| SYLGARD 184 silicone | Dow Corning Corporation | 68037-59-2 | Elastomer Base and curing agent |
| Positive photoresist (AZ4620) | |||
| Plastic tube | Cole- Parmer |
References
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