Mikrobiyal Mikrodamlacık Kültür Sistemi (MMC) kullanılarak Otomatik Mikrobiyal Yetiştirme ve Uyarlanabilir Evrim
Summary
Bu protokol, otomatik mikrobiyal yetiştirme ve uyarlanabilir evrim yürütmek için Mikrobiyal Mikrodamlacık Kültürü sisteminin (MMC) nasıl kullanılacağını açıklamaktadır. MMC, mikroorganizmaları otomatik ve sürekli olarak yetiştirebilir ve alt yetiştirebilir ve nispeten yüksek verim ve iyi paralelleştirme ile büyümelerini çevrimiçi olarak izleyebilir, işçiliği ve reaktif tüketimini azaltabilir.
Abstract
Geleneksel mikrobiyal yetiştirme yöntemleri genellikle hantal operasyonlara, düşük verime, düşük verimliliğe ve büyük miktarda işgücü ve reaktif tüketimine sahiptir. Ayrıca, son yıllarda geliştirilen mikroplaka bazlı yüksek verimli yetiştirme yöntemleri, düşük çözünmüş oksijen, zayıf karışım ve şiddetli buharlaşma ve termal etkileri nedeniyle zayıf mikrobiyal büyüme durumuna ve deney paralelliğine sahiptir. Mikro damlacıkların küçük hacim, yüksek verim ve güçlü kontrol edilebilirlik gibi birçok avantajı nedeniyle, damlacık bazlı mikroakışkan teknolojisi, yüksek verimli mikrobiyal ekim, tarama ve evrim araştırmalarında kullanılan bu sorunların üstesinden gelebilir. Bununla birlikte, önceki çalışmaların çoğu laboratuvar yapımı ve uygulaması aşamasında kalmaktadır. Yüksek operasyonel gereksinimler, yüksek inşaat zorluğu ve otomatik entegrasyon teknolojisinin eksikliği gibi bazı önemli konular, mikrobiyal araştırmalarda damlacık mikroakışkan teknolojisinin geniş çapta uygulanmasını kısıtlamaktadır. Burada, damlacık mikroakışkan teknolojisine dayanan otomatik bir Mikrobiyal Mikrodamlacık Kültür sistemi (MMC) başarıyla geliştirildi ve mikrobiyal damlacık yetiştiriciliği sürecinin gerektirdiği aşılama, ekim, çevrimiçi izleme, alt ekim, sıralama ve örnekleme gibi fonksiyonların entegrasyonu sağlandı. Bu protokolde, vahşi tip Escherichia coli (E. coli) MG1655 ve metanol esansiyel bir E. coli suşu (MeSV2.2), MMC’nin otomatik ve nispeten yüksek verimli mikrobiyal ekim ve uyarlanabilir evrimi ayrıntılı olarak yürütmek için nasıl kullanılacağını tanıtmak için örnek olarak alınmıştır. Bu yöntemin kullanımı kolaydır, daha az emek ve reaktif tüketir ve geleneksel yetiştirme yöntemlerine kıyasla büyük avantajlara sahip olan yüksek deneysel verime ve iyi veri paralelliğine sahiptir. Bilimsel araştırmacıların ilgili mikrobiyal araştırmaları yürütmeleri için düşük maliyetli, operasyon dostu ve sonuç açısından güvenilir bir deneysel platform sağlar.
Introduction
Mikrobiyal tarım, mikroorganizmaların izolasyonu, tanımlanması, yeniden yapılandırılması, taranması ve evriminde yaygın olarak kullanılan mikrobiyolojik bilimsel araştırmalar ve endüstriyel uygulamalar için önemli bir temeldir 1,2,3. Geleneksel mikrobiyal yetiştirme yöntemleri esas olarak test tüplerini, sallama şişelerini ve katı plakaları yetiştirme kapları olarak kullanır, ayrıca sallama inkübatörleri, spektrofotometreler, mikro plaka okuyucuları ve mikrobiyal yetiştirme, tespit ve tarama için diğer ekipmanlarla birleştirilir. Bununla birlikte, bu yöntemlerin hantal işlemler, düşük verim, düşük verimlilik ve büyük işgücü ve reaktif tüketimi gibi birçok sorunu vardır. Son yıllarda geliştirilen yüksek verimli yetiştirme yöntemleri esas olarak mikroplakaya dayanmaktadır. Ancak mikroplaka düşük çözünmüş oksijen seviyesine, zayıf karıştırma özelliğine ve şiddetli buharlaşma ve termal etkiye sahiptir, bu da genellikle zayıf büyüme durumuna ve mikroorganizmaların deney paralelliğine yol açar 4,5,6,7; Öte yandan, otomatik yetiştirme ve proses tespiti elde etmek için sıvı taşıma iş istasyonları ve mikro plaka okuyucular gibi pahalı ekipmanlarla donatılması gerekir 8,9.
Mikroakışkan teknolojisinin önemli bir dalı olan damlacık mikroakışkanları, son yıllarda geleneksel sürekli akışlı mikroakışkan sistemlere dayanarak geliştirilmiştir. Dağınık mikro damlacıklar üretmek ve bunlar üzerinde çalışmak için iki karışmaz sıvı fazı (genellikle yağ-su) kullanan ayrık akışlı bir mikroakışkan teknolojisidir10. Mikro damlacıklar küçük hacimli, geniş spesifik yüzey alanı, yüksek iç kütle transfer hızı özelliklerine sahip olduğundan ve bölümlere ayırmanın neden olduğu çapraz kontaminasyon olmadığından ve damlacıkların güçlü kontrol edilebilirliği ve yüksek veriminin avantajlarına sahip olduğundan, yüksek verimli ekim, eleme ve mikroorganizmaların evriminde damlacık mikroakışkan teknolojisini uygulayan birçok araştırma türü olmuştur11 . Bununla birlikte, damlacık mikroakışkan teknolojisinin popülerleşmesini ve yaygın olarak uygulanmasını sağlamak için hala bir dizi önemli konu vardır. İlk olarak, damlacık mikroakışkanlarının çalışması hantal ve karmaşıktır, bu da operatörler için yüksek teknik gereksinimlere neden olur. İkincisi, damlacık mikroakışkan teknolojisi optik, mekanik ve elektrikli bileşenleri birleştirir ve biyoteknoloji uygulama senaryolarıyla ilişkilendirilmesi gerekir. Çok disiplinli bir işbirliği yoksa, tek bir laboratuvar veya ekibin verimli damlacık mikroakışkan kontrol sistemleri kurması zordur. Üçüncüsü, küçük hacimli mikro damlacık nedeniyle (pikoliter (pL) mikrolitreye (μL)), alt ekim, sıralama ve örnekleme gibi bazı temel mikrobiyal işlemler için damlacıkların hassas otomatik kontrolünü ve gerçek zamanlı çevrimiçi tespitini gerçekleştirmek çok zordur ve entegre bir ekipman sistemi oluşturmak da zordur12.
Yukarıdaki sorunları çözmek için, damlacık mikroakışkan teknolojisine dayanan otomatik bir Mikrobiyal Mikrodamlacık Kültür sistemi (MMC) başarıyla geliştirilmiştir13. MMC dört işlevsel modülden oluşur: damlacık tanıma modülü, damlacık spektrumu algılama modülü, mikroakışkan çip modülü ve örnekleme modülü. Tüm modüllerin sistem entegrasyonu ve kontrolü sayesinde, damlacıkların üretimi, yetiştirilmesi, ölçülmesi (optik yoğunluk (OD) ve floresan), bölünmesi, füzyonu, ayrıştırılması dahil olmak üzere otomatik işletim sistemi doğru bir şekilde kurulmakta, mikrobiyal damlacık yetiştiriciliği işleminin gerektirdiği aşılama, ekim, izleme, alt ekim, ayıklama ve numune alma gibi fonksiyonların entegrasyonu sağlanmaktadır. MMC, 200 sallama şişesi yetiştirme ünitesine eşdeğer olan 2-3 μL hacimli 200 kopya damlacık yetiştirme ünitesini tutabilir. Mikro-damlacık yetiştirme sistemi, mikroorganizmaların büyümesi sırasında kontaminasyonsuz, çözünmüş oksijen, karıştırma ve kütle-enerji değişimi gereksinimlerini karşılayabilir ve örneğin büyüme eğrisi ölçümü, uyarlanabilir evrim, tek faktörlü çok seviyeli analiz ve metabolit araştırması ve analizi (floresan tespitine dayalı) gibi çoklu entegre fonksiyonlar aracılığıyla mikrobiyal araştırmanın çeşitli ihtiyaçlarını karşılayabilir13,14.
Burada protokol, MMC’nin otomatik ve mikrobiyal yetiştirme ve uyarlanabilir evrimi ayrıntılı olarak yürütmek için nasıl kullanılacağını tanıtmaktadır (Şekil 1). Büyüme eğrisi ölçümünü göstermek için vahşi tip Escherichia coli (E. coli) MG1655’i ve MMC’deki adaptif evrimi göstermek için metanol esansiyel E. coli suşu MeSV2.215’i örnek olarak aldık. MMC için bir operasyon yazılımı geliştirildi, bu da işlemi çok basit ve net hale getiriyor. Tüm süreçte, kullanıcının ilk bakteri çözeltisini hazırlaması, MMC’nin koşullarını ayarlaması ve ardından bakteri çözeltisini ve ilgili reaktifleri MMC’ye enjekte etmesi gerekir. Daha sonra, MMC damlacık oluşturma, tanıma ve numaralandırma, yetiştirme ve uyarlanabilir evrim gibi işlemleri otomatik olarak gerçekleştirecektir. Ayrıca, damlacıkların yüksek zaman çözünürlüğüne sahip çevrimiçi tespitini (OD ve floresan) gerçekleştirecek ve ilgili verileri (dışa aktarılabilen) yazılımda görüntüleyecektir. Operatör, sonuçlara göre yetiştirme işlemini istediği zaman durdurabilir ve sonraki deneyler için hedef damlacıkları çıkarabilir. MMC’nin kullanımı kolaydır, daha az emek ve reaktif tüketir ve nispeten yüksek deneysel verime ve geleneksel yetiştirme yöntemlerine kıyasla önemli avantajlara sahip olan iyi veri paralelliğine sahiptir. Araştırmacıların ilgili mikrobiyal araştırmaları yürütmeleri için düşük maliyetli, operasyon dostu ve sağlam bir deneysel platform sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol, otomatik mikrobiyal yetiştirme ve uzun vadeli adaptif evrim gerçekleştirmek için Mikrobiyal Mikrodamlacık Kültürü sisteminin (MMC) nasıl kullanılacağını sunar. MMC minyatürleştirilmiş, otomatik ve yüksek verimli bir mikrobiyal yetiştirme sistemidir. Geleneksel mikrobiyal yüksek verimli yetiştirme yöntemleri ve cihazlarıyla karşılaştırıldığında, MMC düşük işçilik ve reaktif tüketimi, basit kullanım, çevrimiçi algılama (OD ve floresan), yüksek zaman çözünürlüklü v…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Çin Ulusal Anahtar Araştırma ve Geliştirme Programı (2018YFA0901500), Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı Ulusal Anahtar Bilimsel Enstrüman ve Ekipman Projesi (21627812) ve Tsinghua Üniversitesi Girişimi Bilimsel Araştırma Programı (20161080108) tarafından desteklenmiştir. Ayrıca Prof. Julia A. Vorholt’a (Mikrobiyoloji Enstitüsü, Biyoloji Bölümü, ETH Zürih, Zürih 8093, İsviçre) metanol esansiyel E. coli suşu versiyon 2.2’nin (MeSV2.2) sağlanması için teşekkür ederiz.
Materials
| 0.22 μm PVDF filter membrane | Merck Millipore Ltd. | SLGPR33RB | Sterilize the MMC oil |
| 4 °C refrigerator | Haier | BCD-289BSW | For reagent storage |
| Agar | Becton, Dickinson and Company | 214010 | For solid plate preparation |
| CaCl2·2H2O | Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd. | 20011160 | Component of the special medium for MeSV2.2. |
| Clean bench | Beijing Donglian Har Instrument Manufacture Co., Ltd. | DL-CJ-INDII | For aseptic operation and UV sterilization |
| CoCl2·6H2O | Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd. | 10007216 | Component of the special medium for MeSV2.2. |
| Computer | Lenovo | E450 | Software installation and MMC control |
| Constant temperature incubator | Shanghai qixin scientific instrument co., LTD | LRH 250 | For the microbial cultivation using solid medium |
| CuSO4·5H2O | Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd. | 10008218 | Component of the special medium for MeSV2.2. |
| Electronic balance | OHAUS | AR 3130 | For reagent weighing |
| EP tube | Thermo Fisher | 1.5 mL | For droplet collection |
| FeCl3·6H2O | Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd. | 10011928 | Component of the special medium for MeSV2.2. |
| Freezing Tube | Thermo Fisher | 2.0 mL | For strain preservation |
| Gluconate | Sigma-Aldrich | S2054 | Component of the special medium for MeSV2.2. |
| Glycerol | GENERAL-REAGENT | G66258A | For strain preservation |
| High-Pressure Steam Sterilization Pot | SANYO Electric | MLS3020 | For autoclaved sterilization |
| isopropyl-β-d-thiogalactopyranoside (IPTG) | Biotopped | 420322 | Component of the special medium for MeSV2.2. |
| Kanamycin sulfate | Solarbio | K8020 | Component of the special medium for MeSV2.2. |
| KH2PO4 | MACKLIN | P815661 | Component of the special medium for MeSV2.2. |
| Methanol | MACKLIN | M813895 | Component of the special medium for MeSV2.2. |
| MgSO4·7H2O | BIOBYING | 1305715 | Component of the special medium for MeSV2.2. |
| Microbial Microdroplet Culture System (MMC) | Luoyang TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd. | MMC-I | Performing growth curve determination and adaptive evolution. Please refer to http://www.tmaxtree.com/en/index.php?v=news&id=110 |
| Microfluidic chip | Luoyang TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd. | MMC-ALE-OD | For various droplet operations. Please refer to http://www.tmaxtree.com/en/ |
| MMC oil | Luoyang TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd. | MMC-M/S-OD | The oil phase for droplet microfluidics. Please refer to http://www.tmaxtree.com/en/ |
| MnCl2 | Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd. | 20026118 | Component of the special medium for MeSV2.2. |
| NaCl | GENERAL-REAGENT | G81793J | Component of the LB medium |
| Na2HPO4·12H2O | GENERAL-REAGENT | G10267B | Component of the special medium for MeSV2.2. |
| NH4Cl | Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd. | 10001518 | Component of the special medium for MeSV2.2. |
| Petri dish | Corning Incorporated | 90 mm | For the preparation of solid medium |
| Pipette | eppendorf | 2.5 μL, 10 μL, 100μL, 1000μL | For liquid handling |
| Quick connector A | Luoyang TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd. | — | For the connection of each joint. Please refer to http://www.tmaxtree.com/en/ |
| Reagent bottle | Luoyang TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd. | MMC-PCB | Sampling and storage of bacteria solution and reagents. Please refer to http://www.tmaxtree.com/en/ |
| Shake flask | Union-Biotech | 50 mL | For microbial cultivation |
| Shaking incubator | Shanghai Sukun Industrial Co., Ltd. | SKY-210 2B | For the microbial cultivation in shake flask |
| Streptomycin sulfate | Solarbio | S8290 | Component of the special medium for MeSV2.2. |
| Syringe | JIANGSU ZHIYU MEDICAL INSTRUCTMENT CO., LTD | 10 mL | Draw liquid and inject it into the reagent bottle |
| Syringe needle | OUBEL Hardware Store | 22G | Inner diameter is 0.41 mm and outer diameter is 0.71 mm. |
| Tryptone | Oxoid Ltd. | LP0042 | Component of the LB medium |
| Ultra low temperature refrigerator | SANYO Ultra-low | MDF-U4086S | For strain preservation (-80 °C) |
| UV–Vis spectrophotometer | General Electric Company | Ultrospec 3100 pro | For the measurement of OD values |
| Vitamin B1 | Solarbio | SV8080 | Component of the special medium for MeSV2.2. |
| Yeast extract | Oxoid Ltd. | LP0021 | Component of the LB medium |
| ZnSO4·7H2O | Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd. | 10024018 | Component of the special medium for MeSV2.2. |
References
- Lewis, W. H., et al. Innovations to culturing the uncultured microbial majority. Nature Reviews Microbiology. 19 (4), 225-240 (2020).
- Feist, A. M., Herrgard, M. J., Thiele, I., Reed, J. L., Palsson, B. O. Reconstruction of biochemical networks in microorganisms. Nature Reviews Microbiology. 7 (2), 129-143 (2009).
- Zeng, W. Z., Guo, L. K., Xu, S., Chen, J., Zhou, J. W. High-throughput screening technology in industrial biotechnology. Trends in Biotechnology. 38 (8), 888-906 (2020).
- Kim, J., Shin, H., et al. Microbiota analysis for the optimization of Campylobacter isolation from chicken carcasses using selective media. Frontiers in Microbiology. 10, 1381 (2019).
- Doig, S. D., Pickering, S. C. R., Lye, G. J., Woodley, J. M. The use of microscale processing technologies for quantification of biocatalytic Baeyer-Villiger oxidation kinetics. Biotechnology and Bioengineering. 80 (1), 42-49 (2002).
- Harms, P., et al. Design and performance of a 24-station high throughput microbioreactor. Biotechnology and Bioengineering. 93 (1), 6-13 (2006).
- Chen, A., Chitta, R., Chang, D., Anianullah, A. Twenty-four well plate miniature bioreactor system as a scale-down model for cell culture process development. Biotechnology and Bioengineering. 102 (1), 148-160 (2009).
- Huber, R., et al. Robo-Lector – a novel platform for automated high-throughput cultivations in microtiter plates with high information content. Microbial Cell Factories. 8, 788-791 (2009).
- Hasegawa, T., et al. High-throughput method for a kinetics analysis of the high-pressure inactivation of microorganisms using microplates. Journal of Bioscience and Bioengineering. 113 (6), 788-791 (2012).
- Teh, S. Y., Lin, R., Hung, L. H., Lee, A. P. Droplet microfluidics. Lab on a Chip. 8 (2), 198-220 (2008).
- Kaminski, T. S., Scheler, O., Garstecki, P. Droplet microfluidics for microbiology: techniques, applications and challenges. Lab on a Chip. 16 (12), 2168-2187 (2016).
- Liao, P. Y., Huang, Y. Y. Divide and conquer: analytical chemistry of nucleic acids in droplets. Scientia Sinica Chimica. 50 (10), 1439-1448 (2020).
- Jian, X. J., et al. Microbial microdroplet culture system (MMC): An integrated platform for automated, high-throughput microbial cultivation and adaptive evolution. Biotechnology and Bioengineering. 117 (6), 1724-1737 (2020).
- Wang, J., Jian, X. J., Xing, X. H., Zhang, C., Fei, Q. Empowering a methanol-dependent Escherichia coli via adaptive evolution using a high-throughput microbial microdroplet culture system. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 8, 570 (2020).
- Meyer, F., et al. Methanol-essential growth of Escherichia coli. Nature Communications. 9, 1508 (2018).
- Grünberger, A., et al. Beyond growth rate 0.6: Corynebacterium glutamicum cultivated in highly diluted environments. Biotechnology and Bioengineering. 110 (1), 220-228 (2013).
- Kaganovitch, E., et al. Microbial single-cell analysis in picoliter-sized batch cultivation chambers. New Biotechnology. 47, 50-59 (2018).
- Baraban, L., et al. Millifluidic droplet analyser for microbiology. Lab on a Chip. 11 (23), 4057-4062 (2011).
- Jakiela, S., Kaminski, T. S., Cybulski, O., Weibel, D. B., Garstecki, P. Bacterial growth and adaptation in microdroplet chemostats. Angewandte Chemie International Edition. 52 (34), 8908-8911 (2013).
- Cedillo-Alcantar, D. F., Han, Y. D., Choi, J., Garcia-Cordero, J. L., Revzin, A. Automated droplet-based microfluidic platform for multiplexed analysis of biochemical markers in small volumes. Analytical Chemistry. 91 (8), 5133-5141 (2019).
- Watterson, W. J., et al. Droplet-based high-throughput cultivation for accurate screening of antibiotic resistant gut microbes. eLife. 9, 56998 (2020).
- Baret, J. C. Surfactants in droplet-based microfluidics. Lab on a Chip. 12 (3), 422-433 (2012).
- Nitschke, M., Pastore, G. M. Production and properties of a surfactant obtained from Bacillus subtilis grown on cassava wastewater. Bioresource Technology. 97 (2), 336-341 (2006).
- Jiang, Y. J., et al. Recent advances of biofuels and biochemicals production from sustainable resources using co-cultivation systems. Biotechnology for Biofuels. 12, 155 (2019).
