Протокол биопленки Streamer формирования в микрожидкостных устройств с Micro-столбов
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
Несколько видов бактерий обладают способностью придаем поверхностей и колонизировать их в виде тонких пленок, называемых биопленок. Биопленки, которые растут в пористых средах актуальны для нескольких промышленных и экологических процессов, таких как очистка сточных вод и CO 2 секвестра. Мы использовали Pseudomonas Шогезсепз, грамотрицательная аэробная бактерия, исследовать образование биопленки в микрофлюидном устройства, которое имитирует пористых средах. Микрожидкостных устройство состоит из массива микро-сообщений, которые были изготовлены с использованием софт-литографии. Впоследствии, образование биопленки в этих устройствах с потоком была исследована и мы демонстрируем формирование нитевидных биопленок, известных как растяжки в нашем устройстве. Подробные протоколы для изготовления и сборки микрожидкостных устройств предусмотрены здесь наряду с бактериальными протоколов культуры. Подробные процедуры экспериментов с микрожидкостных устройств также представлены наряду с представителемРезультаты.
Introduction
Недавно мы показали динамику бактериальные биопленки в микрофлюидном устройства, который имитирует пористых средах 1. Бактериальные биопленки, по существу колонии на поверхности бактерий, которые объединены заключены по внеклеточных полимерных веществ (EPS) 2-4. Эти тонкие пленки бактерий могут образовываться в практически все мыслимые ниши, начиная от гладких поверхностей с гораздо более сложной среде обитания пористых сред. Valiei и соавт. 1 используется микрожидком устройство с множеством микро-колоннами, чтобы имитировать пористую структуру носителя и изучены образования биопленки в этом устройстве в зависимости от скорости потока жидкости. Они обнаружили, что в определенном режиме потока, нитевидные биопленки известные как растяжки стали появляться между различными колоннами. Ответвления могут быть привязаны на одном или обоих концах твердых поверхностей, но остальная часть структуры суспендируют в жидкости. Streamer образование, как правило, начинается после начального слой биопленки сформировал и его форматион может диктовать долгосрочного развития биопленки в таких сложных мест обитания. В последнее время некоторые исследователи исследовали динамику формирования стримера. Язди и др. 5 показали, что растяжки могут образовывать в вихревых потоков, происходящих из колеблющегося пузырька. В другом эксперименте, Рускони др. 6 исследовано влияние кривизны канала и геометрии канала на формирование стримеров. Они обнаружили, что растяжки могут образовываться в изогнутых участках микроканалов, а стримерного морфологии связано с подвижностью. Недавние исследования показали, что растяжки могут иметь далеко идущие последствия в различных естественных и искусственных сценариев, поскольку они могут действовать в качестве предшественников формирования зрелых структур в пористых интерфейсов, привести к быстрому и катастрофическому распространению биопленки в биомедицинских систем, а также нанести существенный проточного Структура взаимодействия и т.д. 1,7-9.
Биопленки растяжки часто форма Iн сложные места обитания, такие как пористых средах. Понимание рост биопленки в пористой среде СМИ имеет отношение к нескольким экологических и производственных процессов, таких как биологической очистки сточных вод 10, поддержание ствола скважины целостность в таких ситуациях, как улавливания СО 2 11 и забивания пор в почве 12. Наблюдая образование биопленки в таких сложных мест обитания часто может быть сложной задачей в связи с непрозрачностью пористых средах. В таких ситуациях, Microfluidics основе пористых средства массовой информации, может оказаться чрезвычайно выгодным, так как они позволяют в режиме реального времени и в мониторинге месте. Еще одно преимущество микрофлюидики является возможность построить несколько биореакторов на одном био-Микрожидкостных платформе и одновременно обеспечить оперативного мониторинга и / или включения датчиков. Гибкость, чтобы реализовать несколько лабораторных экспериментов в одном устройстве и возможность получать значительные соответствующие данные для точного статистического анализа является важным Advantage из микрофлюидных систем 13,14.
В контексте сказанного выше, динамика понимание формирования стримеров в пористой среде медиа бы полезно несколько приложений. В этом исследовании, мы разрабатываем протокол за расследование образование косы в устройстве, которое имитирует пористые среды. Изготовление микрожидкостных платформы, необходимые шаги для культуры и экспериментов клетки описаны. В наших экспериментах был использован дикий тип Бактериальный штамм Pseudomonas Fluorescens. П. Fluorescens, нашел в почве, играет ключевую роль в поддержании экологии почв 15. Бактериальный штамм занятых были генетически сконструированы для экспрессии зеленый флуоресцентный белок (GFP) конститутивно.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы продемонстрировали простой микрожидкостных устройств, который имитирует пористых средах для изучения развития биопленки в сложных средах обитания. Есть несколько важных шагов, которые диктуют итоги экспериментов. Они включают в себя геометрию устройства. В то время как геометрия …
Disclosures
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
- Valiei, A., Kumar, A., Mukherjee, P. P., Liu, Y., Thundat, T. A web of streamers: biofilm formation in a porous microfluidic device. Lab Chip. 12, 5133-5137 (2012).
- Costerton, J. W. Bacterial Biofilms: A Common Cause of Persistent Infections. Science. 284, 1318-1322 (1999).
- Flemming, H. C., Wingender, J. The biofilm matrix. Nat Rev Microbiol. 8, 623-633 (2010).
- Wong, G. C. L., O’Toole, G. A. All together now: Integrating biofilm research across disciplines. MRS Bulletin. 36, 339-342 (2011).
- Yazdi, S., Ardekani, A. M. Bacterial aggregation and biofilm formation in a vortical flow. Biomicrofluidics. 6, 044114 (2012).
- Rusconi, R., Lecuyer, S., Guglielmini, L., Stone, H. A. Laminar flow around corners triggers the formation of biofilm streamers. J R Soc Interface. 7, 1293-1299 (2010).
- Drescher, K., Shen, Y., Bassler, B. L., Stone, H. A. Biofilm streamers cause catastrophic disruption of flow with consequences for environmental and medical systems. P Natl Acad Sci USA. 110, 4345-4350 (2013).
- Marty, A., Roques, C., Causserand, C., Bacchin, P. Formation of bacterial streamers during filtration in microfluidic systems. Biofouling. 28, 551-562 (2012).
- Taherzadeh, D., et al. Computational Study of the Drag and Oscillatory Movement of Biofilm Streamers in Fast Flows. Biotechnol Bioeng. 105, 600-610 (2010).
- Vrouwenvelder, J. S., et al. Impact of flow regime on pressure drop increase and biomass accumulation and morphology in membrane systems. Water Res. 44, 689-702 (2010).
- Mitchell, A. C., et al. Biofilm enhanced geologic sequestration of supercritical CO2. International Journal of Greenhouse Gas Control. 3, 90-99 (2009).
- Soleimani, S., Van Geel, P. J., Isgor, O. B., Mostafa, M. B. Modeling of biological clogging in unsaturated porous media. J Contam Hydrol. 106, 39-50 (2009).
- Kumar, A., et al. Microscale confinement features can affect biofilm formation. Microfluid Nanofluid. 14, 895-902 (2013).
- Neethirajan, S., et al., Bhushan, B., et al. . Encylopedia of Nanotechnology. , (2012).
- Barathi, S., Vasudevan, N. Utilization of petroleum hydrocarbons by Pseudomonas fluorescens isolated from a petroleum-contaminated soil. Environ Int. 26, 413-416 (2001).
- Das, S., Kumar, A. Formation and post-formation dynamics of bacterial biofilm streamers as highly viscous liquid jets. arXiv preprint arXiv:1312.6056. , (2013).
- Shaw, T., Winston, M., Rupp, C. J., Klapper, I., Stoodley, P. Commonality of elastic relaxation times in biofilms. Phys Rev Lett. 93, (2004).
- Berejnov, V., Djilali, N., Sinton, D. Lab-on-chip methodologies for the study of transport in porous media: energy applications. Lab Chip. 8, 689-693 (2008).
