Mikro-ayağı ile bir mikroakışkan Aygıt Biyofilm Çıtası Formasyonu Protokolü
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
Çeşitli bakteri türleri yüzeylere bağlanmasına ve biyofilm olarak adlandırılan ince film şeklinde kolonize yeteneğine sahiptirler. Gözenekli ortamda büyümek Biofilmler atık su arıtımı ve CO 2 haciz gibi çeşitli endüstriyel ve çevresel süreçlere alakalı. Biz taklit eden gözenekli ortam mikroakışkan bir cihaz biyofilm oluşumunu araştırmak için, Pseudomonas fluorescens'in Gram-negatif aerobik bakteri kullanılır. Mikroakışkan cihaz yumuşak litografi kullanarak fabrikasyon edildi mikro-mesajların bir dizi oluşur. Daha sonra, akış ile bu cihazlarda biyofilm oluşumu araştırıldı ve bizim cihazda flamalar olarak bilinen ipliksi biyofilm oluşumunu göstermektedir. Imalat ve mikroakışkan cihazın montajı için ayrıntılı protokolleri, bakteriyel kültür protokolleri ile birlikte burada sağlanmaktadır. Mikroakışkan cihaz ile deney için detaylı prosedürler de temsilcisi ile birlikte sunulmuşturSonuçlar.
Introduction
Son zamanlarda, gözenekli ortam 1 taklit mikroakışkan bir cihaz bakteriyel biyofilm oluşum dinamiklerini göstermiştir. Bakteriyel biyofilm esasen hücre dışı polimerik maddelerin (EPS), 2-4 ile kaplı olan yüzey toplanan bakteri kolonileri vardır. Bu bakteri ince filmler düz yüzeylerinden gözenekli ortamın çok daha karmaşık yaşam kadar neredeyse her hücresi meydana gelebilir. Valiei ve ark. 1 gözenekli bir ortam yapısının simüle etmek için mikro-ayağı bir dizi olan bir mikroakışkan olarak kullanmış ve sıvı akış hızının bir fonksiyonu olarak, bu cihazda biyofilm oluşumunu inceledik. Onlar belli bir akış rejiminde, flamalar olarak bilinen ipliksi biyofilm farklı sütunlar arasında ortaya çıkmaya başladı bulundu. Streamers birinde gergin edilebilir ya da her iki katı yüzeylere uçları, ancak, yapının geri kalan sıvı içinde süspansiyon haline getirilir. Flama oluşumu, tipik olarak başlar biyofilm bir ilk tabaka oluşturulmuş ve biçimi sonraiyon tür karmaşık habitatlarda biyofilm uzun vadeli evrim dikte edebilirsiniz. Son zamanlarda, bazı araştırmacılar flama formasyonu dinamiklerini araştırdık. Yezdi'nin ve diğ. 5 flamalar bir salınım kabarcık kaynaklanan dikey akışlarında meydana getirdiğini göstermiştir. Başka bir deneyde, Rusconi ve ark. 6 flamalar oluşumu üzerine kanal eğrilik ve kanal geometrisinin etkisini araştırdık. Bunlar flamalar mikrokanallar kavisli bölümlerde bir şekilde meydana getirdiğini, morfoloji ve kanal motilitesi ile ilgilidir. Son zamanlarda yapılan araştırmalar flamalar bunlar gözenekli arabirimleri olgun yapıların oluşturulması için ön madde olarak hareket edebilir gibi, çeşitli doğal ve yapay senaryolarda geniş etkilere sahip bir biyomedikal sistemlerde hızlı ve katastrofik biyofilm proliferasyonuna yol açan ve aynı zamanda önemli bir akış-neden olduğunu göstermiştir yapı etkileşimleri, vb 1,7-9.
Biyofilm flamalar genellikle i oluştururlargibi gözenekli medya gibi n kompleks habitatları. Gözenekli ortam ortamında anlama biyofilm büyüme örneğin CO2 tutumu 11 olarak iyi durumlarda delikli bütünlüğünü korumak ve toprakta 12 deliklerinin tıkanmalarını biyolojik atık su arıtma 10 gibi, çok sayıda çevresel ve endüstriyel işlemler için geçerlidir. Bu tür karmaşık habitatlarda biyofilm oluşumunu gözlemleyerek genellikle nedeniyle gözenekli ortamın opaklığına zor olabilir. Gerçek zamanlı ve yerinde izleme izin gibi durumlarda, Mikroakiskan bazlı gözenekli medya platformları son derece avantajlı kanıtlayabilirim. Mikroakiskan diğer bir avantajı, tek bir biyo-mikroakışkan platform üzerinde birden fazla biyoreaktörler oluşturmak ve aynı anda online izleme ve / veya sensörler dahil edilmesi için izin vermek için yeteneğidir. Tek bir cihazla ve doğru istatistiksel analiz için önemli bir ilgili veri toplamak için yeteneği birden laboratuar deneyleri uygulamak için esneklik önemli bir zarf olduğunuakışkan sistemleri 13,14 antage.
Yukarıdaki tartışmanın bağlamında, bir gözenekli ortam maddesi ortamında anlama flama oluşumu dinamik çeşitli uygulamalara faydalı olacaktır. Bu çalışmada, taklit eden gözenekli ortam cihazında flama oluşumunu araştırılması için protokol geliştirmek. Mikroakışkan platformu Fabrikasyon, hücre kültürü ve deney için gerekli adımlar açıklanmaktadır. Deneylerde, Pseudomonas fluorescens, yabani tipteki, bakteri soyu kullanıldı. S. toprakta doğal olarak bulunan fluorescens, toprak ekolojisine 15 sağlanması bakımından önemli bir rol oynar. Kullanılan bakteri soyu genetik kurucu yeşil flüoresan protein (GFP) ifade etmek üzere mühendislik edilmiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Biz karmaşık habitatlarda biyofilm geliştirme eğitimi için gözenekli ortam taklit basit mikroakışkan cihazı gösterdi. Deneylerin sonucunu dikte birkaç kritik adımlar vardır. Bunlar cihaz geometrisini içermektedir. Sonrası geometri değişebilirken, flamalar oluşturmak için yeterli gözenek alanı gereklidir. Ayrıca, Valiei ve ark. 1 flama formasyonu sadece belirli bir akış hızı aralığında meydana geldiğini göstermiştir. Bir eşik değerinden daha düşük akış hızların…
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).
