La matriz Ministat descrito anteriormente y en la (Figura 1A, B) fue usado para cultivar una cepa de laboratorio MATa haploide de levadura de gemación (S288c) bajo condiciones limitantes de sulfato como se describe anteriormente. 10 Hemos probado la eficacia para aplicaciones chemostat comunes incluyendo la determinación de la fisiología y evolución experimental. Para validar los ministats, se repitió varios experimentos realizados anteriormente en fermentadores industriales modificados para uso quimiostato. 10,20,21 Sixfors ATR fermentadores se llevaron a cabo en un volumen de 300 ml de trabajo, más de diez veces el volumen de los ministats, y tienen modos considerablemente diferentes cultura de la aireación y agitación. Hemos intentado replicar estabilidad equipo, fisiología estado estacionario, los resultados experimentales evolución, y patrones de expresión génica obtenidos con estos fermentadores.
Dado que la uniformidad de la tasa de dilución y la aireación son aspectos importantes del diseño de quimiostato, que measured la tasa de dilución real a través de 32 ministats después de 15 generaciones de crecimiento y se ha encontrado que con una tasa de dilución objetivo de 0,17 vol / hr (4-5 gotas / min) se alcanzó una tasa de dilución promedio de 0,17208 con una desviación estándar de 0,0075 a través de 32 se replica. Esta gama estaba dentro de nuestro tolerancia típica de + / -0,01 vol / hr diferencia de la fijación de objetivos, más allá de que cambios a gran escala en la expresión génica se han observado. 22-23 Across 4 ministats la tasa de flujo de aire se determinó que era 307,5 ml / min con una desviación estándar de 9,57 ml / min. Esto sugiere que el flujo de aire dentro de las cámaras es robusto y divide por igual entre las 4 cámaras y es un valor similar a la descrita para la aireación en fermentadores industriales. 20
Hemos observado anteriormente amplificación recurrente de la SUL1 transportador de alta afinidad de iones de azufre en 8.8 experimentos de evolución sulfato limitados en la levadura. 10 Teniendo en cuenta la coherencia de los resultados de acuerdo con thicondición s elegimos sulfato de limitación para poner a prueba la capacidad de nuestro sistema. Un elemento necesario de la cultura chemostat es la necesidad de mantener un ambiente químico constante. Las fluctuaciones en la abundancia de una limitación de nutrientes o cambios de otro tipo en el medio ambiente suelen dar lugar a un cambio en el número de células en un cultivo dado. Se midió la densidad óptica tal como un proxy para el número de células (Figura 2A) y la reproducibilidad medido a través de 16 cultivos replicados, encontrar un promedio A600 de 1,12 (~ 10 9 células) después de ~ 15 generaciones de crecimiento con una desviación estándar de 0,057 unidades, o 5,1 %. Para la comparación, las medidas tomadas de 4 cultivos replicados cultivadas en los fermentadores industriales mostraron una desviación estándar de 2,5%. Las células fueron bien mezclados en la cámara de crecimiento: mediciones de OD y recuento de células tomadas de la pista efluente eran equivalentes a las muestras tomadas directamente desde el tubo de cultivo (datos no mostrados). Estos resultados demuestran la solidez de nuestra plataforma de und capacidad para mantener un ambiente químico constante con una tolerancia similar a la del fermentador industrial.
En una lectura más sensible de la fisiología, se comparó el genoma expresión estable del gen estado de los cultivos que crecen bajo limitación sulfato en las ministats y en el fermentador industrial. La expresión génica en las ministats mostraron un alto grado de similitud a través de tres réplicas biológicas (Figura 2B). Hemos observado anteriormente que para el ARN derivado de dos quimiostatos Sixfors repetidos y de co-hibridizada a un microarray, la expresión de genes de 99% cayó dentro de un rango de 1,5-veces, lo que permite el uso de 1,5 X como un corte de significación empírica. 21 la expresión génica desde ministats tres replicados, por parejas, en comparación mostró 99% de los genes cayó dentro de un rango de 1.5-1.7 veces, comparable a los resultados de los fermentadores industriales. Las tres muestras se hibridó con los conjuntos individuales y las relaciones de pares calculados después, por lo que estos VAlues incluyen inter-array ruido además de ruido biológico, potencialmente sobreestimar la variación entre las réplicas en comparación con los publicados, co-hibridados resultados. 138 genes fueron expresados diferencialmente> 1,5-veces en todos los Ministat tres repeticiones en comparación con una muestra obtenida de un cultivo crecido emparejado en el fermentador industrial. Genes disminución en la expresión en las ministats se enriquecieron en gran medida por el metabolismo del hierro. Esta firma puede reflejar la composición del metal diferente de cada configuración de dispositivos: el aparato Sixfors incluye un impulsor de metal y ensamble aireación inmerso en la cultura, los medios de comunicación y la garrafones utilizado anteriormente también se requiere hardware metal. El Ministat utiliza agujas de acero inoxidable, pero ningún componente metálico. Los genes con una mayor expresión se asocia en gran medida con las membranas celulares, aunque la importancia biológica de esta asociación no está claro.
Por último, hemos probado unde evolución experimentalr estas condiciones. Después de 250 generaciones de sulfato limitado crecimiento, 4/4 clones ensayados de 4 poblaciones independientes evolución mostraron amplificación de SUL1 como se detecta por hibridación genómica comparada (CGH, Figura 2C). Este resultado es consistente con los hallazgos en quimiostatos de mayor volumen en intervalos de tiempo similares. 10

1. A. Diseño y disposición de la matriz Ministat. Figura B. Diseño de la cámara de cultivo.

Figura 2. A. ExperimeNTAL datos que muestran que los cultivos alcancen el equilibrio dentro de diez generaciones de crecimiento (n = 16). B. Datos de expresión para tres repeticiones biológica S1-3 muestreadas durante el estado estacionario bajo limitación de sulfato en comparación con una referencia común crecido en un conjunto combinado de sulfato limitado chemostat Sixfors C. amplificaciones. SUL1 recuperado en ministats después de 250 generaciones de crecimiento en un entorno de sulfato limitado. El ADN genómico de cada clon evolucionado se comparó con el ADN ancestral por CGH como se describe. 21 La media de número de copia se calculó para cada región amplificada y se muestra junto a cada uno de amplificación. Todos los datos de microarrays se depositan en la base de datos GEO bajo adhesión GSE36691. Haga clic aquí para ampliar la figura.