Las biopelículas microbianas forman arquitecturas complejas en las interfases y se convierten en patrones espaciales altamente dependientes de la escala. Aquí, presentamos un sistema experimental (duro y software) para la adquisición automatizada de conjuntos de datos de tomografía de coherencia óptica 3D (OCT). Este conjunto de herramientas permite la caracterización no invasiva y multiescala de la morfogénesis de biopelículas en el espacio y el tiempo.
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Artículo de método
Tomografía de coherencia óptica 3D automatizada para dilucidar la morfogénesis de Biofilm a grandes escalas espaciales
En este artículo
Resumen
Resumen
Las biopelículas son un estilo de vida microbiano más exitoso y prevalecen en una multitud de entornos ambientales y de ingeniería. Comprender la morfogénesis del biofilm, es decir, la diversificación estructural de las biopelículas durante el ensamblaje comunitario, representa un desafío notable a través de escalas espaciales y temporales. Aquí, presentamos un sistema automatizado de imágenes de biopelículas basado en la tomografía de coherencia óptica (OCT). OCT es una técnica de imagen emergente en la investigación de biopelículas. Sin embargo, la cantidad de datos que actualmente se pueden adquirir y procesar obstaculiza la inferencia estadística de patrones a gran escala en la morfología del biofilm. El sistema automatizado de imágenes OCT permite cubrir grandes escalas temporales espaciales y extendidas del crecimiento de biopelículas. Combina un sistema OCT disponible comercialmente con una plataforma de posicionamiento robótico y un conjunto de soluciones de software para controlar el posicionamiento de la sonda de escaneo OCT, así como la adquisición y procesamiento de conjuntos de datos de imágenes de biopelícula 3D. Esta configuración permite el monitoreo automatizado in situ y no invasivo del desarrollo de biopelículas y puede desarrollarse para combinar imágenes OCT con macrofotografía y perfilado de microsensores.
Introducción
Las biopelículas son una adaptación de estilo de vida microbiana de gran éxito y estas comunidades de microorganismos asociadas a la interfase y en matriz dominan la vida microbiana en entornos naturales e industriales1,2. Allí, las biopelículas forman arquitecturas complejas, tales como serpentinas alargadas3, ondulaciones4 o tapas similares a setas5 con importantes consecuencias para el crecimiento de biopelículas, estabilidad estructural y resistencia al estrés6. Si bien se ha aprendido mucho sobre la diferenciac....
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Protocolo
1. Configuración del dispositivo de posicionamiento
- Conecte el dispositivo de posicionamiento a una placa de microcontrolador, siguiendo las instrucciones de https://github.com/grbl/grbl/wiki/Connecting-Grbl.
- Conecte el microcontrolador a un ordenador de una sola placa con conexión a Internet a través de un cable USB e instale el servidor GRBL como se describe en https://gitlab.com/FlumeAutomation/GRBL_Server.git. Ahora el dispositivo de posicionamiento debe ser navegable desde una página web alojada en http://IP:5020/. Alternativamente, el dispositivo de posicionamiento se puede navegar con una secuencia de comandos de Python, como se mue....
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Resultados
Demostramos la funcionalidad del sistema automatizado de imágenes OCT utilizando un experimento flume diseñado para estudiar la morfogénesis espacio-temporal de las biopelículas de flujo fototrófico. Una geometría gradualmente estrecha de los flujos indujo gradientes en la velocidad de flujo a lo largo del centro del flujo (ver referencia17). El desarrollo temporal y la diferenciación estructural del biofilm se monitorizaron durante 18 días con el objetivo de comprender mejor los efectos de las con.......
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Discusión
Las imágenes OCT son adecuadas para resolver estructuras en el rango de micrómetros con un FOV de varios milímetros cuadrados. Por lo tanto, es una poderosa herramienta para la investigación de biopelículas10,18. Sin embargo, OCT se limita actualmente a un área de escaneo máxima de 100 - 256 mm2, mientras que los patrones estructurales de biopelícula a menudo superan esta escala espacial19, especialmente cuando la diferenciación.......
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Divulgaciones
Se trabaja en Thorlabs Inc.
Agradecimientos
Agradecemos a Mauricio Aguirre Morales por su contribución al desarrollo de este sistema. El apoyo financiero vino de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia a T.J.B.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Sonda OCT | Thorlabs | GAN210C1 | dispositivo de imagen OCT |
| lente de escaneo OCT | Thorlabs | OCT-LK3-BB | |
| Adaptador de inmersión | Thorlabs | OCT-IMM3-SP1 | |
| Stepcraft 840 CK | STEPCRAFT | NA Dispositivo | posicionamiento |
| Microcontrolador | Arduino Uno R3 | NA | |
| Ordenador de placa única | Raspberry PI | NA | |
| Cámara | Canon EOS 7D Mark II | NA | |
| Objetivo de cámara | Canon MACRO EFS 35 mm | NA |
Referencias
- Flemming, H. C., Wingender, J. The biofilm matrix. Nature reviews. Microbiology. 8, 623-633 (2010).
- Flemming, H. -C., et al. Biofilms: an emergent form of bacterial life. Nature reviews. Microbiology. 14, 563(2016).
- Stoodley, P., Lewandowski, Z., Boyle, J. D., Lappin-Scott....
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Reimpresiones y permisos
