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Este protocolo describe el ensamblaje completo y el funcionamiento básico de una matriz de minibiorreactores (MBRA) para el cultivo de alto rendimiento de comunidades bacterianas, incorporando varios refinamientos clave al método publicado anteriormente. El sistema MBRA sigue siendo una herramienta versátil y rentable que permite a los investigadores cultivar ecosistemas microbianos complejos al tiempo que admite numerosas réplicas experimentales en paralelo. En esta versión actualizada, introducimos mejoras que mejoran la reproducibilidad, agilizan el flujo de trabajo y reducen el riesgo de contaminación. Estos incluyen pajitas de PTFE grabadas químicamente (Figura 2) para evitar el desprendimiento, una pajita de alimentación en la línea de medios (Figura 2) para minimizar la formación de biopelícula, longitudes de tubería estandarizadas con un soporte de tubería impreso en 3D (Archivo complementario 3) para una configuración más compacta y organizada, y un protocolo de reutilización optimizado que elimina la necesidad de desmontaje completo entre experimentos. Juntos, estos refinamientos representan mejoras iterativas desarrolladas a través del uso extensivo del sistema MBRA en diversas aplicaciones experimentales en nuestro laboratorio. Al abordar tanto los pasos críticos de ensamblaje como las mejoras prácticas, esta discusión subraya la utilidad del MBRA como un sistema modelo en continua evolución para la investigación del microbioma.
El éxito del sistema MBRA depende en gran medida del ensamblaje y la esterilización precisos de los componentes para garantizar un funcionamiento libre de contaminación. Los pasos clave incluyen el ajuste adecuado de tapas, tubos y conectores de la serie Q, que facilitan el ensamblaje modular y permiten la entrada de medios y la recolección de desechos. Garantizar un sellado hermético entre las botellas de medios, los depósitos de desechos y las cámaras de biorreactores es esencial para prevenir fugas y mantener condiciones estériles. Otro paso crítico es la verificación de los caudales de la bomba peristáltica antes de la experimentación, ya que las inconsistencias pueden conducir a una entrega desigual de medios y pueden afectar la dinámica del crecimiento microbiano. La mayoría de las bombas peristálticas multicanal que utilizan casetes incluyen un mecanismo de ajuste de oclusión, que debe usarse para ajustar el caudal de cada canal. Incluso con la calibración adecuada, la tubería del laboratorio electrónico sigue siendo una fuente principal de variabilidad. Para mitigar esto, es importante monitorear visualmente la frecuencia y el tamaño de las gotas de medios que ingresan a cada cámara del biorreactor tanto durante el llenado inicial como durante el inicio de los experimentos. Estas comprobaciones visuales permiten la detección temprana de inconsistencias en el caudal que, de otro modo, podrían comprometer la reproducibilidad experimental. En la tabla 2 se proporcionan estrategias de solución de problemas comunes que se encuentran durante el ensamblaje y el uso de MBRA. Estos pasos de solución de problemas garantizan la reproducibilidad en todos los experimentos y evitan interrupciones durante el cultivo a largo plazo.
A pesar de sus fortalezas, el sistema MBRA tiene ciertas limitaciones que deben tenerse en cuenta al diseñar experimentos. A diferencia de los sistemas más avanzados, el MBRA carece de capacidades de monitoreo activo, como mediciones de densidad óptica (OD) en tiempo real, control de pH y regulación de temperatura. Esta ausencia de medición activa restringe la capacidad del sistema para monitorear los cambios dinámicos en el crecimiento microbiano y la actividad metabólica en tiempo real. Además, si bien el sistema admite el cultivo anaeróbico dentro de las cámaras, no incluye control de gas integrado, lo que puede limitar las aplicaciones que requieren entornos microaerofílicos precisos o enriquecidos conCO2. Para estudios que requieren dicho control, los sistemas alternativos con regulación de gas incorporada pueden ser más adecuados.
El sistema MBRA ofrece ventajas clave sobre los modelos de biorreactores existentes, incluido el alto rendimiento, la escalabilidad y la rentabilidad, al tiempo que conserva la capacidad de cultivar comunidades bacterianas complejas bajo flujo continuo para imitar entornos dinámicos como el tracto gastrointestinal humano 6,8,10. Su diseño compacto y modular permite el funcionamiento simultáneo de múltiples biorreactores, lo que lo hace ideal para estudios de alto rendimiento, como la detección de comunidades derivadas de heces para determinar su resistencia a la invasión de patógenos9. Este diseño modular proporciona una amplia flexibilidad experimental: cada tira puede ser suministrada por una sola botella de medios, como se demuestra en este protocolo, o por hasta seis fuentes de medios distintas, una para cada cámara de biorreactor. El volumen de trabajo se rige por la longitud de una pajita de desecho delgada de PTFE insertada en el puerto de desechos de cada cámara, que establece la altura del líquido; en este protocolo, las pajuelas de 25 mm mantienen un volumen de trabajo de 15 ml, pero se pueden lograr volúmenes entre 1 y 20 ml recortando o extendiendo la pajuela. Además, se insertan pajitas de alimentación más cortas en la entrada de medios para dirigir el flujo de entrada hacia la base de la cámara, evitando que los medios goteen por las paredes de la cámara y reduciendo la formación de biopelículas por encima de la línea de llenado. Las velocidades de la bomba o el diámetro de la tubería de la bomba también se pueden ajustar para alterar la tasa de rotación del sistema. Hasta la fecha, el sistema MBRA se ha utilizado ampliamente para estudiar los cambios funcionales y de composición de las comunidades microbianas en respuesta a una variedad de factores, incluidos los antibióticos10, los medicamentos contra el cáncer14 y varios compuestos dietéticos 12,15,16,17. El diseño simple y modular lo hace ideal para adaptarse a diversas necesidades experimentales. Por ejemplo, el MBRA ha sido modificado para estudiar biopelículas en condiciones similares a las de los quimiostatos18, lo que demuestra su versatilidad para estudios de ecología microbiana más allá de los cultivos planctónicos.
Las iteraciones futuras del sistema MBRA podrían beneficiarse de actualizaciones de ingeniería adicionales que amplíen su funcionalidad, precisión y potencial de rendimiento. Una de esas mejoras es la incorporación de puertos adicionales en cada cámara de biorreactor. Estos puertos podrían usarse para admitir el monitoreo activo de parámetros ambientales como pH, temperatura, gas o densidad óptica. Esto abordaría una de las limitaciones más importantes del modelo al permitir la retroalimentación y el monitoreo en tiempo real. Las mejoras en la geometría de la cámara o el puerto podrían facilitar una limpieza más completa y accesible, reduciendo la acumulación de residuos y la decoloración y mejorando la reutilización a largo plazo. La integración de bombas peristálticas adicionales con temporizadores programables permitiría entradas de medios pulsados o diurnos, simulando mejor los entornos asociados al huésped, como los ciclos de alimentación en el intestino humano. Finalmente, la impresión 3D con materiales alternativos, como polímeros resistentes a los productos químicos y esterilizables en autoclave, puede permitir una mayor durabilidad y compatibilidad con una gama más amplia de reactivos. Juntas, estas mejoras podrían ampliar significativamente el alcance experimental y la fidelidad de la plataforma MBRA.
En conclusión, el MBRA proporciona una plataforma poderosa y de alto rendimiento para cultivar y estudiar comunidades microbianas en condiciones controladas. Si bien tiene limitaciones en el monitoreo activo y el control del pH, su flexibilidad, escalabilidad y rentabilidad lo convierten en una herramienta invaluable para una amplia gama de estudios microbiológicos, particularmente aquellos que requieren una alta replicabilidad y rendimiento experimental. Es importante destacar que el diseño modular y el enfoque de fabricación del sistema lo hacen inherentemente adaptable; los investigadores han adaptado y pueden continuar adaptando el MBRA para adaptarse a una amplia gama de objetivos experimentales. Esta adaptabilidad garantiza que el MBRA pueda seguir evolucionando junto con las preguntas y tecnologías científicas emergentes, manteniendo su relevancia como plataforma versátil para la investigación del microbioma.