細胞増殖速度が調節されたプロセスおよび細胞生理学の主要な決定因子である。ケモスタットを用いた連続培養は、細胞増殖およびどのようにそれらのネットワークは細胞増殖を最適化するために進化を制御する分子ネットワークの研究を促進する栄養制限することにより、細胞増殖速度の外因性の制御を可能にする。
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細胞増殖速度が調節されたプロセスおよび細胞生理学の主要な決定因子である。ケモスタットを用いた連続培養は、細胞増殖およびどのようにそれらのネットワークは細胞増殖を最適化するために進化を制御する分子ネットワークの研究を促進する栄養制限することにより、細胞増殖速度の外因性の制御を可能にする。
細胞は、外界からの信号に応答してそれらの成長速度を調節する。細胞の成長に合わせて、多様な細胞プロセス、高分子合成、代謝や細胞分裂周期に最終的には、コミットメントなど、調整する必要があります。細胞増殖の速度を制御する調節ネットワーク - 遺伝子発現および代謝を含む - ケモスタット実験的細胞増殖速度を制御する方法は、系統的にどのように成長速度に影響を与える細胞プロセスを研究する強力な手段を提供する。世代ケモスタット数百のために維持するとき、細胞増殖を制限する環境条件における微生物の適応進化を研究するために使用することができる。我々は、ケモスタット培養の原理を記載し、それらの動作を示し、それらの様々なアプリケーションの例を提供する。 20世紀半ばの発売後の廃用の期間の後、に新たにゲノムスケール手法の収束terest細胞の成長および適応進化の分子基盤の調節に生物学的研究におけるケモスタットを使用することにルネサンスを刺激されている。
細胞の増殖は、遺伝因子と環境因子の相互作用の1,2複雑なネットワークによって調節される。細胞増殖の調節多因子は、その研究にシステムレベルのアプローチを必要とする。しかし、調節された細胞成長の厳密な研究は、実験的に細胞が成長する速度を制御することの困難性により攻撃される。また、最も単純な実験で、細胞外の条件は、彼らが増殖するように細胞が継続的にその環境を変えるように、頻繁にダイナミックで複雑です。定義された、不変かつ制御された環境における細胞増殖速度の実験的な制御を可能にする細胞を培養する方法であって、これらの問題に対する解決策を、ケモスタットによって提供される。
ケモスタットを用いて連続培養する方法は、独立して1950年にモノー3とNovick&シラード4で記述されていた。もともと構想として、細胞をCONのメディアの一定体積で栽培されているtinually新しいメディアと古い培地および細胞の同時除去( 図1)の添加により希釈した。結合した常微分方程式( 図2)のセル密度(x)およびケモスタット容器中の増殖制限栄養素(単数または複数 )の濃度の変化率を記述する。重要なことに、この連立方程式は、定常状態で、細胞( すなわち 、指数増殖速度定数)の特異的増殖速度は、速度に等しいことを顕著含意を有する単一の(非ゼロの)安定した定常状態( 図3)を予測れる培養物(D)希釈する。希釈率を変えることにより、異なる成長速度でかつ栄養制限の異なる条件下での細胞の定常状態の集団を確立することが可能である。
ケモスタットを使用して、成長率の実験的制御がどのように細胞生理学の変化の理解の発展に重要であった成長5,6のレートで。しかし、微生物学的方法のかつての主力は、20世紀後半の間の分子生物学研究の爆発の際にますますあいまいになりました。今日では、微生物および多細胞生物の両方で増殖制御に関心をリニューアルし、システムレベルの解析のためのゲノム規模法の出現は、ケモスタットを使用するためのモチベーションをリニューアルしました。ここでは、細胞増殖速度の正確な制御とケモスタットを使用して一意に可能な外部環境を生かす3つのアプリケーションについて説明します。このような転写産物および代謝産物など - - 協調的な成長率で規制されている第一に、我々は、生体分子の何千もの豊富さは、どのように調査するケモスタットの使用を記載している。第二に、我々はケモスタットは、競合実験を用いて、栄養素が制約された環境では、異なる遺伝子型の間の成長率の差の正確な推定値を得るために使用することができる方法を記載している。第三に、我々はどのようにケモスタットができる記述一定の貧栄養環境下で増殖する細胞の適応進化を研究するために使用される。これらの例は、ケモスタット環境相互作用および適応進化による細胞増殖調節遺伝子のシステム·レベルの調査を可能にされる方法を例示する。
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ケモスタットを用いて連続培養の原理は、様々な実装を実現することができる。すべてのケモスタットでは、すべてのコンポーネント、2)十分に混合培養、培養容器の3)適切な通気、4)メディアのほか、文化除去の信頼できる手段の無菌性を維持するための1)の方法を持っていることが不可欠である。ここでは、簡単に代替のセットアップに適合させることができる方法を使用して、ケモスタットなどSixforsバイオリアクター(インフォース社)の使用を記載している。
1。ケモスタット船を組み立てる
2。メディアの準備
3。 DO 2プローブを校正し、ケモスタットの設定
4。接種
5。ポンプを開始し、定常状態となる
6。アプリケーション1:定常状態で、異なる速度で成長して勉強する細胞
7。アプリケーション2:フローサイトメトリーベースの競合アッセイを使用して制御された環境での遺伝子型の間の成長率の差の精密測定
8。アプリケーション3:実験進化
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ケモスタットの主な利点は、希釈率を変化させることによって実験的に細胞の増殖速度を制御する能力である。出芽酵母、サッカロマイセス·セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)においては、細胞の形態、細胞分裂周期におけるその位相の情報である。 unbudded細胞( 図5A)の割合を測定することによって決定されるように、より高い成長速度を有する集団は、活発に分裂する細胞の高い割合を含む。ケモスタット培養物における全体的なmRNA発現の分析は、多くの遺伝子の差次的発現は成長速度( 図5Bおよび図5C)の関数として表されることが示されている。
異なる遺伝子型の相対的な適応度が蛍光標識された細胞を用いてケモスタットで競合アッセイを実施することによって決定され、フローサイトメトリー分析( 図6A)を流すことができる。 図6Bは、変異株コムあった代表的な結果を示している蛍光タグ付けされた野生型株に対...
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ケモスタットは、成長制御の定常状態での微生物の培養を可能にする。細胞は不変外部環境になり、一定の速度で継続的に成長する。これは、外部環境が連続的に変化しており、細胞増殖速度は、環境と遺伝子型の複雑な相互作用により決定されたバッチ培養法とは対照的である。したがって、バッチ培養上ケモスタット中の微生物を培養するの主な利点は、実験的に、細胞の増殖速度を制御する能力である。
細胞が成長する速度は、栄養感知、シグナル伝達、巨大分子の合成および代謝を含む無数の細胞プロセスとの間の相互作用の結果である。グローバル分析方法と組み合わせてケモスタットを使用すると、細胞内の増殖方法影響の速度は基本的なプロセスの調査を可能にし、細胞を調節し、細胞プロセスと座標逆方法成長のそのレート。野生型細胞での研究は、RNAおよびタンパク質の細胞内濃度を大いに細胞増殖6の速度によって影響され、より最近では、トランスクリプトーム10,12,13およびメタボローム8は劇的に細胞の成長速度によって影響を受けることが示されていることを示している。
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著者は、彼らが競合する経済的利益を持っていないことを宣言します。
この作品は、ニューヨーク大学のフォームの起動の資金によってサポートされていました。我々は当初、ケモスタットとしてSixforsバイオリアクターの使用を開発し弥勒ダナムとマットブラウアーに感謝します。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Infors-HT Sixfors Chemostat | Appropriate Technical Resources, Inc. | ||
| ガラス瓶 9.5 L | フィッシャー サイエンティフィ | 02-887-1 | メディア容器およびホース |
| ピンチコック | フィッシャー サイエンティフィック | 05-867 | メディア容器およびホース |
| ストッパー用、サイズ 12、グリーン ネオプレン | コール パーマー | EW-62991-42 | メディア容器およびホース |
| ストレート コネクタ | コール パーマー | EW-30703-02 | メディア容器およびホース |
| ジェネラル用目的タイ4 in | Fisher Scientific | NC9557052 | For Media Vessel and Hosing |
| Tubing, Silicone Rubber | Small Parts | B000FMWTDE | For Media Vessel and Hosing |
| Tubing, Silicone, 3/8 in OD | Fisher Scientific | 02-587-1Q | For Media Vessel and Hosing |
| Tubing, Silicone, 7/32 in | Fisher Scientific | 02-587-1E | For Media Vessel and Hosing |
| チューブ、ステンレス鋼、3/16インチOD | McMaster-Carr | 6100K164 | メディア容器およびホース |
| チューブ用、ステンレス鋼、3/8インチOD | McMaster-Carr | 6100K161 | 、メディア容器およびホース |
| フックコネクタ | フィッシャーサイエンティフィック | 14-66-18Q | メディア容器およびホース |
| ラチェットクランプ | コールパーマーEW-06403-11 | メディア容器およびホース | |
| ルアー用、メス | コール パーマー | EW-45512-34 | メディア容器およびホース |
| ルアー用、オス | コール パーマー | EW-45513-04 | メディア ベッセルおよびホース |
| ミリポア エアベント MTGR05010 62 mm フィルター用、0.2 μm | Fisher Scientific | MTGR05010 Scientific | Media Vessel and Hosing |
| PTFE Acrodisc CR 13 mm フィルター, 0.2 μm | フィッシャーサイエンティフィ | NC9131037 | メディア容器およびホース用 |
| 読式フローチューブ | コールパーマー | EW-32047-77 | 窒素ガスセットアップ |
| 用 | コールパーマー | EW-32048-63 | 窒素ガスセットアップ用 |
| ガスプロポーショナーマルチチューブフレーム | コールパーマー | EW-03218-50 | ガスセットアップ用 |
| レギュレーター、 | 窒素ガスセットアップ用 | エアガス | Y12-N145D580 |
| ホースアダプター、窒素 | ガスセットアップ用 | エアガス | Y99-26450 |
| ホースオス | 窒素ガスセットアップ用 | エアガス | WES544 |
| ノルプレンチューブ | ガスセットアップ用 | 米国プラスチック | 57280 |
| 三脚ベース | コールパー | マーEW-03218-58 | 窒素ガスのセットアップ |
| バルブカートリッジ | コールパーマー | EW-03217-92 | 窒素ガスセットアップ用 |
| カーボーイ 10 L | フィッシャーサイエンティフィック | 02-963-2A | メディア準備用 |
| ステリトップ滅菌真空ボトルトップフィルター、1,000 ml、PES メンブレン; 45 mm ネックサイズ用 | フィッシャーサイエンティフィック | SCGP-T10-RE | メディア準備用 |
| メディアボトル 100 ml、45 mm ネックサイズ | フィッシャーサイエンティフィック | FB-800-100 | メディア調製用 |
| 塩化カルシウム·2H2O | フィッシャーサイエンティフィック | C79-500 | 媒体試薬 |
| 塩化ナトリウム | フィッシャーサイエンティフィック | BP358-1 | 媒体試薬 |
| 硫酸マグネシウム·7H2O | Sigma Aldrich | 230391 | 培地 |
| リン酸カリウム 一塩基性 | フィッシャーサイエンティフィ | AC424205000 | 培地 |
| アンモニウム | フィッシャーサイエンティフィ | AC423400010 | 培地試薬 |
| 塩化カリウム | Sigma Aldrich | P9541 | 培地試薬 |
| ホウ酸 | Σ Aldrich | B6768 | 媒体試薬 |
| 硫酸銅 & middot;5H2O | Sigma Aldrich | 209198 | 培地 |
| ヨウ化カリウム | Sigma Aldrich | 60400 | 培地 |
| 塩化第二鉄·6H2O | Fisher Scientific | I88-100 | Media Reagents |
| Manganese sulfate·H2O | Sigma Aldrich | 230391 | 培地 |
| モリブデン酸ナトリウム·2H2O | Sigma Aldrich | M7634 | Media 試薬 |
| 硫酸亜鉛·7H2O | フィッシャーサイエンティフィ | Z68-500 | メディア試薬 |
| ビオチン | フィッシャーサイエンティフィック | BP232-1 | メディア試薬 |
| パントテン酸カルシウム | フィッシャーサイエンティフィック | AC24330-1000 | メディア試薬 |
| 葉酸 | シグマ・アルドリッチ | F7876 | メディア試薬 |
| イノシトール(別名 ミオイノシトール) | フィッシャーサイエンティフィック | AC12226-1000 | 培地 |
| ナイアシン(別名ニコチン酸) | シグマ アルドリッチ | N4126 | 培地試薬 |
| p-アミノ安息香酸 | フィッシャーサイエンティフィック | AC14621-2500 | 培地試薬 |
| ピリドキシン HCl | シグマ アルドリッチ | P9755 | 培地試薬 |
| リボフラビン | シグマ アルドリッチ | R4500-25G | 培地 |
| チアミン HCl | フィッシャーサイエンティフィック | BP892-100 | 媒体試薬 |
| ロイシン | シグマアルドリッチ | L8000-100G | 媒体試薬 |
| ウラシル | グマアルドリッチ | U0750 | 媒体試薬 |
| デキストロース | フィッシャーサイエンティフィック | DF0155-08-5 | 媒体試薬 |
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