このプロトコルは、微生物微小液滴培養システム(MMC)を使用して、自動微生物培養および適応進化を行う方法を説明しています。MMCは、微生物を自動的かつ継続的に培養および再培養し、比較的高いスループットと良好な並列化で微生物の成長をオンラインで監視し、労力と試薬の消費を削減することができます。
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このプロトコルは、微生物微小液滴培養システム(MMC)を使用して、自動微生物培養および適応進化を行う方法を説明しています。MMCは、微生物を自動的かつ継続的に培養および再培養し、比較的高いスループットと良好な並列化で微生物の成長をオンラインで監視し、労力と試薬の消費を削減することができます。
従来の微生物培養方法は、通常、煩雑な操作、低スループット、低効率、および労力および試薬の大量消費を有する。また、近年開発されたマイクロプレートベースのハイスループット培養法は、溶存酸素が低く、混合性が悪く、蒸発や熱の影響が激しいため、微生物の生育状況や実験の並列化が劣っています。小容量、高スループット、強力な制御性などの微小液滴の多くの利点により、液滴ベースのマイクロ流体技術は、ハイスループット微生物培養、スクリーニング、および進化の多くの種類の研究に使用されているこれらの問題を克服することができます。しかし、ほとんどの先行研究は実験室の建設と応用の段階にとどまっています。高い運用要件、高い建設難易度、自動統合技術の欠如などのいくつかの重要な問題は、微生物研究における液滴マイクロ流体技術の幅広い適用を制限しています。ここでは、液滴マイクロ流体技術をベースとした自動微生物微小液滴培養システム(MMC)の開発に成功し、微生物液滴培養の過程で必要な接種、培養、オンラインモニタリング、副耕栽培、選別、サンプリングなどの機能の統合を実現しました。本プロトコールでは、野生型大腸菌(E. coli)MG1655とメタノール必須大腸菌株(MeSV2.2)を例にとり、MMCを用いて自動化された比較的ハイスループットな微生物培養と適応進化を行う方法を詳細に紹介した。この方法は、操作が容易であり、労力および試薬の消費が少なく、高い実験スループットおよび良好なデータ並列性を有し、従来の培養方法と比較して大きな利点を有する。これは、科学研究者が関連する微生物研究を行うための低コストで操作に優しく、結果信頼性の高い実験プラットフォームを提供します。
微生物培養は、微生物の単離、同定、再構成、スクリーニング、および進化に広く使用されている微生物学的科学的研究および産業応用のための重要な基盤である1,2,3。従来の微生物培養方法は、主に試験管、振とうフラスコ、固体プレートを培養容器として使用し、振とう培養器、分光光度計、マイクロプレートリーダーなどの微生物培養・検出・スクリーニング装置と組み合わせていました。しかしながら、これらの方法は、煩雑な操作、低スループット、低効率、および労力および試薬の大量消費など、多くの問題を有する。近年開発されているハイスループット栽培法は、主にマイクロプレートをベースとしています。しかし、マイクロプレートは、低レベルの溶存酸素、貧弱な混合特性、および重度の蒸発および熱効果を有し、これはしばしば微生物の増殖状態および実験並列化をもたらす4,5,6,7;一方、自動栽培とプロセス検出を達成するためには、液体処理ワークステーションやマイクロプレートリーダーなどの高価な機器を装備する必要があります8,9。
マイクロ流体技術の重要な分野として、液滴マイクロ流体は、従来の連続流マイクロ流体システムに基づいて近年開発されている。これは、2つの非混和性液相(通常は油水)を使用して分散マイクロ液滴を生成し、それらを操作する離散流マイクロ流体技術です10。微小液滴は、小体積、大比表面積、高い内部物質移動速度、区画化による交差汚染がないという特徴と、液滴の強力な制御性と高スループットの利点を有するため、微生物のハイスループット培養、スクリーニング、進化に液滴マイクロ流体技術を適用した多くの種類の研究が行われています11.しかし、液滴マイクロ流体技術を普及させ、広く適用するための一連の重要な課題がまだあります。第一に、液滴マイクロフルイディクスの操作は煩雑で複雑であり、オペレータにとって高い技術的要件をもたらす。第二に、液滴マイクロ流体技術は、光学、機械、および電気コンポーネントを組み合わせており、バイオテクノロジーの応用シナリオに関連付ける必要があります。学際的なコラボレーションがなければ、単一の研究室やチームが効率的な液滴マイクロ流体制御システムを構築することは困難です。第3に、微小液滴量(ピコリター(pL)からマイクロリットル(μL)まで)が少ないため、転耕栽培、選別、サンプリングなどのいくつかの基本的な微生物操作において、液滴の正確な自動制御とリアルタイムのオンライン検出を実現することは非常に困難であり、統合機器システム12を構築することも困難である。
上記課題に対処するため、液滴マイクロ流体技術13に基づく微生物自動微小液滴培養システム(MMC)の開発に成功した。MMCは、液滴認識モジュール、液滴スペクトル検出モジュール、マイクロ流体チップモジュール、サンプリングモジュールの4つの機能モジュールで構成されています。すべてのモジュールのシステム統合と制御により、液滴の生成、培養、測定(光学密度(OD)と蛍光)、分割、融合、選別などの自動操作システムを正確に確立し、微生物液滴培養の過程で必要な接種、培養、監視、副耕作、選別、サンプリングなどの機能の統合を実現します。MMCは、2〜3μL容量の200複製液滴培養ユニットまで保持することができ、これは200シェイクフラスコ栽培ユニットに相当する。微小液滴培養システムは、微生物の増殖中の非汚染、溶存酸素、混合、および質量エネルギー交換の要件を満たすことができ、成長曲線測定、適応進化、単一因子マルチレベル分析、代謝産物研究および分析(蛍光検出に基づく)13,14などの複数の統合機能を通じて微生物研究のさまざまなニーズを満たすことができます。
ここでは、MMCを使用して自動微生物培養と適応進化を行う方法を詳細に紹介しています(図1)。増殖曲線測定を実証するために野生型大腸菌(E. coli)MG1655を例にとり、MMCにおける適応進化を実証するためにメタノール必須大腸菌株MeSV2.215を採った。MMC用の操作ソフトウェアを開発し、操作を非常に簡単で明確にしました。全プロセスにおいて、ユーザーは最初の細菌溶液を調製し、MMCの条件を設定し、次いで細菌溶液および関連試薬をMMCに注入する必要がある。その後、MMCは液滴生成、認識とナンバリング、栽培、適応進化などの操作を自動的に実行します。また、液滴のオンライン検出(ODおよび蛍光)を高い時間分解能で実行し、関連データ(エクスポート可能)をソフトウェアに表示します。操作者は、結果に応じていつでも培養工程を停止し、その後の実験のために標的液滴を抽出することができる。MMCは操作が容易で、労力と試薬の消費が少なく、比較的高い実験スループットと良好なデータ並列性を有し、従来の培養方法と比較して大きな利点を有する。これは、研究者が関連する微生物研究を行うための低コストで操作に優しく、堅牢な実験プラットフォームを提供します。
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1. 機器とソフトウェアのインストール
2. 準備
3. MMCにおける成長曲線測定
4. MMCにおける適応進化

5. MMCのクリーン化
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このプロトコルは 、大腸菌 MG1655およびMeSV2.2株を例として使用し、MMCにおける自動化された比較的高スループット戦略による微生物培養およびメタノール必須の適応進化を実証する。成長曲線測定は、主に微生物培養を特徴付けるために使用された。適応進化は、自動連続継耕栽培により行い、各継代培養中に選択圧として高濃度のメタノールを添加した。適応進化が実現したか否かは、各副耕作期間中の液滴の最大OD値の変動傾向から推定した。MMC のチューナブル・パラメーターおよび精度パラメーターを 表 2 に示します。
成長曲線測定結果
培養工程中に検出された15滴のOD600 値を、約20時間培養した後にMMCから輸出した(図5A)。検出は約14分ごとに行われたことが観察できる。この検出期間は、液滴が培養用チューブ内を行き来するため発生する液滴の数に依存し、検出モジュールは、液滴が光ファイ...
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このプロトコルは、微生物微小液滴培養システム(MMC)を使用して、自動微生物培養および長期的な適応進化を実行する方法を提示する。MMCは、小型化、自動化、ハイスループットの微生物培養システムです。従来の微生物ハイスループット培養方法や機器と比較して、MMCは、低労力および試薬消費、簡単な操作、オンライン検出(ODおよび蛍光)、高時間分解能データ収集、および優れた並列化などの多くの利点を有する。MMCはまた、通常pLおよびnL液滴を使用する従来の液滴マイクロ流体技術とは異なるいくつかの特別な利点を有する。pLおよびnL液滴を使用した以前に報告されたほとんどのシステムは、培養性能が低く、検出可能なパラメータがほとんどなく(通常は蛍光のみ)、18、19、20、21。より良い栽培性能と複数のパラメータ検出を実現できるプラットフォームはいくつかありましたが、それは困難であり、多くの労力を必要と...
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著者らは開示するものは何もありません。
この研究は、中国国家基幹研究開発プログラム(2018YFA0901500)、中国国家自然科学財団国家基幹科学機器プロジェクト(21627812)、清華大学イニシアチブ科学研究プログラム(20161080108)の支援を受けた。我々はまた、メタノール必須 大腸菌 株バージョン2.2(MeSV2.2)の提供について、ジュリア・A・フォルホルト教授(微生物学研究所、生物学部、ETHチューリッヒ、チューリッヒ8093、スイス)にも感謝する。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 0.22 以上 μ;m PVDFフィルターメンブレン | Merck Millipore Ltd. | SLGPR33RB | MMCオイルを滅菌 |
| 4°C;C冷蔵庫 | ハイアール | BCD-289BSW | 試薬保管用 |
| 寒天 | ベクトン、ディキンソン・アンド・カンパニー | 214010 | 固体板調製用 |
| CaCl2·2H2O | Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd. | 20011160 | MeSV2.2用の特殊媒体のコンポーネント。 |
| クリーンベンチ | 北京東蓮Har楽器製造有限公司 | DL-CJ-INDII | 無菌運転およびUV滅菌用 |
| CoCl2·6H2O | Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd. | 10007216 | MeSV2.2用の特殊媒体のコンポーネントです。 |
| コンピュータ | レノボ | E450 | ソフトウェアのインストールとMMC制御 |
| 恒温インキュベーター | 上海七新科学機器有限公司 | LRH 250 | 固体培地を使用した微生物培養用 |
| CuSO4·5H2O | Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd. | 10008218 | MeSV2.2用の特殊媒体のコンポーネントです。 |
| 電子天びん | オーハウス | AR 3130 | 試薬計量用 |
| EPチューブ | サーモフィッシャー | 1.5 mL | 液滴収集用 |
| FeCl3·6H2O | Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd. | 10011928 | MeSV2.2用の特殊媒体のコンポーネント。 |
| 凍結チューブ | サーモフィッシャー | 2.0 mL | 菌株保存用 |
| グルコン酸 | Sigma-Aldrich | S2054 | MeSV2.2 用特殊培地の成分です。 |
| グリセロール | 一般試薬 | G66258A | 菌株保存用 |
| 高圧蒸気滅菌ポット | 三洋電 | 機MLS3020 | オートクレーブ滅菌用 |
| イソプロピル-β;-d-チオガラクトピラノシド(IPTG) | バイオトッピング | 420322 | MeSV2.2用特殊培地の成分です。 |
| 硫酸カナマイシン | Solarbio | K8020 | MeSV2.2 用の特殊媒体のコンポーネント。 |
| KH2PO4 | MACKLIN | P815661 | MeSV2.2用特殊媒体のコンポーネントです。 |
| メタノール | マックリン | M813895 | MeSV2.2用の特殊媒体の成分です。 |
| MgSO4·7H2O | BIOBYING | 1305715 | MeSV2.2用の特殊媒体のコンポーネント。 |
| 微生物微小液滴培養システム(MMC) | 洛陽TMAXTREEバイオテクノロジー株式会社 | MMC-I | 成長曲線の決定と適応進化を行います。 |
| http://www.tmaxtree.com/en/index.php?v=news&id=110 マイクロ流体チップ | Luoyang TMAXTREE Biotechnology Co.、Ltd | MMC-ALE-OD | 様々な液滴操作用。http://www.tmaxtree.com/en/ |
| MMCオイル | 洛陽TMAXTREEバイオテクノロジー株式会社を参照してください。 | MMC-M/S-OD | 液滴マイクロ流体工学の油相。http://www.tmaxtree.com/en/ |
| MnCl2 | Sinopharm化学試薬北京有限公司を参照してください。 | 20026118 | MeSV2.2用の特殊媒体のコンポーネント。 |
| NaCl | 一般試薬 | G81793J LB 培地の成分 | |
| Na2HPO4·12H2O | 汎用試薬 | MeSV2.2用特殊媒体の成分です。 | |
| NH4Cl | Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd. | 10001518 | MeSV2.2用の特殊媒体のコンポーネント。 |
| ペトリ皿 | コーニング社 | 90 mm | 中実質ピ |
| ペット | エッペンドルフ | 2.5 μL、10 μL、100μL、1000μL | リキッドハンドリング用 |
| クイックコネクタA | 洛陽TMAXTREEバイオテクノロジー株式会社 | — | 各ジョイントの接続用。http://www.tmaxtree.com/en/ |
| 試薬ボトル | 洛陽TMAXTREEバイオテクノロジー株式会社を参照してください。 | MMC-PCB | バクテリア溶液および試薬のサンプリングと保管。http://www.tmaxtree.com/en/ |
| シェイクフラスコ | Union-Biotech50 | mL | 培養用 |
| 振とうインキュベーターShanghai | Sukun Industrial Co.、Ltd.を参照してください。 | SKY-210 2B | 振とうフラスコでの微生物培養用 |
| 硫酸ストレプトマイシン | Solarbio | S8290 | MeSV2.2用の特殊培地の成分。 |
| シリンジ | JIANGSU ZHIYU MEDICAL INSTRUCTMENT CO., LTD | 10 mL | 液体を引き出し、試薬ボトルに注入 |
| シリンジニードル | OUBEL Hardware Store | 22G | 内径は0.41mm、外径は0.71mmです。 |
| トリプトン | オキソイド株式会社 | LP0042 | LB中 |
| 型超低温冷凍機 | SANYO超低 | MDF-U4086S | 保存用(-80°C;C) |
| UV–Vis分光光度計 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニー | Ultrospec 3100 pro | OD値の測定用 |
| ビタミンB1 | Solarbio | SV8080 | MeSV2.2用の特殊媒体の成分。 |
| 酵母エキス | オキソイド(株) | LP0021 | LB中 |
| の成分 ZnSO4·7H2O | Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co., Ltd. | 10024018 | MeSV2.2用の特殊媒体のコンポーネント。 |
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