December 6th, 2013
이 프로토콜에서는 원핵 생물의 단일 세포 분석을 위한 미세유체 피콜리터 생물반응기(PLBR)의 제작, 설정 및 기본 작동이 소개됩니다. 산업적으로 관련된 미생물을 원리 증명으로 분석하여 기존 방법으로는 거의 불가능했던 특정 기간 동안의 성장 속도, 형태 및 표현형 이질성에 대한 통찰력을 얻을
수 있었습니다.이 절차의 전반적인 목표는 미세유체 배양 장치를 사용하여 일정한 환경 조건에서 완전한 공간 및 시간 해상도로 단일 박테리아와 진화하는 동종 미세군체를 분석하는 것입니다. 이것은 먼저 CAD 소프트웨어를 사용하여 미세유체 배양 시스템을 설계함으로써 달성됩니다. 다음으로, 일회용 미세유체 배양 장치는 박테리아를 단층 성장으로 제한하기 위해 피코리터 생물 반응기, 1미크론 및 높이를 포함하는 폴리디메틸실록산으로 제작됩니다.
그런 다음 미생물 배양액을 미세유체 장치에 주입하여 생물반응기 내의 단일 모세포를 접종합니다. 이러한 세포는 시스템을 통해 성장 배지를 지속적으로 주입하여 확장됩니다. 결과는 산업적으로 관련된 Corynebacterium glutamicum 균주의 배양, 성장 데이터 및 세포-세포 이질성을 보여주는 자동화된 타임 랩스 현미경에서 얻어집니다.
기존 생명공학에서 대부분의 분석은 평균 데이터를 기반으로 합니다. 당사의 미세유체역학 장치는 공간적 및 시간적 해상도로 개별 박테리아의 단일 세포 분석을 용이하게 합니다. 동종 소군집(isogenic microcolonies)의 세포 간 이질성을 자세히 살펴보는 데 유용한 도구입니다.
우리는 일반적인 SU-8 포토리소그래피 및 폴리디메틸실록산 칩 성형을 적용하여 마이크로 미디어 해상도 미만의 일회용 미세유체 장치를 제조합니다. 우리는 Escherichia coli 및 Corynebacterium glutamicum과 같은 여러 생명 공학 미생물에 대한 기술을 성공적으로 입증했습니다. 시작하려면 CAD 소프트웨어를 사용하여 미세유체 장치를 설계합니다.
이 프로토콜에 제시된 설계는 2개의 시딩 주입구, 2개의 서로 다른 기질을 혼합하기 위한 그래디언트 생성기, 1개의 배출구 및 각각 5개의 바이오 반응기로 구성된 6개의 어레이로 구성됩니다. 클린룸에서 4인치 실리콘 웨이퍼를 준비하고 함께 제공되는 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 1미크론의 SU-8 2000.5 포토레지스트를 웨이퍼에 스핀 코드로 만듭니다. 코팅된 웨이퍼를 섭씨 95도의 핫 플레이트에 올려 놓고 과도한 용매를 제거한 다음 피코리터 반응기의 트래핑 영역과 코팅된 웨이퍼로 구성된 1차 레이어 포토 마스크를 마스크 정렬기 내부에 삽입합니다.
그런 다음 진공 접촉 모드에서 웨이퍼를 350-400나노미터 빛에 제곱센티미터당 7밀리와트의 강도로 3초 동안 노출시킵니다. SU-8의 중합을 시작하기 위해 섭씨 95도의 레벨 핫 플레이트에서 노출 후 베이크를 수행합니다. 다음으로, 웨이퍼를 SU-8 현상액에 1분 동안 넣은 다음 몇 초 동안 새로운 SU-8 현상액이 있는 두 번째 용기에 웨이퍼를 옮깁니다.
웨이퍼를 이소프로판올로 헹구어 SU-8 현상액을 제거하고 질소 흐름 또는 웨이퍼 스피너를 사용하여 웨이퍼를 건조시킵니다. 그런 다음 웨이퍼를 섭씨 10도에서 150분 동안 하드 베이킹합니다. 다음으로, 마스터 몰드를 완성하기 위해 함께 제공되는 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 두 번째 레이어를 제작합니다.
베이스와 운반제를 10:1 비율로 혼합하여 PDMS 칩 제조를 시작합니다. 모든 기포가 사라질 때까지 진공 데시케이터 내에서 약 30분 동안 PDMS 혼합물의 가스를 제거합니다. 다음으로, SU-8 웨이퍼를 성형 장치에 넣고 PDMS 혼합물의 3mm 층을 웨이퍼에 붓습니다.
그런 다음 PDMS를 오븐에서 섭씨 80도에서 3시간 동안 굽습니다. 냉각되면 웨이퍼에서 PDMS 슬래브를 조심스럽게 벗겨내고 깨끗하고 날카로운 메스를 사용하여 슬래브를 단일 칩으로 자릅니다. n-pentane bath에서 90분 동안 칩을 씻은 다음 90분 동안 두 번의 아세톤 세척 목욕을 합니다.
칩을 밤새 건조시켜 용매 잔여물을 제거하십시오. 실험 직전에 튜브를 PDMS 칩과 연결하는 데 사용되는 커넥터보다 약간 작은 직경의 바늘 또는 구멍 펀처를 사용하여 PDMS 칩에 입구 및 출구 구멍을 펀칭합니다. 다음으로, 이소프로판올로 미세유체 PDMS 칩을 조심스럽게 청소하고 스카치 테이프를 사용하여 달라붙는 먼지 입자를 제거합니다.
또한 170미크론 얇은 유리 슬라이드를 먼저 아세톤, 이소프로판올, 탈이온수로 청소하고 질소 흐름으로 슬라이드를 건조시킵니다. 세척 및 건조가 완료되면 플라즈마는 50W의 출력과 20sccm의 산소 유량을 사용하여 25초 동안 유리 슬라이드와 PDMS 칩을 산화합니다. 그런 다음 PDMS를 유리에 놓기 전에 PDMS와 유리 칩을 조심스럽게 정렬하면 몇 초 안에 접착됩니다.
섭씨 80도에서 10초 동안 설정을 베이킹하여 본드를 고정합니다. 칩 실험을 위해 박테리아를 준비하려면 C.glutamicum과 같은 원하는 박테리아 균주의 단일 콜로니를 20ml의 새로운 BHI 배지에 접종하고 120RPM의 회전식 셰이커에서 섭씨 30도에서 밤새 배양합니다. 다음날 아침, 10마이크로리터의 스타터 배양액을 20밀리리터의 원하는 배지를 함유한 두 번째 배양액으로 옮기고 동일한 조건에서 세포를 밤새 성장시킵니다.
다음 날, 도립 현미경의 인큐베이터를 섭씨 30도로 예열합니다. 개별 설정에 따라 최대 2시간이 걸릴 수 있습니다. 설정이 예열되는 동안 인큐베이터를 열고 원하는 대물렌즈를 선택하고 필요한 장착 매체로 준비합니다.
그런 다음 칩 홀더 내부에 칩을 장착하고 제자리에 고정합니다. 샘플을 현미경의 중앙에 놓고 picoliter bioreactor 어레이에 초점을 맞춥니다. 칩에 초점을 맞춘 상태에서 입구와 출구를 적절한 튜브로 연결한 다음 출구 튜브를 폐기물 저장소에 넣습니다.
다음으로, 주사기에 새로운 매체를 채우고, 주사기 펌프에 넣고, 칩을 프라이밍하기 위해 분당 200나노리터의 유속으로 1시간 동안 미세유체 채널을 헹굽니다. 세포가 아직 초기 기하급수적 성장 단계에 있는 동안 박테리아 배양액 1ml를 멸균 주사기로 옮기고 주사기와 배지가 들어 있는 튜브를 세포 현탁액과 새 튜브로 교체합니다. 대부분의 피코리터 생물반응기가 채워질 때까지 분당 200나노리터의 체적 유량으로 세포 현탁액을 채널에 주입합니다.
적은 수의 생물 반응기 만 채워지면 유속을 분당 800-1200 나노 리터로 높입니다. 원하는 양의 세포가 파종되면 세포 현탁액을 분리하고 성장 배지를 칩에 다시 연결한 다음 분당 100나노리터의 속도로 새 배지로 관류합니다. 다음으로, 칩을 스캔하고 타임 랩스 이미징을 위한 특정 생물반응기를 선택합니다.
그런 다음 처음부터 끝까지 바이오리액터를 이미징하고 실험을 시작하기 위해 타임 랩스(time-lapse) 현미경 시퀀스를 구성합니다. 모든 피코리터 생물반응기가 무성하게 자라면 실험을 중단하고 칩을 적절하게 폐기합니다. 분석을 시작하려면 먼저 어떤 생물반응기가 모 세포의 수 및 위치와 같은 실험에 대해 원하는 모든 기준을 충족하는지 확인합니다.
이미지 J와 같은 분석 프로그램을 사용하여 각 시점에서 세포 수를 계수하여 각 미세군집의 성장 속도를 결정합니다. 셀 번호의 로그 대비 시간을 플로팅하여 최대 성장률을 계산합니다. 여기에 제시된 시스템은 성장, 형태 또는 형광 신호와 같은 다양한 생물학적 매개변수와 관련하여 다양한 박테리아 종을 연구하는 데 적용할 수 있습니다.
이 예시에서, C.glutamicum은 표준 배양 조건에서 배양되었으며 3개의 동종 소군체에서 파생된 결과 성장 곡선이 여기에 나와 있습니다. picoliter bioreactors는 또한 여기에 표시된 바와 같이 타임 랩스 형광 현미경을 사용하여 단백질 생산에 접근하는 데 유용한 것으로 입증되었습니다. 세포를 낮은 농도의 단백질 유도제인 IPTG에 노출시킴으로써, 단백질의 세포 간 변이는 단일 모세포에서 시작하여 콜로니 내의 단일 세포 수준에서 연구할 수 있습니다.
입증된 기술은 완벽한 환경 제어로 단일 박테리아 세포를 모니터링하고 분석하는 데 적용할 수 있습니다. 이는 기존의 벤치 스케일 재배 시스템으로는 거의 불가능합니다. 이 동영상을 시청한 후에는 유사한 단일 세포 분석을 수행하기 위해 미세유체 배양 칩을 준비하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.
이 프로토콜은 원핵 미생물의 단일 세포 분석을 위한 마이크로플루이딕 피코리터 바이오리액터(PLBR)의 제작 및 운영을 소개합니다. 산업적으로 관련된 미생물의 성장 속도, 형태 및 표현형 이질성에 대한 통찰을 제시합니다.
This microfluidic picoliter bioreactor enables single-cell analysis of microbial strains under tightly controlled environmental conditions, addressing a critical gap in phenotypic screening where population averages mask strain heterogeneity. By resolving growth dynamics, morphology, and stress responses at the single-cell level, the platform supports target validation and lead identification in antimicrobial development and strain engineering programs. The system’s compatibility with time-lapse fluorescence microscopy allows real-time monitoring of metabolite or protein production, providing predictive confidence in strain performance before scale-up.
The microfluidic picoliter bioreactor fits within the early discovery workflow, enabling hypothesis-driven strain characterization prior to lead identification and preclinical optimization.