February 19th, 2017
우리는 거꾸로 현미경으로 유출 물에 미생물의 문화와 정기적으로 이미지 세포를 조명하기 optogenetic 시스템과 함께 사용 연속 배양 장치를 설계했다. 조명 동적 응답은 며칠에 걸쳐 측정 될 수 있도록 배양 샘플링, 촬상 한 화상 분석이 완전 자동화된다.
이 절차의 전반적인 목표는 광유전 미생물의 조명에 대한 반응을 현미경으로 여러 날에 걸쳐 실시간으로 자동으로 측정할 수 있는 연속 배양 용기를 조립하는 것입니다. 이 방법은 동적 유전자 발현이 정적 유전자 발현과 다른 반응을 이끌어내는 방법과 같은 세포 생물학 및 대사 공학의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 방법의 주요 장점은 연속 배양을 통해 며칠 동안 측정값을 수집할 수 있다는 것입니다.
시작하려면 접지선, 데이터 라인 및 양극 볼륨을 납땜합니다.tag디지털 온도계의 e 라인을 인쇄 회로 기판에 연결합니다. 암 3핀 헤더에서 핀 하나를 잘라내고 나머지 두 핀을 자릅니다. 이것을 R2라고 표시된 한 쌍의 구멍에 납땜하고 핀 헤더에 4.7킬로 옴 저항을 삽입하여 납땜된 두 개의 핀을 연결합니다.
다음으로 나머지 구성 요소를 회로 기판에 연결합니다. 회로 기판을 마이크로 컨트롤러에 오버레이합니다. 차광 인클로저를 설정하고 함께 제공되는 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 모든 소프트웨어를 설치합니다.
먼저 개스킷을 통해 알루미늄 포트의 긴 끝을 배양 용기에 넣고 캡을 조입니다. 중간 직경의 실리콘 튜브로 하나의 짧은 알루미늄 포트 배출구를 덮습니다. 암 루어 잠금 장치를 삽입한 다음 수 루어 잠금 플러그를 연결하여 증류 끝을 막습니다.
이 콘센트는 보조용이며 사용하지 않습니다. 중간 직경의 실리콘 튜브로 된 두 개의 짧은 세그먼트를 수형 및 암형 루어 잠금 장치와 연결합니다. 그런 다음 한쪽 끝을 짧은 알루미늄 포트 콘센트에 연결하고 증류 끝을 막습니다.
이 튜브를 통해 혈관이 접종됩니다. 다음으로, 두 개의 중간 튜브를 중간 직경의 연동 튜브와 커넥터의 끝에 연결합니다. 한쪽 끝을 짧은 알루미늄 포트에 연결하고 다른 쪽 끝을 꽂습니다.
나중에 이것은 미디어 플라스크에 연결됩니다. 중간 직경의 실리콘 튜브를 가장 긴 알루미늄 포트에 연결합니다. 튜브는 미디어 플라스크에 도달할 수 있을 만큼 충분히 길어야 합니다.
몇 인치 길이의 다른 짧은 세그먼트를 끝까지 연결한 다음 미디어 플라스크의 고무 마개에 삽입합니다. 튜브를 고정합니다. 나중에 클램핑이 해제되면 이 연결을 통해 배양물을 혼합, 폭기 및 유입되는 기포에 의해 양압으로 유지할 수 있습니다.
플라스크 바닥에 닿을 만큼 충분히 긴 중간 직경의 튜브를 매체가 전달될 스토퍼에 삽입합니다. 이 튜브에 다른 중간 직경의 튜브를 연결한 다음 끝에 넓은 직경의 튜브를 연결합니다. 증류 끝을 막습니다.
스토퍼의 세 번째 구멍을 중간 직경 튜빙의 짧은 세그먼트로 채우고, 중간 직경 튜빙의 다른 두 세그먼트에 연결하고, 증류 말단에 막습니다. 이것은 진공 펌프에 연결되고 나중에 수족관 펌프에 연결됩니다. 좁은 직경의 실리콘 튜브 세그먼트에 수 루어 잠금 장치를 삽입한 다음 PTFE 튜브를 단단히 삽입합니다.
그런 다음 암 루어 잠금 장치를 중간 직경의 튜브에 부착합니다. PTFE 튜브를 따라 암 잠금 장치를 끼워 잠금 장치를 연결하고 다른 잠금 장치를 짧은 알루미늄 포트에 연결합니다. 배양 용기 내부의 PTFE 튜브가 두 번째로 긴 알루미늄 튜브 아래와 바닥 위에 매달려 있는지 확인합니다.
필요에 따라 다듬습니다. 여기에서 배지는 이미징 채널로 샘플링되며, 좁은 튜브는 중간 부피를 최소화합니다. 다음으로, 노출된 좁은 실리콘 튜브를 좁은 연동 튜브 및 커넥터에 연결합니다.
이에 3개의 좁은 직경 튜브 세그먼트와 2개의 PTFE 튜브 세그먼트를 교대로 연결합니다. 이것을 중간 직경의 튜브를 통해 폐수 플라스크에 연결합니다. 그런 다음 중간 직경의 실리콘 튜브의 한쪽 끝을 폐수 플라스크의 다른 쪽 끝에 있는 알루미늄 포트의 두 번째로 긴 튜브에 연결합니다.
이 알루미늄 튜브는 배양량을 설정하고 초과 배양물은 폐수 용기로 넘칩니다. 플라스크의 뚜껑을 알루미늄 호일로 감싼 다음 섭씨 30도 및 121PSI에서 15분 동안 어셈블리를 고압멸균합니다. 진공 필터를 100ml 병에 부착합니다.
니플 커버를 제거한 다음 멸균 핀셋으로 진공 필터 니플의 흰색 플러그를 제거합니다. 넓은 실리콘 튜브를 젖꼭지에 연결하고, 배지 플라스크의 다른 자유 튜브를 진공 펌프에 연결하고, 미디어 플라스크를 배양 용기에 연결하는 세 번째 튜브가 클램프로 닫혔는지 확인합니다. 필터에 매체를 채우고 진공 펌프를 켠 다음 나머지 매체를 필터링합니다.
Clamp 진공에 연결된 중간 실리콘 튜브를 닫고 진공 펌프를 끕니다. 진공 펌프에 연결된 중간 실리콘 튜브의 중간 세그먼트에서 루어를 제거하고 멸균 주사기 에어 필터의 파란색 끝을 이 튜브에 삽입합니다. 그런 다음 넓은 실리콘 튜브를 고정하고 수컷 루어를 분리합니다.
배양 용기의 매체 주입 튜브의 암 루어에서 플러그를 분리합니다. 이러한 루어를 연결하여 배지를 배양 용기로 펌핑할 수 있습니다. 그런 다음 100ml 병에서 필터를 제거하고 병 뚜껑을 부착합니다.
이 배지를 사용하여 스타터 배양을 준비합니다. 연속 배양 어셈블리를 현미경 근처에 놓고 배지 플라스크는 배양 용기보다 높고 유출 플라스크는 배양 용기보다 낮게 하여 역류를 방지합니다. 미디어와 폐수 플라스크의 고무 마개를 테이프로 단단히 감습니다.
그런 다음 PTFE 튜브를 연결하는 좁은 실리콘 튜브에서 PTFE 튜브의 끝을 뽑고 이 끝을 준비된 미세유체 장치의 입구와 출구에 꽂습니다. 그런 다음 주사기 에어 필터의 흰색 끝을 수족관 펌프에 연결하여 배지를 배양 용기로 밀어 넣습니다. 매체가 폐수 포트 수준에 도달하면 중간 매체 주입구 튜브와 커넥터를 저속 연동 펌프 주위로 감싸고 좁은 샘플 배출구 튜브와 커넥터를 고속 연동 펌프 주위로 감쌉니다.
미디어 플라스크와 배양 용기 사이의 공기 튜브를 풀어 미디어를 폭기합니다. 그런 다음 가열 패드와 온도계를 배양 용기에 테이프로 붙여서 온도를 제어할 수 있습니다. 배양 용기 주위에 배지 튜브를 감아 넣는 매체가 용기와 동일한 온도가 되도록 합니다.
그런 다음 배양 용기를 LED 매트릭스 위의 검은색 폼 인클로저에 삽입하고 튜브가 끼이지 않았는지 확인합니다. 바이오리액터 컨트롤러 플러그인을 사용하여 30초 간격의 10분의 1 동안 느린 미디어 펌프를 켭니다. 유속은 매우 낮지만 증발 속도보다 큽니다.
Clamp 미디어 플라스크와 배양 용기 사이에 들어오는 공기 튜브를 넣습니다. 피펫을 사용하여 종균 배양에서 1ml를 배양 용기에 접종합니다. 그런 다음 이 튜브의 증류 끝을 고정하고 공기 튜브를 언클램프합니다.
하룻밤 사이에 문화가 자라나게 하십시오. 빛이 들어오지 않도록 인클로저를 덮습니다. 다음 날, bioreactor 컨트롤러 플러그인을 사용하여 연동 펌프가 원하는 매체 및 샘플링 유량에 따라 더 많은 시간 동안 회전하도록 설정합니다.
배양 밀도가 하룻밤 사이에 평형을 이루도록 합니다. 다음 날, 스테이지 위치 목록과 마이크로 매니저를 미세유체 채널로 펌핑된 세포가 초점면에 있을 겹치지 않는 위치 세트로 채웁니다. 그런 다음 바이오 반응기 컨트롤러 플러그인을 엽니다.
프롬프트에서 원하는 LED 매트릭스 시간 경과, 이미징 채널 및 기타 실험 설정을 선택한 다음 데이터 수집을 시작합니다. 이 장치는 유도 가능한 광유전학적 전사 시스템을 통해 청색광에 반응하여 노란색 형광 단백질을 발현하는 saccharomyces cerevisiae의 배양을 자극하는 데 사용되었습니다. 미세유체 채널의 염기 대비 및 형광 이미지를 획득했습니다.
위상차 이미지에서 세포 윤곽을 식별하고, 형광 이미지에 매핑하고, 형광 이미지를 실시간으로 기록했습니다. 여기의 히트 맵은 광유전학 시스템의 활성화에 따른 노란색 형광 단백질 생산으로 인한 배양물의 형광 분포를 보여줍니다. 대략 170의 000의 세포의 형광은 30 의 000의 심상 이상에서 분석되고, 70 시간 이상 28의 단계 위치에서 취득되었다.
이 연구 기간 동안 배양물은 6시간 간격으로 다양한 강도의 청색광에 노출된 후 6시간 동안 완전한 암흑에 노출되었습니다. 세포는 첫 번째 측정 전에 빛에 노출되었기 때문에 첫 번째 암흑 기간 동안 형광 강도가 감소하고 있습니다. 이 기술을 숙달하면 제대로 수행되면 3일 동안 8시간 안에 완료할 수 있습니다.
이 절차를 시도하는 동안 멸균 기술을 사용하는 것이 매우 중요합니다. 이 절차에 따라 실시간 피드백 제어와 같은 다른 방법을 사용하여 단백질 농도를 제어할 수 있습니다. 이 기술을 사용하면 광유전학적 구조를 가진 유기체를 플레이트 또는 배치 배양을 사용하여 가능한 것보다 더 오랜 기간에 걸쳐 동적으로 연구할 수 있습니다.
이 비디오를 시청한 후에는 연속 배양 장치, 조명 및 현미경을 통합하여 광유전학적 미생물을 자극하고 연구하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.
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이 연구는 광유전학 시스템을 위해 설계된 지속적인 배양 장치를 제시하며, 미생물 배양에 조명을 비추고 수일에 걸쳐 세포의 자동화된 이미징을 가능하게 합니다. 이 시스템을 통해 광 노출에 대한 동적 반응을 실시간으로 측정할 수 있습니다.
This automated culturing system enables prolonged, real-time monitoring of optogenetic microbial responses, addressing a key challenge in metabolic engineering: linking dynamic gene expression to phenotypic outcomes over extended periods. By integrating programmable illumination with continuous culture and automated imaging, the platform supports mechanistic de-risking of synthetic biology constructs before scale-up. The ability to quantify fluorescence and morphology across thousands of cells over multiple days enhances predictive confidence in strain performance under industrially relevant conditions.
The system fits within the discovery-to-preclinical continuum, supporting hypothesis testing in early discovery, assay readiness in screening, and phenotypic validation in translational research through real-time, longitudinal data capture.