Biofilmy są bardzo udaną adaptacją mikroorganizmów do stylu życia, a te powiązane z interfazami i zamknięte w matrycy społeczności mikroorganizmów dominują w życiu mikrobiologicznym w środowisku naturalnym i przemysłowym1,2. Tam biofilmy tworzą złożone architektury, takie jak wydłużone serpentyny3, ripples4 lub grzybopodobne czapki5 z ważnymi konsekwencjami dla wzrostu biofilmu, stabilności strukturalnej i odporności na stres6. Podczas gdy wiele na temat różnicowania strukturalnego biofilmu dowiedzieliśmy się z prac nad kulturami monogatunkowymi hodowanymi w miniaturowych komorach przepływowych, większość biofilmów to bardzo złożone zbiorowiska, często obejmujące członków wszystkich domen życia6. Docenianie tych złożonych biofilmów jako krajobrazów mikrobiologicznych7 oraz zrozumienie, w jaki sposób struktura i funkcja biofilmu oddziałują na siebie w złożonych społecznościach, jest zatem w czołówce badań nad biofilmem.
Mechanistyczne zrozumienie morfogenezy złożonych biofilmów w odpowiedzi na sygnały środowiskowe wymaga starannie zaprojektowanych eksperymentów w połączeniu z przestrzennie i czasowo rozwiązanymi obserwacjami struktury fizycznej biofilmu w odpowiednich skalach8. Jednak nieniszcząca obserwacja wzrostu biofilmu w systemach eksperymentalnych została poważnie ograniczona przez ograniczenia logistyczne, takie jak konieczność przenoszenia próbek (np. do mikroskopu), które często uszkadzały delikatną strukturę biofilmu.
Przedstawiony tutaj protokół wprowadza w pełni zautomatyzowany system oparty na optycznej koherentnej tomografii (OCT), który pozwala na in-situ, nieinwazyjne monitorowanie morfogenezy biofilmu w mezoskali (zakres mm). OCT to nowa technika obrazowania w badaniach nad biofilmem z zastosowaniami w badaniach nad uzdatnianiem wody i biofoulingiem, medicine9 i stream ecology10. W KTZ źródło światła o niskiej koherencji jest dzielone na próbkę i ramię odniesienia; Analizowana jest interferencja światła odbitego i rozproszonego przez biofilm (ramię próbki) oraz światło ramienia referencyjnego. Seria profili intensywności osiowej (A-skany), która zawiera informacje strukturalne o rozdzielczości głębokościowej, jest pozyskiwana i łączona w B-scan (przekrój poprzeczny). Seria sąsiadujących ze sobą B-skanów składa się na końcowy skan woluminu 3D10. OCT zapewnia boczną rozdzielczość optyczną w zakresie około 10 μm i dlatego dobrze nadaje się do badania mezoskopowego zróżnicowania strukturalnego biofilmów10,12. Bardziej szczegółowy opis OCT można znaleźć w artykułach Drexler i Fujimoto13oraz Fercher and associate14. Chociaż pole widzenia pojedynczego skanu xy OCT sięga nawet setek mikrometrów kwadratowych, wzorce na większą skalę nie mogą być określone ilościowo za pomocą OCT w jednym skanie. W odniesieniu do biofilmów w naturalnych siedliskach, takich jak strumienie i rzeki, ogranicza to obecnie naszą zdolność do oceny morfogenezy biofilmu w skali odpowiadającej fizycznemu i hydraulicznemu szablonowi siedliska.
Aby przekroczyć te limity przestrzenne i automatycznie uzyskać skany OCT, na 3-osiowym systemie pozycjonowania zamontowano sondę do obrazowania OCT w domenie spektralnej. Instalacja pozwala na akwizycję kilku skanów OCT w nakładającym się wzorze mozaiki (skan płytek), skutecznie uzyskując obrazowanie tomograficzne powierzchni do 100cm2. Co więcej, wysoka precyzja pozycjonowania tego systemu umożliwia niezawodne monitorowanie wzrostu i rozwoju cech biofilmu w określonych miejscach podczas długotrwałych eksperymentów. System jest modułowy, a poszczególne elementy (tj. urządzenie pozycjonujące i OCT) instalacji mogą być stosowane jako samodzielne rozwiązania lub elastycznie łączone. Rysunek 1 przedstawia przegląd komponentów sprzętowych i programowych instalacji.
System został przetestowany za pomocą dostępnego na rynku urządzenia do pozycjonowania CNC sterowanego przez GRBL (Tabela Materiałów). Odległości robocze tej specyficznej platformy pozycjonującej wynoszą 600×840×140 mm, z dokładnością wskazaną przez producenta +/- 0,05 mm i programowalną rozdzielczością 0,005 mm. GRBL to open-source (licencja GPLv3), wysokowydajne sterowanie ruchem dla urządzeń CNC. Dlatego każde urządzenie pozycjonujące oparte na GRBL (wersja > 1.1) powinno być zgodne z przedstawionymi tutaj wytycznymi i pakietami oprogramowania. Co więcej, oprogramowanie można dostosować do innych sterowników silników krokowych z typem wejścia STEP-DIR z niewielkimi modyfikacjami.
Urządzenie OCT używane do oceny wydajności systemu (Tabela Materiałów) posiada źródło światła o niskiej koherencji z centralną długością fali 930 nm (szerokość pasma = 160 nm) i regulowaną długością ramienia referencyjnego oraz intensywnością. W przedstawionym przykładzie zastosowano również adapter zanurzeniowy do zanurzania sondy OCT w płynącej wodzie (Tabela Materiałów). Opracowany tutaj pakiet oprogramowania do automatycznego pozyskiwania skanów OCT zależy krytycznie od SDK dostarczonego wraz z konkretnym systemem OCT, jednak systemy OCT tego samego producenta z różnymi soczewkami skanującymi i centralnymi długościami fal powinny być łatwo kompatybilne.
Urządzenie GRBL jest kontrolowane przez serwer WWW zainstalowany na komputerze jednopłytkowym (Rysunek 1). Zapewnia to zdalną kontrolę nad urządzeniem z dowolnego komputera z siecią lokalną lub dostępem do Internetu. Urządzenie OCT jest sterowane przez oddzielny komputer, co pozwala na działanie systemu OCT niezależnie od zautomatyzowanej konfiguracji eksperymentalnej. Wreszcie, pakiety oprogramowania zawierają biblioteki do synchronizacji pozycjonowania sondy OCT i akwizycji skanów OCT (tj. do automatycznego pozyskiwania zestawów danych obrazowania 3D w układzie mozaiki lub w zestawie zdefiniowanych pozycji).Zdefiniowanie położenia sondy OCT w 3D pozwala skutecznie dostosować płaszczyznę ogniskowej specjalnie dla (regionalnych) zestawów skanów. W szczególności na nierównych powierzchniach dla każdego skanowania OCT można określić różne płaszczyzny ogniskowe (tj. różne pozycje w kierunku z).
Zestaw pakietów oprogramowania został opracowany do przetwarzania surowych skanów OCT (Tabela 1). Nawigacja po urządzeniu pozycjonującym, akwizycja skanów OCT i przetwarzanie zestawów danych odbywa się za pomocą kodowanych w języku Python notebooków Jupyter, które zapewniają niezwykłą elastyczność w tworzeniu i optymalizacji oprogramowania. W https://gitlab.com/FlumeAutomation/automated-oct-scans-acquisition.git dostępne są dwa opracowane i opatrzone adnotacjami przykłady takich notatników (odpowiednio do pozyskiwania i przetwarzania obrazów) Mają one służyć jako punkty wyjścia do dostosowywania metody. Notes Jupyter to aplikacja oparta na przeglądarce internetowej, która zawiera komórki z adnotacjami w kodzie języka Python. Każdy krok jest zawarty w komórce notesu, którą można wykonać osobno. Ze względu na różną długość drogi światła przez soczewkę skanującą (aberracja sferyczna)15, surowe skany OCT wydają się zniekształcone (Rysunek 2A). Opracowaliśmy algorytm do automatycznej korekcji tego zniekształcenia w pozyskanych skanach OCT (zawartym w ImageProcessing.ipynb, Plik uzupełniający 1). Co więcej, morfologia biofilmu może być wizualizowana jako mapa wysokościowa 2D, jak to było wcześniej używane w systemach membranowych16, a my ilustrujemy, jak można zszyć mapy wysokości uzyskane ze skanów wykonanych w układzie kafelków.
Na koniec, funkcjonalność opisanej instalacji laboratoryjnej jest zilustrowana za pomocą eksperymentu z kanałem, w którym biofilm strumienia fototroficznego jest wystawiony na działanie gradientu prędkości przepływu.