$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Bakteria w naturalnych siedliskach napotykają środowisko odżywcze, które często różni się zarówno pod względem składu, jak i stężenia i może zmieniać się w szerokim zakresie czasowym1,2,3,4. W środowiskach takich jak ocean5, gleba3 i jelito6, wzrost mikroorganizmów jest często ograniczony przez jeden lub więcej podstawowych składników odżywczych, a dostępność składników odżywczych może zmieniać się z powodu procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych4. Te mieszanki składników odżywczych i ich fluktuacje napędzają strategię przetrwania i wzrostu mikroorganizmów, kształtując reakcje na różnych poziomach organizacji biologicznej4.
Adaptacje mikroorganizmów do dynamiki składników odżywczych występują na poziomie społeczności, populacji i pojedynczej komórki. Na poziomie społeczności, fluktuacje mogą promować współwystępowanie gatunków7, koordynować skład społeczności i aktywność metaboliczną z zmiennością czasową8 oraz stwarzać możliwości kolonizacji nowych gatunków9. Na poziomie populacji, zmieniające się warunki odżywcze mogą przyspieszyć ewolucję poprzez selekcję zmian genetycznych10 lub indukować zmienność fenotypów, w tym strategie typu bet-hedging11, które poprawiają przetrwanie w nieprzewidywalnych warunkach. Na poziomie pojedynczej komórki bakterie dostosują swoją fizjologię w odpowiedzi na środowisko odżywcze12,13. Jednym z niedawno zgłoszonych przykładów jest specyficzna fizjologia, która zapewnia bakteriom przewagę wzrostową w warunkach zmiennych14. Ponieważ bakterie często napotykają ograniczenie odżywcze, badanie ich reakcji na niskie i zmienne warunki odżywcze - zarówno jako pojedyncze komórki, jak i w populacjach lub społecznościach - jest niezbędne do zrozumienia ich zachowania w naturalnym środowisku.
Chemostaty są dobrze przystosowane do badania wzrostu pod warunkami ograniczenia przez pojedynczy składnik odżywczy, ale są trudne do zastosowania, gdy celem jest kontrola stężeń wielu składników odżywczych w mieszankach o niskich stężeniach. Chemostaty były cennym narzędziem do badania adaptacji bakterii do ograniczenia składników odżywczych, zapewniając dobrze kontrolowane, stałe środowisko. Jednak ich działanie z zasady ogranicza je do warunków, w których wzrost jest ograniczony przez pojedynczy podstawowy składnik odżywczy. W chemostatach szybkość rozcieńczenia jest dostosowywana tak, aby wzrost komórkowy równoważył dopływ jednego limitującego składnika odżywczego, tym samym ustalając szybkość wzrostu, a nie stężenia poszczególnych składników odżywczych15. Ten rama nie daje się łatwo uogólnić na środowiska zawierające mieszanki podstawialnych składników odżywczych - takich jak wiele źródeł węgla - ponieważ szybkość rozcieńczenia kontroluje tylko ogólną szybkość wzrostu, a nie stężenia każdego składnika w medium16,17. W rezultacie stężenia poszczególnych składników odżywczych i ich współużytkowanie wynikają z wykorzystywania mikroorganizmów, a nie są zewnętrznie określone16,17.
Ponadto, choć fluktuacje składników odżywczych można wywołać w chemostatach, szybkie fluktuacje lub pojedyncze zmiany w skali minut są trudne do osiągnięcia ze względu na zwykle duże objętości kultur. Urządzenia mikrofluidalne stały się potężnymi narzędziami do tworzenia precyzyjnych, niskokoncentracyjnych i fluktuujących środowisk odżywczych14. W połączeniu z mikroskopią wideo umożliwiają pomiar wzrostu pojedynczych komórek. Chociaż systemy mikrofluidalne pozwalają na ilościową ocenę ekspresji wybranych białek za pomocą fluorescencyjnych reporterów, w przeciwieństwie do chemostatów, typowe urządzenia mikrofluidalne są zbyt małe, aby wyprodukować biomasę potrzebną do analiz omic, na przykład do badania proteomu populacji bakterii. Aby wypełnić tę lukę, opracowałeś urządzenie do ciągłej kultury w skali milifluidalnej (MCCD).
MCCD umożliwia wzrost bakterii w kontrolowanych warunkach odżywczych, w tym stałych warunkach niskoodżywczych z minimalnym lub żadnym wyczerpaniem, a także warunkach fluktuujących składników odżywczych, dzięki ciągłemu systemowi kultury, który jest w stanie wytworzyć wystarczającą biomasę do dalszych analiz. MCCD używa filtra PVDF o przepływie 0,45 μm jako naczynia do hodowli, w którym medium jest ciągle uzupełniane przez pompę perystaltyczną dostarczającą świeże medium z zbiornika (Rysunek 1A). Porowata membrana filtra zatrzymuje bakterie, jednocześnie pozwalając na przepływ składników odżywczych według zalecenia, co zapobiega