Synteza wolframianu sodu i mikrokapsułek molibdenianu sodu poprzez bakteryjne wydalanie minerałów
30 stycznia 2018
Ta praca przedstawia protokół wytwarzania mikrokapsułek z wolframianu sodu i molibdenianu sodu za pomocą bakterii i odpowiadających im nanocząstek.
Ogólnym celem tego eksperymentu jest zademonstrowanie nowych procedur wytwarzania pustych sferycznych struktur z materiałów tlenkowych przy użyciu bakterii Gram-ujemnych. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie bionanomateriałów, pokazując, w jaki sposób nanograniczny materiał tlenku metalu w mikrokapsułkach może być formowany za pomocą bakterii. Główną zaletą tej techniki jest to, że jest przyjazna dla środowiska i ma potencjał do masowej produkcji.
Odważ osiem gramów bulionu LB Lennox w proszku i umieść go w 500-mililitrowej butelce laboratoryjnej z 400 mililitrami wody. Następnie dodaj magnetyczny teflonowy pręt mieszający i mieszaj zawartość przez 20 minut. Mocno zakręć bulion i autoklawuj zawartość w temperaturze 120 stopni Celsjusza przez 10 minut.
Poczekaj, aż roztwór ostygnie do temperatury pokojowej, a następnie za pomocą pipety podziel 12,5 mililitra bulionu na osiem 15-mililitrowych probówek wirówkowych. Pozostałą ilość bulionu przelej do trzech 100-mililitrowych butelek laboratoryjnych, szczelnie zakręć trzy butelki i przechowuj je w komorze bezpieczeństwa biologicznego. Następnie odzyskaj kriokonserwowany zapas glonów Shewanella z magazynu.
Następnie w komorze bezpieczeństwa biologicznego użyj szpatułki ze stali nierdzewnej, aby usunąć jeden mililitr zamrożonego materiału z rurki do przechowywania i umieść go w jednej z 12,5 mililitrowych porcji zawierających bulion LB Lennox. Umieść próbkę w inkubatorze o temperaturze 37 stopni Celsjusza i inkubuj kulturę przez 24 godziny. Następnie przygotuj płytki agarowe.
Rozpuść dwie tabletki bulionu LB Lennox z agarem w 100-mililitrowej butelce zawierającej 100 mililitrów wody. Użyj mieszadła, aby mieszać zawartość przez 20 minut, a następnie mocno ją przykręć. Po autoklawie podwielokrotność 20 mililitrów do każdej z czterech szalek Petriego.
Poczekaj, aż roztwór ostygnie do temperatury pokojowej w okapie. A następnie przykryj talerze. Oznacz trzy butelki przygotowane ze 100 mililitrami bulionu LB Lennox numerem jeden, numer dwa i numer trzy.
Odpipetować 0,1 mililitra powstałej kultury bakteryjnej do pierwszej butelki. Zakręć butelkę i obracaj nią ręcznie przez minutę, aby uzyskać jednorodny roztwór. Następnie odpipetuj 0,1 mililitra z butelki numer jeden do butelki numer dwa.
Ponownie zakręć butelkę i kołysz nią ręcznie przez minutę. Ostatnie rozcieńczenie wykonać pipetując 0,1 mililitra z butelki numer dwa do butelki numer trzy. Zakręć butelkę i potrząsaj nią ręcznie przez minutę.
A następnie odpipetować 20 mikrolitrów roztworu na każdą z czterech szalek Petriego. Następnie umieść cztery autoklawowane szklane koraliki o średnicy trzech milimetrów w każdej z szalek Petriego. Zamknij pokrywki szalek Petriego i potrząsaj nimi ręcznie przez minutę.
Po zakończeniu odwróć szalki Petriego do góry nogami i inkubuj płytki w inkubatorze o temperaturze 37 stopni Celsjusza przez 24 godziny. Za pomocą szpatułki ze stali nierdzewnej wybierz powstałe bakterie monoklonalne z czterech szalek Petriego i umieść je w pozostałych siedmiu probówkach zawierających 12,5 mililitra bulionu LB Lennox. Pozostaw probówki w inkubatorze o temperaturze 37 stopni Celsjusza na 24 godziny, a następnie wybierz tę, która ma największe rozproszenie światła, stosując wizualną metodę kolorymetryczną.
Umieść 10 gramów bulionu LB Lennox, 10 gramów chlorku sodu i 10 gramów glukozy w 500-mililitrowej butelce laboratoryjnej. Następnie dodaj wodę, aż objętość osiągnie 450 mililitrów. Dodaj teflonowy mieszadło i mieszaj przez 20 minut.
Po wymieszaniu qutoclavuj ten roztwór w temperaturze 120 stopni Celsjusza przez 10 minut. Następnie odmierz 16,5 grama dwuwodnego wolframianu sodu i umieść go w 100-mililitrowej butelce. Dodaj wodę, aż objętość osiągnie 50 mililitrów.
Dodaj teflonową mieszadło i mieszaj roztwór przez 20 minut. Stężenie rozpuszczalnika wolframianu sodu powinno być wysokie, aby zapewnić kulisty kształt mikrokapsułki, ale nie za wysokie, aby zabić bakterie. Po autoklawie przefiltruj roztwór przez filtr z włókna szklanego z porami o wielkości jednego mikrona, aby uzyskać filtrat.
Wlej filtrat ręcznie do 450 mililitrowej butelki z bulionem LB Lennox zawierającym glukozę i sól. Następnie podziel otrzymany roztwór na 10, 50 mililitrowe probówki wirówkowe. Pobrać kulturę zawierającą bakterie monoklonalne i dodać 50 mikrolitrów do każdej z 10, 50 mililitrowych probówek wirówkowych zawierających pożywkę wolframianową sodu.
Inkubuj 10 probówek w inkubatorze o temperaturze 37 stopni Celsjusza przez 120 godzin. Po inkubacji umieść każdą z probówek w ultrasonikatorze i poddaj komórki sonikacji z częstotliwością 20 kiloherców o mocy 150 watów przez jedną godzinę. Odwirować probówki.
A następnie usuń klarowny płyn za pomocą pipety. Następnie dodaj wodę. A następnie poddać sonikacji i odwirować probówki jeszcze raz.
Po drugim odcentrowaniu usunąć klarowny płyn z probówek za pomocą pipety. Następnie dodaj 35 mililitrów 99,8% etanolu i ponownie wykonaj ultradźwięki próbek. Opłucz minerały, odwirowując je, dodając alkohol i ponownie sonikując próbkę.
Następnie usunąć przezroczysty płyn z probówek za pomocą pipety i natychmiast zakryć probówki, nie wysuszając próbki. To zdjęcie SEM pokazuje złamaną, pustą skorupę wykonaną z wolframianu sodu, który został wydalony przez algi Shewanella przy użyciu glukozy jako źródła węgla. Granulki o średnicy około 40 do 60 nanometrów zwisają na zewnątrz skorupy.
Sama skorupa wykonana jest z granulek o średnicy około 22 nanometrów. Oddalając się, można zobaczyć stosunek długości do średnicy tych pustych muszli. Te kuliste muszle mają stosunek długości do średnicy jeden do jednego i zostały uzyskane przy użyciu wysokiego stężenia oksydanionów metali większego niż 100 milimolów w pożywce hodowlanej.
Zmniejszając stężenie oksyjanionów w pożywce hodowlanej do około 20 milimolów, bakterie wytwarzają otoczki wolframianowe sodu o stosunku długości do średnicy wynoszącym trzy do jednego. Po jej opracowaniu, technika ta pomaga badaczom w dziedzinie bionanotechnologii zbadać możliwość wytworzenia mikrostruktury, takiej jak mikrokapsułka materiału tlenku metalu, za pomocą bakterii Gram-ujemnych.
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia protokół wytwarzania mikrokapsułek tungstenu sodu i molibdenu sodu z wykorzystaniem bakterii gram-ujemnych. Ta przyjazna dla środowiska metoda wykazuje potencjał w zakresie masowej produkcji pustych w środku struktur sferycznych z materiałów tlenkowych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Bionanotechnologia
- Wytwarzanie mikrokapsułek
- Nauki o środowisku
Wprowadzenie
- Mikrokapsułki mogą być tworzone przy udziale bakterii.
- Technika ta odpowiada na kluczowe pytania w dziedzinie bionanomateriałów.
- Metoda ta jest korzystna ze względu na swój ekologiczny charakter.
- Posiada ona potencjał do zastosowania w produkcji masowej.
Cel badania
- W celu zademonstrowania nowych procedur tworzenia pustych struktur sferycznych.
- W celu zbadania wykorzystania bakterii w formowaniu mikrokapsułek z tlenków metali.
- W celu zbadania wpływu różnych stężeń oksyanionów metali.
Zastosowane metody
- Przygotowanie pożywki LB Lennox oraz kultury bakterii.
- Inkubacja kultur bakteryjnych w celu stymulacji wzrostu.
- Sonikacja i wirowanie w celu wyizolowania mikrokapsułek.
- Charakterystyka mikrokapsułek przy użyciu obrazowania SEM.
Główne wyniki
- Pomyślne otrzymanie mikrokapsułek tungstenu sodu.
- Obserwacja ziaren o różnych rozmiarach na powierzchni mikrokapsułek.
- Stosunek długości do średnicy mikrokapsułek był zależny od stężenia oksjanionów.
- Wykazanie potencjału do zastosowań w bionanotechnologii.
Wnioski
- Technika ta umożliwia ekologiczną produkcję mikrokapsułek.
- Otwiera ona możliwości dla dalszych badań w dziedzinie bionanotechnologii.
- Przyszłe badania mogą obejmować analizę różnych tlenków metali i bakterii.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Bakteryjne wydalanie minerałów umożliwia przyjazną dla środowiska syntezę mikrokapsułek tungstenu sodu i molibdenu sodu o regulowanych właściwościach w skali nano. Podejście to wspiera wczesny etap innowacji materiałowych w obszarze badań nad biofarmaceutykami.&D, zapewniając skalowalny dostęp do jednolitych nanostruktur dla późniejszych etapów analiz i procesów przesiewowych. Powtarzalność metody oraz kontrola nad morfologią cząstek zwiększają pewność prognostyczną w zakresie właściwości materiałów w ramach procesów badawczych.
Strategiczne zastosowania w badaniach biofarmaceutycznych&D
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia badanie mineralizacji pośredniczonej przez bakterie w celu wytwarzania materiałów funkcjonalnych.
- Wspiera ograniczanie ryzyka biologicznego poprzez wykazanie powtarzalnej syntezy nanocząsteczek w warunkach otoczenia.
- Ułatwia uzyskanie pewności prognostycznej w zakresie jednorodności materiału przed kolejną oceną biologiczną.
Przesiewy i opracowanie testu
- Zapewnia standaryzowane mikrokapsułki i nanocząsteczki do integracji z systemem analizy.
- Umożliwia powtarzalną kontrolę rozmiaru i morfologii, co wspiera ilościowe wyniki analizy.
- Umożliwia skalowalną produkcję nanomateriałów w celu przygotowania do przesiewania wysokoprzepustowego.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Zapewnia ciągłość procesu od syntezy materiału do integracji z modelem przedklinicznym podczas oceny oddziaływań między nanomateriałem a układem biologicznym.
- Wspiera rozwój z uwzględnieniem analizy ryzyka, umożliwiając wczesną ocenę właściwości materiału istotnych dla punktów końcowych w badaniach translacyjnych.
Integracja potoków i przepływów pracy
Ta metoda syntezy bakteryjnej znajduje zastosowanie na styku wczesnych etapów odkryć i rozwoju analiz, zapewniając powtarzalne źródło nanomateriałów dla dalszych biologicznych i analitycznych etapów pracy.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących mineralizacji bakteryjnej oraz kontroli właściwości materiałów.
- Screening: Dostarcza gotowe do analizy nanomateriały o określonym rozmiarze i morfologii w celu zapewnienia powtarzalności oceny.
- Analityka: Umożliwia ilościowy pomiar wymiarów cząstek i struktury krystalicznej za pomocą SEM oraz XRD.
- Badania translacyjne: Ułatwia zachowanie ciągłości poprzez dostarczanie standaryzowanych materiałów do oceny przedklinicznej.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy skalowalną, przyjazną dla środowiska platformę do syntezy nanomateriałów w różnych projektach.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w generowaniu nanomateriałów.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje produkcję i charakteryzację, wspierając powtarzalność i skalowalność.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji typu go/no-go poprzez dostarczanie niezawodnych materiałów wejściowych do wczesnych etapów B&R.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację programów odkrywczych opartych na nanomateriałach w oparciu o ocenę ryzyka.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna w zakresie hodowli bakterii i postępowania z nanomateriałami.
- Niezbędny jest dostęp do SEM i XRD w celu charakterystyki materiałów.
- Wymagana jest standaryzacja protokołów syntezy i analizy pomiędzy zespołami.
- Konieczna może być adaptacja metody dla różnych szczepów bakteryjnych lub materiałów docelowych.
- Właściwości materiałów są zależne od stężenia jonów i żywotności bakterii.
