A matriz ministat descrito acima e na (Figura 1A, B) foi utilizado para a cultura de uma estirpe haplóide MATa laboratório de fermento de brotamento (S288c) sob condições limitantes de sulfato, tal como descrito previamente 10. Testamos a eficácia para aplicações quimiostato comuns, incluindo a determinação da fisiologia e evolução experimental. Para validar os ministats, repetiu-se várias experiências anteriormente realizadas em fermentadores industriais modificados para utilização quimiostato. Sixfors 10,20,21 fermentadores ATR foram corridas a um volume de trabalho de 300 ml, mais de 10 vezes o volume dos ministats, e têm modos consideravelmente diferentes cultura de aeração e agitação. Buscou-se replicar estabilidade equipamento, fisiologia estado estacionário, os resultados experimentais de evolução, e padrões de expressão de genes obtidos com esses fermentadores.
Desde uniformidade da taxa de diluição e aeração são aspectos importantes do projeto quemostato, que measured a taxa de diluição real em 32 ministats após 15 gerações de crescimento e descobriu que, com uma taxa de diluição de 0,17 alvo vol / hr (4-5 gotas / min) que atingiu uma taxa de diluição média de 0,17208 com um desvio padrão de 0,0075 entre 32 repetições. Esta gama foi no nosso tolerância típico de + / -0,01 diferença vol / hr a partir da configuração de alvo, para além do qual grandes alterações na expressão de genes têm sido observadas. 22-23 Através 4 ministats a taxa de fluxo de ar foi determinado como sendo 307,5 ml / min, com um desvio padrão de 9,57 ml / min. Isto sugere que o fluxo de ar para dentro das câmaras é robusto e igualmente dividida entre os quatro câmaras e é um valor semelhante ao descrito para o arejamento em fermentadores industriais 20.
Nós já observado amplificação recorrente do SUL1 transportador de alta afinidade de enxofre-ion em 8/8 experimentos sulfato limitados evolução em leveduras. 10 Dada a consistência dos resultados sob thicondição s escolhemos sulfato de limitação para testar a capacidade do nosso sistema. Um elemento necessário de cultura quimiostato é a necessidade de manter um ambiente químico constante. Flutuações na abundância de uma mudança de limitação de nutrientes ou outras no ambiente tipicamente resultar numa mudança do número de células numa dada cultura. Medimos a densidade óptica, como um proxy para o número de células (Figura 2A) e da reprodutibilidade medido em 16 culturas replicadas, encontrar uma A600 média de 1,12 (~ 10 9 células) após aproximadamente 15 gerações de crescimento, com um desvio padrão de 0,057 unidades, ou 5,1 %. Para comparação, as medições efectuadas a partir de 4 culturas replicadas cultivadas nos fermentadores industriais mostrou um desvio padrão de 2,5%. As células foram bem misturadas na câmara de crescimento: As medições de OD e contagem de células extraídos da pista de efluente foram equivalentes às amostras colhidas directamente a partir do tubo de cultura (dados não mostrados). Estes resultados demonstram a robustez da nossa plataforma de umd capacidade de manter um ambiente químico constante dentro de uma tolerância semelhante ao fermentador industrial.
Como uma leitura mais sensível da fisiologia, comparamos genome-wide expressão do gene de estado estacionário a partir de culturas cultivadas em sulfato de limitação nas ministats e no fermentador industrial. A expressão do gene nas ministats mostrou um elevado grau de semelhança entre três réplicas biológicas (Figura 2B). Nós anteriormente notado que, para o RNA derivado de duas réplicas quimiostatos Sixfors e co-hibridada com um microarray, expressão de 99% dos genes caiu dentro de um intervalo de 1,5 vezes, o que permite a utilização de 1,5 X como um nível de significância empírica. 21 expressão do gene a partir de ministats três replicados, em comparação aos pares, mostraram 99% de genes caiu dentro de um intervalo 1,5-1,7 vezes, comparável aos resultados dos fermentadores industriais. As três amostras foram hibridizados com matrizes individuais e os rácios calculados emparelhadas depois, portanto, estes values incluem matriz inter-ruído para além do ruído biológico, potencialmente sobrestimar a variação entre réplicas em comparação com os publicados, co-hibridizados resultados. 138 genes foram diferencialmente expressos> 1,5 vezes em todos ministat três repetições, em comparação com uma amostra colhida de uma cultura correspondente crescido no fermentador industrial. Genes diminuição na expressão dos ministats foram fortemente enriquecido para o metabolismo do ferro. Esta assinatura pode reflectir a composição do metal diferente de cada configuração do dispositivo: o aparelho Sixfors inclui um rotor de metal e montagem de arejamento submerso na cultura, e os meios de comunicação garrafões utilizado anteriormente também necessário hardware metal. O ministat utiliza agulhas de aço inoxidável, mas nenhum componente de metal. Os genes com expressão aumentada foram amplamente associados a membranas celulares, embora o significado biológico desta associação não é claro.
Finalmente, testou-se a evolução experimental under estas condições. Após 250 gerações de sulfato de crescimento limitado, 4 quartos clones testados a partir de 4 populações independentes mostraram amplificação da evolução SUL1 como detectado pela matriz hibridação genómica comparativa (CGH, a Figura 2C). Este resultado é consistente com os achados quimiostatos maior volume em intervalos de tempo semelhantes. 10

Figura 1. A. Desenho e arranjo da matriz ministat. B. Desenho da câmara de cultura.

Figura 2. A. experimental dados que mostram que as culturas atingem o equilíbrio dentro de 10 gerações de crescimento (n = 16). B. Expressão de dados para três réplicas biológicas S1-3 amostrada durante o estado estacionário sob sulfato de limitação em relação a uma referência comum cultivadas em correspondência quimiostato Sixfors sulfato limitada amplificações. C. SUL1 recuperado em ministats após 250 gerações de crescimento em um ambiente de sulfato limitado. O ADN genómico de cada um dos clones foi comparada com a evolução do DNA ancestral CGH como descrito por 21. Média do número de cópias calculado para cada região amplificada e é mostrado ao lado de cada fragmento amplificado. Todos os dados de microarranjos são depositados no banco de dados GEO sob adesão GSE36691. Clique aqui para ver maior figura.