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Este protocolo descreve a montagem completa e a operação básica de um Minibioreactor Array (MBRA) para o cultivo de comunidades bacterianas de alto rendimento, incorporando vários refinamentos importantes ao método publicado anteriormente. O sistema MBRA continua sendo uma ferramenta versátil e econômica que permite aos pesquisadores cultivar ecossistemas microbianos complexos enquanto suporta inúmeras réplicas experimentais em paralelo. Nesta versão atualizada, introduzimos melhorias que melhoram a reprodutibilidade, simplificam o fluxo de trabalho e reduzem o risco de contaminação. Isso inclui canudos de PTFE quimicamente gravados (Figura 2) para evitar o desprendimento, um canudo de alimentação na linha de mídia (Figura 2) para minimizar a formação de biofilme, comprimentos de tubos padronizados com um suporte de tubo impresso em 3D (Arquivo Suplementar 3) para uma configuração mais compacta e organizada e um protocolo de reutilização otimizado que elimina a necessidade de desmontagem total entre os experimentos. Juntos, esses refinamentos representam melhorias iterativas desenvolvidas por meio do uso extensivo do sistema MBRA em diversas aplicações experimentais em nosso laboratório. Ao abordar as etapas críticas de montagem e os aprimoramentos práticos, esta discussão ressalta a utilidade do MBRA como um sistema modelo em constante evolução para a pesquisa de microbioma.
O sucesso do sistema MBRA depende muito da montagem e esterilização precisas dos componentes para garantir uma operação livre de contaminação. As principais etapas incluem o encaixe adequado das tampas, tubos e conectores da série Q, que facilitam a montagem modular e permitem a entrada de mídia e a coleta de resíduos. Garantir uma vedação hermética entre frascos de mídia, reservatórios de resíduos e câmaras de biorreatores é essencial para evitar vazamentos e manter condições estéreis. Outra etapa crítica é a verificação das taxas de fluxo da bomba peristáltica antes da experimentação, pois as inconsistências podem levar à entrega desigual do meio e afetar a dinâmica do crescimento microbiano. A maioria das bombas peristálticas multicanal que utilizam inclui um mecanismo de ajuste de oclusão, que deve ser usado para ajustar a vazão de cada canal. Mesmo com a calibração adequada, a tubulação do E-lab continua sendo a principal fonte de variabilidade. Para mitigar isso, é importante monitorar visualmente a frequência e o tamanho das gotículas de mídia que entram em cada câmara do biorreator durante o enchimento inicial e durante o início dos experimentos. Essas verificações visuais permitem a detecção precoce de inconsistências na taxa de fluxo que, de outra forma, poderiam comprometer a reprodutibilidade experimental. A Tabela 2 fornece estratégias de solução de problemas para problemas comuns encontrados durante a montagem e o uso de MBRAs. Essas etapas de solução de problemas garantem a reprodutibilidade entre os experimentos e evitam interrupções durante o cultivo de longo prazo.
Apesar de seus pontos fortes, o sistema MBRA tem certas limitações que devem ser consideradas ao projetar experimentos. Ao contrário dos sistemas mais avançados, o MBRA não possui recursos de monitoramento ativo, como medições de densidade óptica (OD) em tempo real, controle de pH e regulação de temperatura. Essa ausência de medição ativa restringe a capacidade do sistema de monitorar mudanças dinâmicas no crescimento microbiano e na atividade metabólica em tempo real. Além disso, embora o sistema suporte o cultivo anaeróbico dentro das câmaras, ele não inclui controle integrado de gás, o que pode limitar as aplicações que exigem ambientes microaerofílicos precisos ou enriquecidos com CO2. Para estudos que requerem tal controle, sistemas alternativos com regulação de gás embutida podem ser mais adequados.
O sistema MBRA oferece vantagens importantes sobre os modelos de biorreatores existentes, incluindo alto rendimento, escalabilidade e custo-benefício, mantendo a capacidade de cultivar comunidades bacterianas complexas sob fluxo contínuo para imitar ambientes dinâmicos como o trato gastrointestinal humano 6,8,10. Seu design compacto e modular permite a operação simultânea de vários biorreatores, tornando-o ideal para estudos de alto rendimento, como triagem de comunidades derivadas de fezes quanto à resistência à invasão de patógenos9. Este design modular oferece ampla flexibilidade experimental: cada tira pode ser fornecida por uma única garrafa de mídia, conforme demonstrado neste protocolo, ou por até seis fontes de mídia distintas, uma para cada câmara do biorreator. O volume de trabalho é governado pelo comprimento de um canudo fino de PTFE inserido na porta de resíduos de cada câmara, que define a altura do líquido; neste protocolo, canudos de 25 mm mantêm um volume de trabalho de 15 mL, mas volumes entre 1-20 mL podem ser alcançados aparando ou estendendo o canudo. Além disso, canudos de alimentação mais curtos são inseridos na entrada do meio para direcionar o fluxo em direção à base da câmara, evitando que o meio escorra pelas paredes da câmara e reduzindo a formação de biofilme acima da linha de enchimento. As velocidades da bomba ou o diâmetro da tubulação da bomba também podem ser ajustados para alterar a taxa de rotatividade do sistema. Até o momento, o sistema MBRA tem sido amplamente utilizado para estudar as mudanças funcionais e composicionais das comunidades microbianas em resposta a uma variedade de fatores, incluindo antibióticos10, medicamentos contra o câncer14 e vários compostos dietéticos 12,15,16,17. O design simples e modular o torna ideal para adaptação a várias necessidades experimentais. Por exemplo, o MBRA foi modificado para estudar biofilmes em condições semelhantes a quimiostatos18, demonstrando sua versatilidade para estudos de ecologia microbiana além das culturas planctônicas.
As iterações futuras do sistema MBRA podem se beneficiar de atualizações de engenharia adicionais que expandem sua funcionalidade, precisão e potencial de rendimento. Um desses aprimoramentos é a incorporação de portas adicionais em cada câmara do biorreator. Essas portas podem ser usadas para oferecer suporte ao monitoramento ativo de parâmetros ambientais, como pH, temperatura, gás ou densidade óptica. Isso resolveria uma das limitações mais significativas do modelo, permitindo feedback e monitoramento em tempo real. Melhorias na geometria da câmara ou da porta podem facilitar uma limpeza mais completa e acessível, reduzindo o acúmulo de resíduos e a descoloração e melhorando a reutilização a longo prazo. A integração de bombas peristálticas adicionais com temporizadores programáveis permitiria entradas de meios pulsados ou diurnos, simulando melhor ambientes associados ao hospedeiro, como ciclos de alimentação no intestino humano. Finalmente, a impressão 3D com materiais alternativos, como polímeros autoclaváveis quimicamente resistentes, pode permitir maior durabilidade e compatibilidade com uma gama mais ampla de reagentes. Juntas, essas melhorias podem expandir significativamente o escopo experimental e a fidelidade da plataforma MBRA.
Em conclusão, o MBRA fornece uma plataforma poderosa e de alto rendimento para cultivar e estudar comunidades microbianas sob condições controladas. Embora tenha limitações no monitoramento ativo e controle de pH, sua flexibilidade, escalabilidade e custo-benefício o tornam uma ferramenta inestimável para uma ampla gama de estudos microbiológicos, particularmente aqueles que exigem alta replicabilidade e rendimento experimental. É importante ressaltar que o design modular do sistema e a abordagem de fabricação o tornam inerentemente adaptável; os pesquisadores têm e podem continuar a adaptar o MBRA para atender a uma ampla gama de objetivos experimentais. Essa adaptabilidade garante que o MBRA possa continuar a evoluir junto com questões e tecnologias científicas emergentes, mantendo sua relevância como uma plataforma versátil para pesquisa de microbioma.