Venster op een Microworld: Eenvoudig Microfluïdische Systemen voor het bestuderen van microbiële transport in poreuze media
Summary
Microfluïdische apparaten kunnen worden gebruikt om complexe natuurlijke processen in real-time en op het juiste fysieke schalen te visualiseren. We hebben een eenvoudige microfluïdische apparaat dat de belangrijkste functies van de natuurlijke poreuze media nabootst voor het bestuderen van de groei en het transport van bacteriën in de ondergrond.
Abstract
Microbiële groei en transport in poreuze media belangrijke gevolgen hebben voor de kwaliteit van het grond-en oppervlaktewater, de recycling van voedingsstoffen in het milieu, maar ook direct voor de overdracht van ziekteverwekkers voor de drinkwatervoorziening. Natuurlijke poreuze media is samengesteld uit een ingewikkelde fysieke topologie, gevarieerd oppervlakchemie, dynamische gradiënten van voedingsstoffen en elektronen acceptoren, en een onregelmatige verdeling van de microben. Deze functies variëren sterk over een lengte schaal van micron, waardoor de resultaten van de macro-schaal onderzoek van microbiële vervoer moeilijk te interpreteren, en de validatie van mechanistische modellen uitdagend. Hier laten we zien hoe eenvoudig microfluïdische apparaten kunnen worden gebruikt om microbiële interacties met micro-gestructureerde habitats te visualiseren, om de belangrijkste processen die de waargenomen verschijnselen te identificeren en systematisch te valideren voorspellende modellen. Eenvoudig, gemakkelijk te gebruiken stroom cellen werden opgebouwd uit de transparante, biocompatibel en zuurstof-doorlatend materiaal poly (dimethyl siloxaan). Standaard methoden van fotolithografie werden gebruikt om micro-gestructureerde meesters te maken, en replica gieten werd gebruikt om micro-gestructureerde doorstroming cellen cast van de meesters. Het fysieke ontwerp van de stroom cel kamer is aangepast aan de experimentele eisen: microkanalen kan variëren van eenvoudige lineaire verbindingen naar complexe topologieën met functie maten zo klein als twee micrometer. Onze modulaire EcoChip flow cell reeks kenmerken tientallen identieke kamers en flow control door een zwaartekracht-stroming module. Tonen we aan dat door het gebruik van EcoChip apparaten, fysieke structuren en de druk koppen kunnen worden constant gehouden of systematisch gevarieerd, terwijl de invloed van chemie aan oppervlakken, vloeistof eigenschappen of de kenmerken van de microbiële populatie is onderzocht. Door middel van vervoer experimenten met behulp van een niet-pathogene, groen fluorescerend eiwit tot expressie brengen<em> Vibrio</em> Bacteriestam, illustreren we het belang van de habitat structuur, stromingscondities en inoculums grootte op fundamentele transportverschijnselen, en met real-time deeltje-schaal observaties tonen aan dat microfluidics een overtuigende weergave van een verborgen wereld te bieden.
Protocol
Discussion
Het EcoChip systeem is aanpasbaar aan de behoeften van een individu experiment. Nieuwe meesters kan relatief eenvoudig worden aangemaakt, en een keer een meester is vervaardigd, extra exact gekopieerd apparaten kunnen worden gecast als dat nodig is. De stroom module is eenvoudig te gebruiken, vereist geen speciale apparatuur of complexe verbindingen, en kan worden gemodelleerd als een eenvoudige falling head drukgedreven flow systeem. Extra extensies om dit werk te zijn aan de gang, en omvatten het creëren van humuszuu…
Acknowledgements
Dit onderzoek werd ondersteund door subsidie # 0649883 van de National Science Foundation, door het Vanderbilt instituut voor Integratieve Biosystems Onderzoek en Onderwijs (VIIBRE), en door de Searle Systems Biology and Bioengineering Undergraduate Research Experience (Searle SyBBURE).
Materials
| Material Name | Type | Company | Catalogue Number | Comment |
|---|---|---|---|---|
| PDMS | Dow Corning | |||
| SU8-2025 | MicroChem Corp. | |||
| Fluorescent Beads | Polysciences, Inc. |
References
- Whitesides, G., Ostuni, E., Takayama, S., Jiang, X., Ingber, D. Soft lithography in biology and biochemistry. Annual Review of Biomedical Engineering. 3, 335-373 (2001).
- Wang, W., Shor, L. M., LeBoeuf, E. J., Wikswo, J. P., Kosson, D. S. Mobility of protozoa through narrow channels. Applied and Environmental Microbiology. 71, 4628-4637 (2005).
