Metodi per caratterizzare il co-sviluppo di biofilm e Habitat Eterogeneità
Summary
Biofilms have complex interactions with their surrounding environment. To comprehensively investigate biofilm-environment interactions, we present here a series of methods to create heterogeneous chemical environment for biofilm development, to quantify local flow velocity, and to analyze mass transport in and around biofilm colonies.
Abstract
I biofilm sono comunità microbiche-superficie collegata che hanno strutture complesse e producono significativi eterogeneità spaziali. Sviluppo di biofilm è fortemente regolata dal flusso circostante e l'ambiente nutrizionale. Crescita biofilm aumenta anche l'eterogeneità del microambiente locale generando campi di flusso complessi e modelli di trasporto dei soluti. Per studiare lo sviluppo di eterogeneità in biofilm e le interazioni tra biofilm e il loro locale micro-habitat, siamo cresciuti biofilm mono-specie di Pseudomonas aeruginosa e biofilm dual-specie di P. aeruginosa e Escherichia coli sotto gradienti nutrizionali in una cella di flusso microfluidica. Forniamo protocolli dettagliati per creare gradienti nutrienti all'interno della cella di flusso e per la crescita e la visualizzazione sviluppo biofilm in queste condizioni. Abbiamo anche protocolli presenti per una serie di metodi ottici di quantificare modelli spaziali nella struttura biofilm, flusso Distributi su biofilm, e trasporto di massa intorno e all'interno di colonie biofilm. Questi metodi supportano le indagini a tutto campo del co-sviluppo di biofilm e di habitat eterogeneità.
Introduction
Microrganismi attribuiscono alle superfici e formare biofilm – aggregati di cellule racchiuse in una matrice extracellulare-polimero 1. I biofilm si comportano in modo molto diverso dalle cellule microbiche individuali, perché biofilm hanno drammatico eterogeneità spaziale risultante da una combinazione di limitazioni del trasporto dei soluti interni e variazioni spaziali nel metabolismo cellulare 2,3. Le concentrazioni di ossigeno e nutrienti drasticamente diminuire all'interfaccia tra biofilm e dintorni fluido e ottenere ulteriori impoverito all'interno del biofilm 2. Variazioni spaziali in biofilm la respirazione e la sintesi proteica può verificarsi anche come una risposta all'ossigeno localizzato e la disponibilità di nutrienti 2.
In ambienti acquatici e del terreno, la maggior parte dei batteri abitano in biofilm. Biofilm naturali svolgono importanti processi biogeochimici compresa ciclo del carbonio e azoto e ridurre i metalli 4,5. Clinicamente, la formazione di biofilm è responsbile per polmonare prolungato e infezioni urinarie 6. Infezioni biofilm associate sono molto problematico perché le cellule in biofilm sono estremamente elevata resistenza agli antimicrobici rispetto ai loro omologhi planctonici 6. Perché biofilm sono importanti in contesti diversi, una notevole quantità di ricerca si è focalizzata sulla comprensione dei fattori ambientali che controllano le attività biofilm e l'eterogeneità spaziale biofilm e microambiente circostante.
Studi precedenti hanno dimostrato che lo sviluppo del biofilm è fortemente regolato da una serie di fattori ambientali: biofilm sviluppano differenti morfologie sotto varie condizioni di flusso; ossigeno e nutrienti disponibilità influenza biofilm morfologia; e sforzo di taglio idrodinamico colpisce l'attaccamento di cellule planctoniche alle superfici e il distacco delle cellule dal biofilm 7-9. Inoltre, condizione di flusso esterno influenza la consegna dei substrati into ed entro 10 biofilm. La crescita di biofilm altera anche circostante condizioni fisiche e chimiche. Ad esempio, la crescita di biofilm porta alla deplezione locale di ossigeno e nutrienti 2; biofilm accumulano composti inorganici e organici dall'ambiente circostante 11; e cluster biofilm deviano il flusso e l'aumento della superficie di attrito 12,13. Perché biofilm interagiscono con il loro ambiente circostante in modi molto complessi, è fondamentale per ottenere contemporaneamente informazioni sulle proprietà biofilm e delle condizioni ambientali, e gli approcci multi-disciplinari devono essere utilizzati per caratterizzare completo interazioni biofilm-ambiente.
Qui vi presentiamo una serie di metodologie integrate per caratterizzare i modelli spaziali in crescita microbica all'interno mono-specie e biofilm dual-specie sotto una pendenza nutrizionale imposto, e di osservare la modifica conseguente della sostanza chimica locale e microambiente fluido. Noi FIRv descrivono l'uso di una cella di flusso microfluidica doppia aspirazione recentemente sviluppato per osservare la crescita di biofilm sotto gradienti chimici ben definiti. Abbiamo poi dimostrare l'uso di questa cella di flusso microfluidica per osservare la crescita di due specie di batteri, Pseudomonas aeruginosa ed Escherichia coli, in biofilm sotto una varietà di condizioni nutrizionali. Mostriamo come in visualizzazione situ fluorescente di propagazione tracciante in colonie biofilm può essere utilizzato per valutare quantitativamente i modelli di trasporto dei soluti in biofilm. Infine, si mostra come microscala velocimetria tracciamento di particelle, eseguita al microscopio confocale, può essere utilizzato per ottenere campo di moto locale intorno alle biofilm crescita.
Protocol
Representative Results
Discussion
Abbiamo dimostrato una serie di metodi per la caratterizzazione di tre importanti interazioni biofilm-ambiente: risposta biofilm a gradienti chimici, gli effetti della crescita biofilm sul flusso microambiente circostante, e eterogeneità biofilm derivanti da limitazioni di trasporto interno.
Per prima mostrato l'uso di una cella di flusso microfluidica romanzo imporre un gradiente chimica ben definita per lo sviluppo biofilm. Per generare un gradiente chimica ben definita all'intern…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo Matt Parsek presso l'Università di Washington (Seattle, WA) per la fornitura di P. aeruginosa e E. ceppi coli e Roger Nokes presso l'Università di Canterbury (Nuova Zelanda) per fornire l'accesso a software Streams. Questo lavoro è stato sostenuto dalla concessione R01AI081983 dal National Institutes of Health, National Institute of Allergy e Malattie infettive. Confocale è stata eseguita presso l'impianto di Northwestern Imaging biologica (BIF).
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Peristaltic Pump | Gilson | Miniplus 3 | Flow cell setup and inoculation |
| PUMP TUBING 0.50MM OVC, Orange/Yellow | Gilson | F117934 | Flow cell setup and inoculation |
| Three-way Stopcock w/ Swivel male Luer lock | Smiths Medical | MX9311L | Flow cell setup and inoculation |
| Sylgard 184 Solar Cell Encapsulation for Making Solar Panels | ML Solar LLC | Flow cell setup and inoculation | |
| Pyrex Medium Bottle, 1L, GL45 | VWR | 16157-191 | Flow cell setup and inoculation |
| C-FLEX Tubing | Cole-Parmer | 06422-02 | Flow cell setup and inoculation |
| 1 mL TB Syringe | BD | 309659 | Flow cell setup and inoculation |
| Polymer Tubing | IDEX | 1520G | Flow cell setup and inoculation |
| Sterile Intramedic Luer Stub Adapter | Clay Adams | 427564 | Flow cell setup and inoculation |
| PrecisionGlide Needle | BD | 305195 | Flow cell setup and inoculation |
| Spectrophotometer | HACH | Flow cell setup and inoculation | |
| Syringe filters- sterile (0.2 μm) | Fisherbrand | 09-719A | Flow cell setup and inoculation |
| MAXQ Shaker | Thermo Scientific | Flow cell setup and inoculation | |
| Ammonium sulfate | Sigma Aldrich | A4418 | Growth media |
| Sodium phosphate dibasic anhydrous | Sigma Aldrich | RES20908-A7 | Growth media |
| Monobasic potassium phosphate | Sigma Aldrich | P5655 | Growth media |
| Sodium chloride | Sigma Aldrich | S7653 | Growth media |
| Magnisium chloride | Sigma Aldrich | M8266 | Growth media |
| Calcium chloride | Sigma Aldrich | C5670 | Growth media |
| Calcium sulfate dihydrate | Sigma Aldrich | C3771 | Growth media |
| Iron(II) sulfate heptahydrate | Sigma Aldrich | 215422 | Growth media |
| Manganese(II) sulfate monohydrate | Sigma Aldrich | M7634 | Growth media |
| Copper(II) sulfate | Sigma Aldrich | 451657 | Growth media |
| Zinc sulfate heptahydrate | Sigma Aldrich | Z0251 | Growth media |
| Cobalt(II) sulfate heptahydrate | Sigma Aldrich | C6768 | Growth media |
| Sodium molybdate | Sigma Aldrich | 243655 | Growth media |
| Boric acid | Sigma Aldrich | B6768 | Growth media |
| Dextrose | Sigma Aldrich | D9434 | Growth media |
| Luria Bertani Broth | Sigma Aldrich | L3022 | Growth media |
| TCS SP2 Confocal Microscopy | Leica | Fluorescent imaging | |
| SYTO 62 | Life Technology | S11344 | Fluorescent imaging |
| Cy5 | GE Healthcare Life Sciences | PA15100 | Fluorescent imaging |
| Red Fluorescent (580/605) FluoSphere | Life Technology | F-8801 | Fluorescent imaging |
| BioSPA | Packman Lab | Image Processing | |
| ImageJ | NIH | Image Processing | |
| Volocity | PerkinElmer | Image Processing | |
| Streams 2.02 | University of Cantebury | Image Processing |
References
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