바이오 필름 및 서식지의 이질성의 공동 개발을 특성화하기위한 방법
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
바이오 필름은 복잡한 구조를 가지고 중요한 공간 이질성을 생산 표면에 부착 된 미생물 커뮤니티입니다. 생물막 개발이 강하게 주변 유동 및 영양 환경에 의해 조절된다. 바이오 필름 성장은 복잡한 흐름 필드와 용질 수송 패턴을 생성하여 로컬 미세 환경의 이질성을 증가시킨다. 바이오 필름 및 로컬 마이크로 서식지 사이에 생물막 (biofilm)과의 상호 작용에서 이질성의 개발을 조사하기 위해, 우리는 녹농균의 모노 종의 바이오 필름 및 P.의 듀얼 종의 바이오 필름을 성장 미세 유체 흐름 세포에 영양 그라디언트에서 녹농균과 대장균. 우리는 흐름 세포 내에서 영양소 그라디언트의 작성 및 성장과 이러한 조건에서 바이오 필름 개발을 시각화에 대한 자세한 프로토콜을 제공합니다. 우리는 또한 광학적 방법의 시리즈를위한 본 프로토콜은 DISTRI 흐름, 생물막 구조에서 공간 패턴을 정량화하기시킴 주위에 바이오 필름, 대량 전송을 통한 생물막 식민지 내에서. 이러한 방법은 바이오 필름과 서식지의 이질성의 공동 개발에 대한 포괄적 조사를 지원합니다.
Introduction
세포 외 고분자 매트릭스 1로 묶인 세포 집합체 – 미생물 표면과 형태의 바이오 필름에 부착합니다. 바이오 필름은 세포 대사 2,3 내부 용질의 전송 제한 및 공간 변화의 조합으로 인한 극적인 공간 이질성을 가지고 있기 때문에 바이오 필름은 매우 다르게 각각의 미생물 세포에서 작동합니다. 산소와 영양소 농도는 크게 바이오 필름 및 유체 및 추가 생물막 2 내에 고갈 얻을 주변 사이의 인터페이스에서 감소. 생물막 호흡과 단백질 합성 공간적 변형, 국소 산소 및 영양분이 가능 여부에 대한 응답으로서 일어날 수있다.
수생 및 토양 환경에서 대부분의 박테리아는 생물막에 거. 천연 바이오 필름은 탄소와 질소 순환 및 금속 4,5 감소를 포함하여 중요한 생지 화학 과정을 수행한다. 임상, 바이오 필름 형성이 응 답이다장기간 폐 요로 감염 6 지나치지. 바이오 필름에 세포가 자신의 플랑크톤 대응 (6)에 비해 항생제에 매우 높은 저항을 가지고 있기 때문에 바이오 필름 관련 감염은 매우 문제가있다. 바이오 필름은 다양한 설정에 중요하기 때문에, 연구의 상당량 생물막 활동 및 생물막 공간적 이질성 및 주변의 미세 환경을 제어하는 환경 적 요인을 이해에 집중되어왔다.
이전의 연구 개발 생물막 강하게 환경 요인들에 의해 조절되는 것을 발견 하였다 : 생물막 다양한 유동 조건 하에서 상이한 모폴로지 개발; 산소와 영양소의 가용성에 영향을 미치는 바이오 필름 형태; 및 유체 전단 응력은 표면에 플랑크톤 세포의 부착과 생물막 7-9에서 세포의 분리에 영향을 미칩니다. 또한, 외부 유동 조건은 기판 INT의 전달에 영향을 미친다O 및 바이오 필름 (10) 내의. 생물막의 성장은 또한 물리적 및 화학적 조건을 둘러싼 바꾼다. 예를 들어, 생물막의 성장은 산소와 영양분이 고갈의 로컬 리드; 바이오 필름은 주변 환경 (11)으로부터의 무기 및 유기 화합물을 축적; 생물막 클러스터는 흐름과 증가 표면 마찰 12,13 전환. 생물막들은 매우 복잡한 방식으로 주변 환경과 상호 작용하기 때문에, 동시에 생물막 특성 및 환경 조건에 대한 정보를 얻기 위해 중요하며, 다 분야 접근법 종합적 생물막 인바 상호 작용을 특성화하기 위해 이용 될 필요가있다.
여기에서 우리는 부과 영양 그라데이션에서 단일 종 및 듀얼 종 생물막 내 미생물 성장에 공간 패턴을 특성화하고 지역 화학 및 유체 미세 환경의 결과 수정을 관찰하기 위해 통합 된 방법의 일련을 제시한다. 우리는 전나무ST는 잘 정의 된 화학 구배 하에서 생물막의 성장을 관찰하는 최근에 개발 된 이중 입구 미세 유체 흐름 세포의 사용을 기술한다. 우리는 그 다음 영양 조건 범위 하에서 생물막 세균, 녹농균 및 대장균, 두 종의 성장을 관찰하는 미세 유체 흐름이 셀의 사용을 입증한다. 우리는 생물막 식민지에 형광 추적 전파의 현장 시각화 정량적으로 생물막 (biofilm)에 용질 수송의 패턴을 평가하는 데 사용할 수있는 방법을 보여줍니다. 마지막으로, 우리는 초점 현미경 하에서 수행 마이크로 입자 추적 속도계는, 생물막의 주위에 성장하는 지역 흐름 필드를 취득 할 수있는 방법을 보여준다.
Protocol
Representative Results
Discussion
생물막 화학 그라디언트에 대한 응답으로, 주변의 흐름 미세 환경에 생물막 성장, 그리고 내부 전송 제한으로 인한 생물막 이질성의 효과 : 우리는 세 가지 중요한 바이오 필름 – 환경 상호 작용을 특성화하는 방법의 제품군을 보여 주었다.
우리는 먼저 생물막 개발 잘 정의 된 화학 구배를 부과하는 신규 한 마이크로 유체 유동 셀의 사용을 나타내었다. 플로우 셀 내에 잘 정?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 P.를 제공하기 위해 워싱턴 대학 (시애틀, WA)에서 매트 PARSEK 감사합니다 녹농균 및 E. 스트림 소프트웨어에 대한 액세스를 제공하는 캔터베리 (뉴질랜드) 대학의 대장균 균주와 로저 Nokes. 이 작품은 국립 보건원, 알레르기의 국립 전염병 연구소에서 보조금 R01AI081983에 의해 지원되었다. 공 초점 영상은 노스 웨스턴 생물 이미징 시설 (BIF)에서 수행 하였다.
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
- Hall-Stoodley, L., Costerton, J. W., Stoodley, P. Bacterial biofilms: From the natural environment to infectious diseases. Nat Rev Microbiol. 2 (2), 95-108 (2004).
- Stewart, P. S., Franklin, M. J. Physiological heterogeneity in biofilms. Nat Rev Microbiol. 6 (3), 199-210 (2008).
- Xu, K. D., Stewart, P. S., Xia, F., Huang, C. T., McFeters, G. A. Spatial physiological heterogeneity in Pseudomonas aeruginosa biofilm is determined by oxygen availability. Appl Environ Microb. 64 (10), 4035-4039 (1998).
- Costerton, J. W., et al. Bacterial Biofilms in Nature and Disease. Annu Rev Microbiol. 41, 435-464 (1987).
- Battin, T. J., Kaplan, L. A., Newbold, J. D., Hansen, C. M. E. Contributions of microbial biofilms to ecosystem processes in stream mesocosms. Nature. 426 (6965), 439-442 (2003).
- Costerton, J. W., Stewart, P. S., Greenberg, E. P. Bacterial biofilms: A common cause of persistent infections. Science. 284 (5418), 1318-1322 (1999).
- Stoodley, P., Dodds, I., Boyle, J. D., Lappin-Scott, H. M. Influence of hydrodynamics and nutrients on biofilm structure. J Appl Microbiol. 85, 19S-28S (1999).
- Stoodley, P., Lewandowski, Z., Boyle, J. D., Lappin-Scott, H. M. Structural deformation of bacterial biofilms caused by short-term fluctuations in fluid shear: An in situ investigation of biofilm rheology. Biotechnol Bioeng. 65 (1), 83-92 (1999).
- Wasche, S., Horn, H., Hempel, D. C. Influence of growth conditions on biofilm development and mass transfer at the bulk/biofilm interface. Water Res. 36 (19), 4775-4784 (2002).
- Stewart, P. S. Mini-review: Convection around biofilms. Biofouling: The Journal of Bioadhesion and Biofilm Research. 28 (2), 187-198 (2012).
- Flemming, H. C. Sorption sites in biofilms. Water Sci Technol. 32 (8), 27-33 (1995).
- Debeer, D., Stoodley, P., Lewandowski, Z. Liquid Flow in Heterogeneous Biofilms. Biotechnol Bioeng. 44 (5), 636-641 (1994).
- Schultz, M. P., Swain, G. W. The effect of biofilms on turbulent boundary layers. J Fluid Eng-T Asme. 121 (1), 44-51 (1999).
- Song, J. S. L., Au, K. H., Huynh, K. T., Packman, A. I. Biofilm Responses to Smooth Flow Fields and Chemical Gradients in Novel Microfluidic Flow Cells. Biotechnol Bioeng. 111 (3), 597-607 (2014).
- Shrout, J. D., et al. The impact of quorum sensing and swarming motility on Pseudomonas aeruginosa biofilm formation is nutritionally conditional. Mol Microbiol. 62 (5), 1264-1277 (2006).
- Maxworthy, T., Nokes, R. I. Experiments on gravity currents propagating down slopes. Part 1. The release of a fixed volume of heavy fluid from an enclosed lock into an open channel. J Fluid Mech. 584, 433-453 (2007).
- Stewart, P. S. A review of experimental measurements of effective diffusive permeabilities and effective diffusion coefficients in biofilms. Biotechnol Bioeng. 59 (3), 261-272 (1998).
- Schramm, A., De Beer, D., Gieseke, A., Amann, R. Microenvironments and distribution of nitrifying bacteria in a membrane-bound biofilm. Environ Microbiol. 2 (6), 680-686 (2000).
- Santegoeds, C. M., Schramm, A., de Beer, D. Microsensors as a tool to determine chemical microgradients and bacterial activity in wastewater biofilms and flocs. Biodegradation. 9 (3-4), 159-168 (1998).
- Debeer, D., Stoodley, P., Roe, F., Lewandowski, Z. Effects of Biofilm Structures on Oxygen Distribution and Mass-Transport. Biotechnol Bioeng. 43 (11), 1131-1138 (1994).
- Liu, Y., Tay, J. H. The essential role of hydrodynamic shear force in the formation of biofilm and granular sludge. Water Res. 36 (7), 1653-1665 (2002).
- Zhang, W., et al. A Novel Planar Flow Cell for Studies of Biofilm Heterogeneity and Flow-Biofilm Interactions. Biotechnol Bioeng. 108 (11), 2571-2582 (2011).
- Tseng, B. S., et al. The extracellular matrix protects Pseudomonas aeruginosa biofilms by limiting the penetration of tobramycin. Environ Microbiol. 15 (10), 2865-2878 (2013).
- Debeer, D., Srinivasan, R., Stewart, P. S. Direct Measurement of Chlorine Penetration into Biofilms during Disinfection. Appl Environ Microb. 60 (12), 4339-4344 (1994).
