Mikrobielle Biofilme bilden komplexe Architekturen an Interphasen und entwickeln sich zu stark maßstabsabhängigen Raummustern. Hier stellen wir ein experimentelles System (Hard- und Software) zur automatisierten Erfassung von 3D-Datensätzen zur optischen Kohärenztomographie (OCT) vor. Dieses Toolset ermöglicht die nichtinvasive und multiskalige Charakterisierung der Biofilmmorphogenese in Raum und Zeit.
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Methodenartikel
Automatisierte 3D-Optische Kohärenztomographie zur Aufklärung der Biofilmmorphogenese über große räumliche Skalen
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Biofilme sind ein sehr erfolgreicher mikrobieller Lebensstil und setzen sich in einer Vielzahl von Umwelt- und Ingenieurumgebungen durch. Das Verständnis der Biofilmmorphogenese, d. h. der strukturellen Diversifikation von Biofilmen während der Gemeinschaftsversammlung, stellt eine bemerkenswerte Herausforderung über räumliche und zeitliche Skalen hinweg dar. Hier präsentieren wir ein automatisiertes Biofilm-Bildgebungssystem auf Basis der optischen Kohärenztomographie (OCT). OCT ist eine neue bildgebende Technik in der Biofilmforschung. Die Datenmenge, die derzeit erfasst und verarbeitet werden kann, behindert jedoch die statistische Schlussfolgerung großer Muster in der Biofilmmorphologie. Das automatisierte OCT-Bildgebungssystem ermöglicht die Abdeckung großer räumlicher und erweiterter zeitlicher Skalen des Biofilmwachstums. Es kombiniert ein kommerziell erhältliches OCT-System mit einer Robotik-Positionierungsplattform und einer Reihe von Softwarelösungen zur Steuerung der Positionierung der OCT-Scansonde sowie zur Erfassung und Verarbeitung von 3D-Biofilm-Imaging-Datensätzen. Dieses Setup ermöglicht die in-situ und nicht-invasive automatisierte Überwachung der Biofilmentwicklung und kann weiterentwickelt werden, um DIE OCT-Bildgebung mit Makrofotografie und Mikrosensorprofilierung zu koppeln.
Einleitung
Biofilme sind eine sehr erfolgreiche mikrobielle Lebensstilanpassung und diese interphasenassoziierten und matrixumschlossenen Gemeinschaften von Mikroorganismen dominieren das mikrobielle Leben in natürlichen und industriellen Umgebungen1,2. Dort bilden Biofilme komplexe Architekturen, wie längliche Streamer3, Ripples4 oder pilzartige Kappen5 mit wichtigen Folgen für Biofilmwachstum, strukturelle Stabilität und Stressresistenz6. Während viel über die strukturelle Differenzierung von Biofilmen aus der Arbeit an Mono....
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Protokoll
1. Einrichtung des Positioniergeräts
- Verdrahten Sie das Positioniergerät mit einer Mikrocontrollerplatine, die den Anweisungen in https://github.com/grbl/grbl/wiki/Connecting-Grbl folgt.
- Schließen Sie den Mikrocontroller über ein USB-Kabel an einen Single-Board-Computer mit Internetverbindung an und installieren Sie den GRBL-Server wie in https://gitlab.com/FlumeAutomation/GRBL_Server.git beschrieben. Nun sollte das Positionierungsgerät über eine Webseite, die in http://IP:5020/ gehostet wird, navigierbar sein. Alternativ kann das Positionierungsgerät mit einem Python-Skript navigiert werden, wie im ersten Teil des bearbeiteten Beispiels <....
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Ergebnisse
Wir demonstrieren die Funktionalität des automatisierten OCT-Bildgebungssystems mit einem Flume-Experiment zur Untersuchung der räumlich-zeitlichen Morphogenese von phototrophen Strombiofilmen. Eine allmählich emittierende Geometrie der Flumen induzierte Gradienten in der Strömungsgeschwindigkeit entlang der Mitte des Flumes (siehe Referenz17). Die zeitliche Entwicklung und strukturelle Differenzierung des Biofilms wurde über 18 Tage überwacht, um die Auswirkungen hydrodynamischer Bedingungen auf d.......
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Diskussion
Die OCT-Bildgebung eignet sich gut, um Strukturen im Mikrometerbereich mit einem FOV von mehreren Quadratmillimetern aufzulösen. Es ist somit ein leistungsfähiges Werkzeug für die Biofilmforschung10,18. Allerdings ist OCT derzeit auf eine maximale Scanfläche von 100 - 256 mm2beschränkt, während Biofilmstrukturmuster diese räumliche Skala oft übersteigen19, insbesondere wenn die morphologische Differenzierung durch große Umweltgr.......
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Offenlegungen
Sebastian Schäfer ist bei Thorlabs Inc. angestellt.
Danksagungen
Wir danken Mauricio Aguirre Morales für seinen Beitrag zur Entwicklung dieses Systems. Finanzielle Unterstützung kam vom Schweizerischen Nationalfonds an T.J.B.
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| OCT-Sonde | Thorlabs | GAN210C1 | OCT-Bildgebungsgerät |
| OCT-Scan-Objektiv | Thorlabs | OCT-LK3-BB | |
| Tauchadapter | Thorlabs | OCT-IMM3-SP1 | |
| Stepcraft 840 CK | STEPCRAFT | NA | Positionierungsgerät |
| Mikrocontroller | Arduino Uno R3 | NA | |
| Einplatinencomputer | Raspberry PI | ||
| NA Kamera | Canon EOS 7D Mark II | NA | |
| Kameraobjektiv | Canon MACRO EFS 35 mm | NA |
Referenzen
- Flemming, H. C., Wingender, J. The biofilm matrix. Nature reviews. Microbiology. 8, 623-633 (2010).
- Flemming, H. -C., et al. Biofilms: an emergent form of bacterial life. Nature reviews. Microbiology. 14, 563(2016).
- Stoodley, P., Lewandowski, Z., Boyle, J. D., Lappin-Scott....
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Nachdrucke und Genehmigungen
