$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Bağırsak mikrobiyotası, bakteriler, mantarlar, arkeler ve virüsler dahil olmak üzere geniş bir mikroorganizma ağıdır ve bir insan konakçınınkinden çok daha fazla olan büyük bir genetik ve metabolik repertuar içerir1. Mikrobiyomun zengin metabolik kapasitesi, diyet besinlerinin bakteriyel olarak işlenmesinden üretilen metabolitleri, bakteriler tarafından kimyasal olarak modifiye edilmiş konakçı metabolitlerini ve mikrobiyota2 tarafından benzersiz bir şekilde sentezlenen metabolitleri içerir. Mikrobiyota hemen hemen tüm konak biyoproseslerinde rol oynar, aynı zamanda inflamatuar bağırsak hastalığı, kanser, metabolik bozukluklar ve hatta nörolojik bozukluklar gibi hastalık durumlarında da rol oynar 2,3. Mikrobiyotanın katkısını konakçınınkinden ayırmak, belirli mikroorganizmaların veya karmaşık toplulukların sağlık ve hastalıktaki rolünü anlamak için çok önemlidir. Bu diseksiyonu mümkün kılan bir yaklaşım, dinamik koşullar altında çeşitli mikrobiyal toplulukları yetiştiren mikrobiyal biyoreaktörlerin kullanılmasıdır. Büyük ölçekli biyoürün yetiştiriciliği veya metabolik süreçlerin incelenmesi için spesifik besleyici faktörlerin hassas kontrolü dahil olmak üzere, hemen hemen her amaç için dışkı bakteri topluluklarının büyümesine izin veren, ticari olarak temin edilebilen birçok biyoreaktör vardır. Bununla birlikte, bu sistemler son derece maliyetlidir ve kapsamlı bir hazırlık gerektirir ve çeşitli deneysel koşulların paralel olarak incelenmesine olanak sağlamaz. Daha az maliyetli, daha uyarlanabilir ve birçok paralel koşula izin veren basitleştirilmiş bir yaklaşım için, burada Auchtung ve ark.4'ten uyarlanan sürekli akış altında bir mini biyoreaktör dizisinin kurulumu ve kullanımı için protokolü sunuyoruz.
Mini biyoreaktör sisteminin tam kurulumu Şekil 1A'da gösterilmiştir. Bu mini biyoreaktör sistemi, sürekli ortam iletimini ve çıkarılmasını sağlamak için birbirinden tamamen bağımsız olan ve peristaltik akış altında anaerobik bir odaya kurulan 6 reaktör kuyusundan oluşan dizileri kullanır (Şekil 1A). Her reaktör dizisi, kaynak ortam ve atık akışı için 60 durdurmalı boruyu tutan iki adet 48 kasetli peristaltik pompa ile 2 konumlu bir manyetik karıştırma plakası üzerine oturur (Şekil 1A). Anaerobik oda, oksijen içeriği için bir CAM-12 anaerobik monitör, ısıtma kapasitesine sahip oksijeni uzaklaştırmak için bir katalizör kutusu ve bakteri metabolizmasından fazla gazı emmek için bir hidrojen sülfür giderme kolonu ile donatılmıştır. Her reaktör kuyusu, her bir reaktör kuyusunun aşılanmasına veya numune alınmasına izin veren bir kaynak ortam girişi, atık çıkışı ve numune portu ile donatılmıştır (Şekil 1B).
Açıklandığı gibi, biyoreaktör sistemi, dışkı topluluklarının yetiştirilmesini ve bakımını desteklemek için sıcaklık, ortam tüketimi ve besin mevcudiyeti üzerinde dinamik kontrol sağlar. Sıcaklık, ısıtma kapasitesine sahip bir katalizör kutusu tarafından modüle edilir ve tüm anaerobik oda boyunca sıcaklık değişikliklerinin hızlı bir şekilde uygulanmasını sağlar. Ortam tüketimi, reaktörlerdeki ortam devir hızını değiştirmek için değiştirilebilen peristaltik pompa akış hızları tarafından düzenlenir. Medya devri, reaktörlerde yetiştirilen topluluk türlerine göre özelleştirilebilir, örneğin, yavaş büyüyen veya çok hızlı büyüyen hedef suşlar için uyarlanabilir. Son olarak, besin mevcudiyeti, her bir reaktör kuyusu için ayrı numune portları aracılığıyla bileşenler eklenerek dinamik olarak değiştirilebilir. Bir deneyin başlangıcında değiştirilebilen, ancak sistemde dinamik kontrole sahip olmayan statik koşullar, ortam tipi, oksijen içeriği ve eşzamanlı reaktör sayısıdır. Araştırmacılar istedikleri herhangi bir kaynak medyayı uygulamayı seçebilirler ve burada bir medya açıklanırken, sonsuz sayıda başka kaynak medya türü başarıyla uygulanmıştır. Reaktörler aerobik veya mikroaerofilik koşullar altında çalıştırılabilir (mikroaerofilik bir odanın mevcudiyetine bağlı olarak). Son olarak, araştırmacının deneysel ihtiyaçlarına bağlı olarak gerektiği kadar çok veya az sayıda reaktör kurulabilir. Reaktörler bir dizi içinde altılı setler halindeyken, her reaktör diğerlerinden bağımsız olarak çalışır ve istenirse her biri farklı bir kaynağa bağlanabilir.
Bu modüler biyoreaktör sistemi, yaklaşık 25.000 ABD Doları (anaerobik oda veya odaya özgü bileşenler dahil değil) karşılığında tamamen kurulabilir ve yeniden kullanılamayan tek parça, sistemin çalışması başına 100 ABD Dolarından daha az bir fiyata değiştirilebilen borudur. Sistem çoğunlukla otomatiktir, ancak medya kaynak şişelerinin boşaldığında değiştirilmesi gerekeceğinden, medya seviyelerinin günlük olarak kontrol edilmesini gerektirir. Ek olarak, herhangi bir örnekleme manuel olarak tamamlanmalıdır ve sistemdeki herhangi bir dinamik koşullu değişikliğin manuel olarak başlatılması gerekecektir (örneğin, sıcaklığın değiştirilmesi). Auchtung ve ark. tarafından yayınlanan orijinal sistem protokolünden, genel performansı ve yardımcı programı iyileştirmek için birkaç değişiklik yapıldı4. İlk olarak, biyoreaktör dizisinin 3D baskısı için malzeme, tekrarlanan otoklavlama turları yoluyla sistemin yapısal bütünlüğünü iyileştirmek için ABS benzeri Yarı Saydam Şeffaf Plastik olacak şekilde modifiye edilir. Ek olarak, 1/8 inç (3,2 mm) OD PTFE boru yerine, E-LFL, 2,06 mm ID, 100 ft boru kullanılır, çünkü çökmeye karşı daha dirençli olan daha sağlam malzeme nedeniyle sistemde akışta tıkanmalara neden olur. Son olarak, medya kaynaklı şişelerden tüp kaymasındaki değişiklikleri azaltmak için dikenli erkek adaptörlere 1/4 -28 mm diş kullanan ek bir bağlantı parçası kullanılır. Han ve ark.'dan, uyarlanmış MEGA medya tarifi, titiz anaerobik mikroorganizmaların yetiştirilmesini sağlayan tanımlanmamış, karmaşık, oldukça zengin bir ortam sağlar5. Ortam, histidin-hematin bileşeninin alternatif preparatını kullanmak için modifiye edilir, çünkü orijinal artık ticari olarak mevcut değildir. Sodyum hidroksit ayrıca ortamın pH değerini 7.0'a veya istenen herhangi bir pH'a çıkarmak için kullanılır. Genel olarak, bu sistem bütçe ve kullanıcı dostudur, optimize edilmiştir ve sürekli akış kültürü sistemlerine mükemmel bir giriş noktasıdır.
Bu protokolde, malzemeler, sistemin sterilizasyonu ve daha sonra bağırsakta insanlaştırılmış murin dışkı örneklerinin yetiştirilmesi için kullanım dahil olmak üzere bu mini biyoreaktör dizi sisteminin kurulumunu ayrıntılı olarak açıklıyoruz. Bu yöntemin genel amacı, kontrollü koşullar altında mikrobiyal toplulukların yetiştirilmesi için kullanılabilecek uyarlanabilir ve uygun maliyetli bir biyoreaktör sistemi oluşturmaktır. Mini biyoreaktör sisteminin montajı için iş akışının ayrıntılı bir şeması Şekil 2'de verilmiştir ve protokol içindeki uygun adımlarda referans alınmıştır. Örneğimizde, insanlaştırılmış bağırsak farelerinden aynı dışkı örneği ile iki reaktörü aşlıyoruz ve sürekli bir MEGA ortam akışı altında mikrobiyal topluluk yapısını tanımlıyoruz.

Şekil 1: Anaerobik odadaki mini biyoreaktör dizisi kurulumunun şematik diyagramı. (A) Anaerobik odada tamamlanan mini biyoreaktör dizisi kurulumunun tam görünümü. 6 kuyulu biyoreaktör dizisi, 60 konumlu manyetik karıştırma plakası üzerinde yer almaktadır. Kaynak luer tee ağı, iki delikli şişe kapağı aracılığıyla sol taraftaki kaynak ortama bağlanır. İki peristaltik pompa, kaynaktan gelen 2 durdurmalı boruyu ve atık ağlarını sırasıyla solda ve sağda tutar. Atık luer tişört ağı, sağ taraftaki atık şişesine boşalır. CAM-12 monitörü, ısıtma kapasitesine sahip katalizör kutusu ve hidrojen sülfür giderme kolonu dahil olmak üzere anaerobik odanın çalışması için gerekli ekipman, dizi sisteminin etrafındaki oda içinde düzenlenmiştir. (B) Reaktörde uygun yükseklikte ortam bulunan bir reaktör kuyusuna bağlı kaynak, numune ve atık portlarının üstten görünümü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: Mini biyoreaktör dizisi montaj iş akışının şematik diyagramı. (A) Mini biyoreaktör dizisinin yukarıdan aşağıya görünümü, kaynağın, atığın ve numune portlarının yönünü gösterir. (B) Protokolün 2.3-2.4 adımlarını gösteren görünümle mini biyoreaktör dizisinin yandan görünümü. 1/8 inç PTFE boru ve bağlantı parçası (1) takılır ve atık ve s'ye yerleştirilir.ample portlar. PTFE'siz bağlantı parçası (1) kaynak bağlantı noktasına takılmıştır. (C) Protokolün 2.5-2.6 adımlarını gösteren mini biyoreaktör dizisinin yandan görünümü. Bağlantı parçası (2) kaynak ve atık portlarına takılıdır. Bağlantı parçası (3) numune portuna takılır ve bunun için bağlantı parçası (4) üstüne yerleştirilir. (D) Adım 2.9-2.11'i gösteren mini biyoreaktör dizisinin yandan görünümü. E-LFL 2.06 mm boru, kaynak ve atık portlarına bağlanır ve diğer ucu bağlantı parçalarına (5) ve ardından (6) bağlanır. Uygun çaptaki 2 durdurmalı boru daha sonra bağlantı parçasına (6) bağlanır. Ters bağlantı daha sonra 2 durdurmalı borunun sonunda tekrarlanır, bağlantı parçası (6) 2 durdurmalı boruya bağlanır ve bağlantı parçası (5) buna bağlanır. Son olarak, E-LFL 2.06 mm boru, luer tee ağına bağlantı için bağlantı parçasına (5) bağlanacaktır. (E) Adım 2.12-2.15'te açıklanan kaynak ve atık luer tee ağ kurulumunu gösteren mini biyoreaktör dizisinin yukarıdan aşağıya görünümü. Bağlantı parçası (5) ile biten E-LFL 2.06 mm boru, her bir reaktörü, son açıklığı kaynak veya atık şişesindeki kapağa bağlı olan birkaç bağlantı parçasına (7) bağlamak için kullanılır. (F) Adım 2.16-2.17'de açıklanan iki delikli şişe kapağı tertibatının yandan görünümü. Kapaktaki bir açıklık, şişenin içine yerleştirilen PTFE boruya bağlanır. Bu açıklığa bağlantı parçası (1), ardından bağlantı parçası (2) ve bağlantı parçasına (2.06) bağlı E-LFL 5 mm boru yerleştirilir. Bu bağlantı parçası, kaynak veya atık luer ağına bağlanır. PTFE boruya bağlı olmayan açıklığa, bağlantı parçası (1) takılır, ardından bağlantı parçası (2) takılır ve E-LFL 2.06 mm boru başka bir bağlantı parçasına (5) bağlanır. Bu uç, gelecekte steril bir 0.22 μM şırınga filtresine bağlanmak için otoklav sterilizasyonu sırasında folyo ile kapatılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.