Капельная микрофлюидика является важной вехой в выращивании и исследовании микроорганизмов. Их принцип основан на несмешиваемости двух жидкостей. Масляная и водная жидкость объединяются в крошечной системе каналов. Масляная жидкость включает в себя воду, и образуются маленькие капли размером около 200 пиколитров. С помощью вспомогательной молекулы предотвращается повторное слияние отдельных капель. Капли служат крошечными биореакторами, каждый из которых может быть инокулирован бактериальной клеткой. Это обеспечивает большое количество чистых культур для поиска новых микроорганизмов или активных веществ. В дополнение к небольшому пространству, этот метод недорог и работает с высокой пропускной способностью - очень быстро. Это позволяет микрофлюидикам ускорить поиск новых антибиотиков.
Картинная галерея
Картинная галерея с 5 картинками
моделирование
Реально сопоставьте наименьшие объемы микрофлюидики
Сортировать капли по типу бактерий
«Микрофлюидика имеет много преимуществ», - говорит доктор. Мигель Товар из Биотехнологического центра Лейбница-ХКИ. «Но при культивировании, которое иногда длится неделями, капли смешиваются, так что у нас больше нет представления о том, какие бактерии находятся в какой капле», - продолжает Товар. Чтобы решить эту проблему, они привлекли опыт исследовательской группы прикладной системной биологии, которая использовала искусственный интеллект для разработки системы, которая может сортировать капли в соответствии с типом бактерий или экспериментальными условиями.
«Мы добавили маленькие пластиковые шарики разных цветов и комбинаций в капли», - объясняет доктор. Оксана Швыдкив, ответственная за проведение этих экспериментов в биотехнологическом центре. Эти шарики, известные в техническом языке как шарики, кодируют капли и их содержимое. «Камера создает изображение каждой капли, которая движется по каналу. Используя это изображение, компьютер анализирует цвета, чтобы определить и отсортировать капли », - добавляет доктор. Карл-Магнус Свенссон из Исследовательской группы прикладной системной биологии.
Выполнять тесты параллельно
Ученые провели два эксперимента, чтобы проверить и подтвердить концепцию. В первом эксперименте они добавляли в капли различные концентрации антибиотиков и сортировали их по цветовой кодировке. Цвет или цветовая комбинация всегда использовались для определенной дозы антибиотика. Результат подтвердил предположение: с помощью микрофлюидики и цветовых кодов шариков такие и сопоставимые испытания могут проводиться параллельно в будущем. Команда провела второй эксперимент на устойчивом к антибиотикам микробе. Они протестировали девять разных антибиотиков. Только три из них оказались эффективными. Распределение по группам в соответствии с цветовыми кодами снова сработало.
моделирование
Как мультифизическое моделирование помогает в разработке композитных структур
«Нам, как теоретической группе, очень приятно, что мы можем поддержать наших коллег в биотехнологическом центре», - говорит Фигге. В настоящее время он и его отдел работают над устранением различных источников ошибок. Например, в некоторых случаях компьютер не распознает цвета шариков точно и поэтому назначает их неправильно. По этой причине количество цветовых комбинаций также ограничено. «Тем не менее, я думаю, что мы можем использовать около ста различных цветовых комбинаций», - говорит Свенссон.
Кампус объединяет компетенции
«Микрожидкостные системы увеличивают количество попаданий в методах микробиологического поиска, потому что они могут выполнять огромное количество образцов за короткое время. Однако этого можно достичь только с помощью сложных оптических технологий и очень мощной обработки данных. Все эти компетенции объединены в оптике Leibniz Science Campus Infecto. Мы вносим важный вклад в создание нового Кластера передового баланса Microverse в Йене. Это посвящено динамике и регуляции сложных микробных сообществ, так называемых микробиомов. Микрофлюидика поможет лучше понять такие микробиомы и их вклад в здоровье человека, животных и растений », - говорит Фигге, профессор прикладной системной биологии в Университете Фридриха Шиллера в Йене.
Оригинальная публикация:
Свенссон С. М., Швыдкив О., Дитрих С., Малер Л., Вебер Т., Чоудхари М., Товар М., Фигге М. Т., Рот М. (2019) Кодирование экспериментальных условий в микрожидкостных анализах с каплями с использованием цветных шариков и машинного обучения с поддержкой анализа изображений. Малый 15 (4), е1802384
Дополнительная информация по теме микробного разнообразия как источника новых натуральных продуктов
Биотехнический центр Института биологических исследований и биологии инфекции им. Лейбница - Институт Ханса Кнелла - занимается разработкой и оптимизацией биологических процессов, с помощью которых можно обнаруживать, исследовать и использовать новые активные вещества, образованные микроорганизмами. Спектр процессов варьируется от микрофлюидных систем скрининга для сверхвысокой производительности до ферментации в пилотном масштабе с рабочим объемом 4,5 м³.
В настоящее время предполагается, что максимум 5 процентов всех микроорганизмов, присутствующих в природе, доступны для исследований в лаборатории. Гораздо большее количество не может быть выращено в стандартных условиях или вытесняется быстро растущими видами. Микробное разнообразие, которое до сих пор практически не использовалось, является практически неисчерпаемым источником новых природных веществ, которые были оптимизированы для определенных биологических активностей в ходе эволюции.
С новыми технологиями сверхвысокой пропускной способности исследователи из HKI хотят лучше раскрыть разнообразие микроорганизмов и преодолеть существующие препятствия в поиске новых активных ингредиентов. Для этого они используют микрофлюидику на основе капель, которая позволяет массово культивировать отдельные микроорганизмы в каплях нескольких пиколитров и позволяет тестировать эти микрокультуры на предмет образования новых антибиотиков.
Ученые используют водные капли, которые отделены друг от друга масляной фазой, в качестве миниатюрных сосудов для культур для чистых культур бактерий и грибов. Чтобы определить, какие штаммы росли в выбранных условиях, они использовали флуоресцентные маркеры. Благодаря этой технологии до девяти миллионов отдельных клеток могут быть выделены из их естественной среды обитания и распределены по каплям в течение часа. Это предотвращает конкуренцию за питательные вещества или пространство между микробами, так что медленно растущие виды также могут расти. Инкубация капель может происходить в течение нескольких месяцев при достаточном поступлении кислорода.