Model-based and experimental evaluation of microfluidic cultivation with single-cell resolution

  • Modellbasierte und experimentelle Auswertung von mikrofluidischer Kultivierung mit Einzelzellauflösung

Westerwalbesloh, Christoph; Kohlheyer, Dietrich (Thesis advisor); Mitsos, Alexander (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Die mikrofluidische Einzelzellkultivierung hat viele Anwendungen in der biologischen Forschung gefunden, allerdings erschweren ein Mangel an Messmethoden und die große Bandbreite an Technologien und Experimentalbedingungen die Nutzung. In dieser Studie wurden Massen- und Stofftransport numerisch simuliert, um verschiedene Fragestellungen aus der Anwendung zu beantworten und die komplexen Interaktionen von Technologie, kultiviertem Organismus und Experimentalbedingungen besser zu verstehen. Ein einfaches Modell zur Vorhersage von Nährstoffverfügbarkeit für Substanzen wie Glukose, die durch flüssige Nährmedien bereitgestellt werden, wurde für mikrofluidische Kultivierungsapparate entwickelt. Wachstumskammern, die Bereiche der Apparate in denen Nährstofflimitationen am wahrscheinlichsten auftreten, wurden detaillierter modelliert. Dabei wurden Modellvereinfachungen erfolgreich angewendet um den Rechenaufwand zu verringern. Darüber hinaus wurde die Verfügbarkeit von Sauerstoff, der durch das Material der mikrofluidischen Chips diffundiert, simuliert. Sie wurde als für Kultivierungen ausreichend und für besser als in großskaligen Bioreaktoren befunden. Die entwickelten Modelle wurden auf einen mikrofluidischen Apparat für bakterielle Mischkulturen angewendet und die Ergebnisse der Simulationen stimmten mit denen der Experimente gut überein. Weiterhin wurden mit Hilfe einer Simulationsstudie verschiedene mikrofluidische Kultivierungstechnologien bezüglich ihrer Eignung zur Reproduktion zeitvarianter Nährstoffkonzentrationen, wie sie wahrscheinlich in industriellen Bioreaktoren auftreten, verglichen und Wachstumskanäle als vielversprechendste Technologie identifiziert. Schließlich, um eine Wachstumskinetik für zukünftige Experimente und Simulationen bereitzustellen, wurden Einzelzellwachstumsraten von Corynebacterium glutamicum für einen großen Konzentrationsbereich mit Protocatechusäure als einziger Kohlenstoffquelle gemessen. Im Ergebnis zeigte sich eine Monod-Kinetik mit Inhibitionseffekten für hohe Protocatechusäurekonzentrationen und gesteigerte Einzelzellvariabilität für langsam wachsende Kolonien.

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