Tốc độ rung và quỹ đạo của TỦ lắc ảnh hưởng đến sự
phát triển của vi khuẩn trong quá trình nuôi cấy
Mary
Kay Bates, David S. Phillips và Janet O'Bryan, Thermo Fisher Scientific
Tóm
tắt
Vi khuẩn nuôi cấy
trong bình và đặt trong tủ lắc vi khuẩn được sử dụng cho rất nhiều mục đích,
như sản xuất protein ngoại lai hay vật liệu di truyền cho các ứng dụng nghiên cứu.
Sự sinh trưởng của của các vi sinh vật bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trong đó
các yếu tố như nhiệt độ, độ thông khí được điều khiển bởi quỹ đạo của máy lắc
cơ học. Bài báo này tập trung vào các thông số rung lắc và cách thay đổi chúng để
cho những đặc tính lắc khác nhau như đường kính quỹ đạo, tốc độ quay. Các tác
giả cũng đưa ra công thức chuyển đổi tốc độ cho phép chuyển đổi giữa các máy lắc
có quỹ đạo khác nhau một cách thuận lợi.
Giới
thiệu
Từ
khi Robert Koch đề xuất quy trình nuôi cấy vi khuẩn và nghiên cứu vào thế kỷ
19, vi khuẩn vẫn thường được nuôi cấy trên các đĩa thạch và trong môi trường
nuôi cấy lỏng với hàng nghìn các biến thể. Vi khuẩn được nuôi cấy trong bình trong
tủ lắc nhằm sản xuất DNA và protein, ứng dụng cho việc nghiên cứu sinh học vi
khuẩn hoặc để sử dụng trong quá trình sản xuất thực phẩm. Sự sinh trưởng kiểu
này thường rất nhạy cảm với các điều kiện như nhiệt độ, pH, nồng độ oxy, nồng độ
chất dinh dưỡng, kích cỡ bình, thể tích môi trường nuôi cấy lỏng, lượng vi khuẩn
sử dụng để nuôi cấy và đặc tính sinh trưởng của các chủng vi khuẩn đã chọn. Trong
đó, hai thông số nhiệt độ và độ thông khí có thể điều chỉnh được. Do có nhiều
loại tủ lắc với các đặc tính cơ học khác nhau nên khi chuyển từ loại tủ này
sang loại tủ khác đòi hỏi người sử dụng phải kiểm tra các tốc độ lắc khác nhau
để tìm điều kiện tăng trưởng gần giống với điều kiện ban đầu, đây cũng là một vấn
đề tương đối khó khăn. Trong bài báo này, các tác giả sẽ cung cấp thông tin,
cho phép người sử dụng dễ dàng chuyển từ tủ lắc cũ sang tủ lắc mới giúp tiết kiệm
thời gian và chi phí do loại bỏ việc phải khảo sát để tìm các điều kiện tối ưu
mới.
Sự
sinh trưởng và trao đổi chất phụ thuộc vào lượng oxy hòa tan
Trong quá trình sinh
trưởng và sản xuất protein, oxy cần phải được cung cấp đủ; nếu oxy không đủ, vi
sinh vật sẽ chết hoặc chuyển sang trạng thái sinh trưởng yếm khí, điều này sẽ tạo
ra các sản phẩm không mong muốn như rượu, CO2 hay axit. Đối với vi
khuẩn hiếu khí và kị khí, tỷ lệ tăng trưởng và trao đổi chất của chúng phụ thuộc
vào lượng oxy hòa tan có sẵn trong môi trường tăng trưởng. Do oxy chỉ có khả
năng tan hạn chế trong chất lỏng và sự phát triển của vi khuẩn hiếu khí phụ thuộc
vào lượng oxy hòa tan, do vậy nếu không thể bơm oxy trực tiếp vào môi trường
nuôi cấy vi sinh vật thì cách tốt nhất là khuấy mạnh hoặc rung lắc môi trường
nuôi cấy.
Thể
tích nuôi cấy quá lớn sẽ làm giảm lượng oxy hòa tan
Vi khuẩn được tăng trưởng
trong các bình có kích cỡ khác nhau, được đặt trong tủ lắc với quỹ đạo quay nhất
định. Kết quả thu được sẽ tốt nhất khi thể tích nuôi cấy bằng khoảng 10-25% thể
tích bình. Vì khi thể tích dịch nuôi cấy nhỏ hơn sẽ giúp tăng tối đa diện tích
bề mặt tiếp xúc giữa chất lỏng và không khí. Do đó, với bình 2l, thì thể tích
môi trường nuôi cấy khoảng 200 -500 ml là thích hợp. Các vách ngăn trong bình
nuôi cấy không được khuyến cáo vì chúng khiến môi trường bị bắn lên khi lắc, tạo
ra bọt có thể môi trường bị tràn ra khỏi bình hay làm môi trường nuôi cấy bị
nhiễm.
Quỹ
đạo lắc: liên quan đến độ hòa tan của oxy
Thiết bị lắc dùng trong
nuôi cấy vi khuẩn có hai thông số quan trọng. Một là đường kính quỹ đạo lắc,
thông số này phụ thuộc vào từng thiết bị. Hầu hết các tủ lắc có quỹ đạo từ 0.5
inch (1.27 cm) đến 2 inch (5.1 cm). Kích thước của quỹ đạo sẽ ảnh hưởng đến sự
lưu thông của các tế bào vi khuẩn và độ hòa tan của oxy trong môi trường nuôi cấy.
Người ta đã xác định được đường kính quỹ đạo lắc và tốc độ truyền oxy (Oxygen
Transfer Rate- OTR) có mối quan hệ tuyến tính. Vì vậy nếu đường kính quỹ đạo lắc
tăng gấp đôi thì tốc độ truyền oxy vào chất lỏng OTR cũng tăng gấp đôi.
Tương tự như vậy, OTR
cũng có mối quan hệ 1:1 với thông số thứ hai- tốc độ lắc.Ví dụ bình 250ml, có
thể tích nuôi cấy là 26ml, đường kính quỹ đạo 2 inch, tốc độ lắc là 150 vòng/
phút, thì OTR tối đa là 11, khi tốc độ lắc tăng lên là 300 vòng/phút thì OTR tối
đa là 20,5. Tuy vậy cũng không nên tăng tốc độ lắc lên quá cao, do tốc độ cao tạo ra ứng suất cắt
có thể gây hại cho tế bào vi khuẩn.
Gia
tốc tạo ra do lực ly tâm và vận tốc
Khi lắc vi khuẩn trong
bình nuôi cấy để cung cấp oxy, các nhà nghiên cứu quan tâm chủ yếu đến diện
tích bề mặt của chất lỏng, vì đó là nơi tiếp xúc với không khí, nơi oxy từ
không khí đi vào trong lòng chất lỏng. Khi rung lắc bình, chất lỏng sẽ tráng
lên thành bình, làm tăng diện tích tiếp xúc với không khí, do vậy sẽ tăng được
lượng oxy hòa tan.
Khi chuyển từ tủ lắc cũ
sang tủ lắc mới có quỹ đạo khác, mục tiêu ở đây là cần giữ nguyên được tỷ lệ
OTR tức là tốc độ khuấy mới phải tạo ra lực tương tự và làm cho diện tích tiếp
xúc giữa pha lỏng và pha khí là giống với máy ban đầu. Dựa vào định luật 2
Newton, các tác giả đã đưa ra được công thức tìm tốc độ tối ưu khi chuyển sang tủ
lắc mới như sau:
Trong đó:
r1, r2
tương ứng là bán kính quỹ đạo của tủ lắc thứ nhất và thứ hai (vòng/phút);
d1, d2
tương ứng là đường kính quỹ đạo của tủ lắc thứ nhất và thứ hai;
Ví dụ, khi
chuyển từ một tủ lắc có quỹ đạo 1 inch (2,5 cm),tốc độ lắc là 300
vòng/phút, sang một tủ lắc mới với quỹ đạo
0,75 inch (1,8 cm) thì kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng nếu tốc độ lắc là 350 vòng/phút thì sẽ cho tỷ lệ OTR
tương tự như tủ ban đầu. Áp dụng với công thức trên, ta thấy tốc độ tính toán
được là 346 rpm, gần đúng với tốc độ thực nghiệm 350 rpm.
Trong một ví dụ khác, thực
nghiệm cho thấy khi chuyển từ tủ lắc có đường kính 18 mm, tốc độ lắc 230
vòng/phút sang tủ lắc mới có đường kính 25 mm thì tốc độ 200 vòng/phút sẽ cho tỷ
lệ OTR tốt nhất. Phương trình cũng tính ra tốc độ mới là 196 rpm. Các ví dụ này
đã chứng tỏ rằng công thức tính toán trên phù hợp với kết quả thực nghiệm, với
sai số khoảng 2-3%. Do đó, người dùng có thể sử dụng công thức này để dễ dàng
thiết lập tốc độ lắc khi chuyển từ một tủ lắc này sang một tủ lắc khác, và chỉ
cần làm tròn bằng cách tăng hoặc giảm tốc độ dự đoán sang tốc độ gần đúng nhất,
mà không cần phải tiến hành thực nghiệm để tìm tốc độ tối ưu.
Kết
luận
Trong quá trình chuyển
việc nuôi cấy từ một tủ lắc nào đó sang một tủ mới có quỹ đạo khác nhau, có thể
dựa vào đường kính quỹ đạo để điều chỉnh tốc độ lắc của máy để đạt được OTR
thích hợp cho vi khuẩn phát triển tối ưu. Khi đó sự thay đổi nhẹ nhàng của môi
trường sẽ không làm tổn hại đến tế bào vi khuẩn. Bài báo này đưa ra công thức
chuyển đổi tìm tốc độ lắc phù hợp khi chuyển từ tủ lắc ban đầu sang tủ lắc mới
có quỹ đạo khác. Việc tính toán đơn giản sẽ tiết kiệm được thời gian và vật liệu
cần thiết cho thử nghiệm nhằm xác định tốc độ thích hợp tạo ra OTR phù hợp cho
sự phát triển của vi khuẩn trên thiết bị mới.
Dịch thuật: Hamesco Vietnam
