Difference between revisions of "Team:NCKU Tainan/Results"

Line 1: Line 1:
 
{{NCKU_Tainan/header}} {{NCKU_Tainan/navbar}} {{NCKU_Tainan/style}}
 
{{NCKU_Tainan/header}} {{NCKU_Tainan/navbar}} {{NCKU_Tainan/style}}
 +
 +
<html>
 +
 +
<head>
 +
    <link rel="stylesheet" href="https://2018.igem.org/Template:NCKU_Tainan/css/hardware?action=raw&ctype=text/css">
 +
</head>
 +
 +
<body data-spy="scroll" data-target=".navbar-example">
 +
 +
    <!--Page_Content-->
 +
    <div class="container content">
 +
        <h1 class="head">Results</h1>
 +
        <div class="navbar-example">
 +
            <div class="row">
 +
                <div class="col-2 side">
 +
                    <div id="sidelist" class="list-group">
 +
                        <a class="list-group-item list-group-item-action" href="#Overview">Overview</a>
 +
                        <a class="list-group-item list-group-item-action" href="#Construction">Construction</a>
 +
                        <a class="list-group-item list-group-item-action" href="#Total_solution">Total solution</a>
 +
                        <a class="list-group-item list-group-item-action" href="#Bioreactor">Bioreactor</a>
 +
                        <a class="list-group-item list-group-item-action" href="#Nutrient_tank">Nutrient tank</a>
 +
                        <a class="list-group-item list-group-item-action" href="#Materials_required">Materials required</a>
 +
                        <a class="list-group-item list-group-item-action" href="#"><i class="fa fa-arrow-up fa-1x"
 +
                                aria-hidden="true"></i></a>
 +
                    </div>
 +
                </div>
 +
                <div class="col-10">
 +
                    <div data-spy="scroll" data-target="#sidelist" data-offset="0" class="scrollspy-example">
 +
                        <div class="container">
 +
 +
 +
                            <div id="Overview">
 +
                                </br></br></br></br>
 +
                                <h3>Overview of the result</h3>
 +
                                <ol>
 +
                                    <li>Construct each part and test the function of CA, and PRK.</li>
 +
                                    <li>Develop a new measurement approach to determine the carbon fixation ability of
 +
                                        each strain.</li>
 +
                                    <li>Estimate the carbon fixation amount with our experiment result.</li>
 +
                                    <li>Characterizing the pH sensing system.</li>
 +
                                </ol>
 +
                            </div>
 +
 +
 +
                            <div id="Construction">
 +
                                </br></br></br></br>
 +
                                <h3>Construction and functional test </h3>
 +
 +
                                <div id="pt">
 +
                                    <h8>PRK</h8>
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        Achievements:</br>
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <ol>
 +
                                        <li>Construction and digestion of DNA gel shows that the size of it was
 +
                                            right</li>
 +
 +
                                        <li>The SDS-PAGE of PRK showed that the expression of PRK in the expected
 +
                                            protein size</li>
 +
 +
                                        <li>PRK toxicity test proves that the function of it varies when cloned
 +
                                            into
 +
                                            different plasmid</li>
 +
                                    </ol>
 +
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        We constructed PRK fragments from IDT DNA synthesis. After PCR amplification,
 +
                                        PRK is then cloned into pSB1C3 and transformed into DH5α. SDS-PAGE ensured that
 +
                                        the protein expression was as expected. The results are shown below:
 +
                                    </p>
 +
                                </div>
 +
 +
                                <img class="contentimg" src=" ">
 +
 +
                                <div id="pt">
 +
                                    <p class="pcontent">
 +
                                        Fig. 1: Confirmation of prk digestion.</br>
 +
                                        Fig. 2: Confirmation of PRK expression in DH5˚α. The expected protein size is
 +
                                        37.7kDa.
 +
                                    </p>
 +
                                </div>
 +
 +
                                <div id="pt">
 +
 +
                                    <p class="pcontent">
 +
                                        We initially decided to test its function by HPLC to measure the amount of RuBP
 +
                                        inside the cell. Our instructors pointed out some difficulties in HPLC
 +
                                        measurement such as excessive noise signal in our sample.We therefore
 +
                                        determined to test its function with a toxicity test. The product of PRK-RuBP
 +
                                        cannot be metabolite by wild type E. coli. The accumulation of RuBP depletes
 +
                                        the sugar from the native pentose phosphate pathway. Lack of carbon source, the
 +
                                        growth of that strain may be repressed. We incubate the PRK expressing strain
 +
                                        and control stain that contains no plasmid in M9 medium and altered M9 medium
 +
                                        with 0.4% xylose as its sole carbon source. In normal M9 medium, glucose will
 +
                                        not be converted into RuBP. In altered M9 medium, xylose will go through the
 +
                                        native pathway and be converted into RuBP. Growth arrest of PRK strain should
 +
                                        be observed.
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <p class="pcontent">
 +
                                        We tested PRK in different strains. We first cloned prk into pSB1C3 and
 +
                                        transformed into BL21(DE3). After 12 hours, the strain without plasmid could
 +
                                        grow up to 1.4 O.D.600 in altered M9 xylose medium. The strain that contains
 +
                                        PRK can grew up to 0.75 O.D.600 in normal M9 medium either. In contrast, the
 +
                                        PRK strain that grew in altered M9 xylose medium showed no growth at all. The
 +
                                        result shows that PRK can suppress/inhibit the growth, which matches to our
 +
                                        expectation.
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <img class="contentimg" src=" ">
 +
 +
                                    <p class="pcontent">
 +
                                        Fig. 3 The result of PRK test in BL21(DE3). The PRK expressing strain is
 +
                                        incubated
 +
                                        in both normal M9 medium and altered M9 xylose medium to compare with the
 +
                                        strain
 +
                                        without plasmid. The PRK expressing strain grown in altered M9 xylose showed
 +
                                        merely
 +
                                        no growth, which proves the function of PRK.
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <p class="pcontent">
 +
                                        Although the function of PRK have been confirmed, we would like to lower the
 +
                                        expression of it to minimize the growth arrest. We thus cloned the part into
 +
                                        pSB3K3, a low copy number plasmid to lower its protein expression. We then
 +
                                        compare
 +
                                        the growth under high and low copy number plasmid. We found out that pSB3K3
 +
                                        shows a
 +
                                        little growth arrest comparing to the strain without plasmid. The growth of it
 +
                                        exceed that of PRK expressed in pSB1C3. We can regulate the expression of PRK
 +
                                        via
 +
                                        high or low copy number plasmid to optimize the growth and carbon fixation
 +
                                        efficiency of the bacteria.
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <img class="contentimg" src=" ">
 +
 +
                                    <p class="pcontent">
 +
                                        Fig. 4 Compares the growth in M9 xylose medium of PR K expressing strain in
 +
                                        high
 +
                                        and low copy number plasmid. The low copy number plasmid, pSB3K3, shows a
 +
                                        little bit of growth retard compare to non-PRK expressing strain. However, the
 +
                                        toxicity is much less than high copy number expressing strain.
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <p class="pcontent">
 +
                                        We also transformed pSB3K3-prk into W3110 strain. W3110 is reported to have
 +
                                        higher pressure tolerance. The trend of the results is similar to that of the
 +
                                        BL21(DE3) but there is no statistically significant between the experiment and
 +
                                        the control group. We deduce that PRK can still function in W3110 since the
 +
                                        trend matches our expectation. As pSB3K3 is a low copy number plasmid, the
 +
                                        expression of protein may be lower than that of high copy number plasmid. The
 +
                                        pressure tolerance of W3110 strain may also lessen the toxicity influence by
 +
                                        PRK.
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <img class="contentimg" src=" ">
 +
 +
                                </div>
 +
 +
                                <div id="pt">
 +
                                    <h8>CA</h8>
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        Achievements:</br>
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <ol>
 +
                                        <li>Construct the ca and transform it into BL21(DE3)</li>
 +
 +
                                        <li>Run the SDS-PAGE to confirm its expression</li>
 +
 +
                                        <li>Measure the activity of CA enzyme</li>
 +
                                    </ol>
 +
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        We cloned the DNA fragments into pSB1C3 plasmid after the gene is amplified
 +
                                        with PCR. We transform the plasmid into DH5-alpha and BL21(DE3). Next, we
 +
                                        confirm its protein expression with SDS-PAGE.
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <img class="contentimg" src=" ">
 +
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        Fig. 5 Confirmation of ca digestion</br>
 +
 +
                                        Fig. 6 Confirmation of CA expression in BL21(DE3). The expected protein size is
 +
                                        27.9kDa.
 +
                                    </p>
 +
 +
                                </div>
 +
 +
 +
 +
                                <div id="pt">
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        We then ran the activity test of CA. In our bypass pathway, the function of CA
 +
                                        is to
 +
                                        convert proton and bicarbonate into water and carbon dioxide. During the
 +
                                        reaction, the
 +
                                        concentration of proton can be easily observed by the pH meter. By measuring
 +
                                        the time
 +
                                        interval between the pH shift and compare with the sample without CA, we can
 +
                                        determine
 +
                                        the activity of that specific enzyme. The enzyme activity of our CA is 21.8
 +
                                        unit/liter.
 +
                                        To confirm the contribution of the CA to the whole pathway, we also ran the
 +
                                        total
 +
                                        solution which will be described in the following content.
 +
                                    </p>
 +
                                </div>
 +
 +
                                <div id="pt">
 +
                                    <h8>Rubisco</h8>
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        Achievements:</br>
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <ol>
 +
                                        <li>Construction and digestion of DNA gel shows that the size of it was right</li>
 +
 +
                                        <li>The SDS-PAGE of PRK showed that the expression of PRK in the expected size</li>
 +
                                    </ol>
 +
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        We constructed PRK fragments from IDT DNA synthesis. After PCR amplification of
 +
                                        the three subunits, rubisco is then cloned into pSB1C3 and transformed into
 +
                                        DH5α. SDS-PAGE ensured that the protein expression was as expected. The results
 +
                                        are shown below:
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <img class="contentimg" src=" ">
 +
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        Fig. 7 Confirmation of rbcL digestion.</br>
 +
 +
                                        Fig. 8 Confirmation of rbcL expression in DH5˚α. The expected protein size is
 +
                                        52.37kDa.
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        After mining a lot of information from the publications, we found out a method
 +
                                        to determine the activity of rubisco by thin-layer chromatographic has been
 +
                                        reported. However, due to time concern, we are not capable of measuring the
 +
                                        enzyme activity of Rubisco with this method. We finally confirm its function
 +
                                        from the results of total solution test.
 +
                                    </p>
 +
 +
                                </div>
 +
 +
                            </div>
 +
 +
 +
                            <div id="Total_solution">
 +
                                </br></br></br></br>
 +
                                <h3>Total solution</h3>
 +
 +
                                <div id="pt">
 +
                                    <h8>Rubisco</h8>
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        Achievements:</br>
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <ol>
 +
                                        <li>Develop an index to evaluate the carbon fixation ability of each
 +
                                            constructed strain</li>
 +
 +
                                        <li>Confirm the importance of Rubisco enzyme in bypass pathway</li>
 +
 +
                                        <li>Check the growth and carbon fixation enhancement of CA enzyme</li>
 +
 +
                                        <li>Compare the carbon fixation rate of W3110 and BL21(DE3) E. coli strains</li>
 +
 +
                                        <li>Compare different CO2 incubation environment</li>
 +
                                    </ol>
 +
 +
                                    <h8>Overview</h8>
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        In the total solution experiment, we strive to measure the carbon fixation
 +
                                        amount of each sample. After reading numerous publications, we found out that
 +
                                        previous researches determine the efficiency of carbon fixation via measuring
 +
                                        the decrease of carbon dioxide concentration in the closed system or measure
 +
                                        the weight
 +
                                        percentage of C14 radioisotope in the dry cell. However, due to biosafety
 +
                                        constrain of our lab, we can barely use the radioisotope. Measuring the
 +
                                        decrease of carbon dioxide concentration in the closed system is also
 +
                                        impractical for us since we have too much test samples. A new method to measure
 +
                                        multiple samples in the short period of time is developed by our team. We are
 +
                                        able to evaluate the fixation efficiency of each sample with optical density
 +
                                        O.D. 600 and xylose consumption. We have measure various construction to prove
 +
                                        that the enzyme of our construction is necessary for carbon fixation.
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        The test samples below were incubated in an altered M9 medium which substitute
 +
                                        glucose to xylose. 1/1000 of LB medium was added to support some rare elements.
 +
                                        Since the concentration of LB medium is too low, it doesn’t contribute the
 +
                                        carbon source of the bacteria.
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        We defined a new index, Xylose Utilization Index, to describe the potential of
 +
                                        carbon fixation. We can compare this index of each strain to find out the
 +
                                        strain that has highest capacity of carbon fixing.
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        To define the XUI index, we firstly made two assumptions:
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <ol>
 +
                                        <li>O.D. 600 of the sample has linear relationship to dry cell weight
 +
                                            (biomass). Optical density is frequently used as a means of describing the
 +
                                            cell density in the broth. We measured the dry cell weight of samples in
 +
                                            different O.D. value and discovered that it has linear relationship. We
 +
                                            conclude that we can utilize O.D. value to estimate the dry cell weight. 1
 +
                                            0.D. of BL21(DE3) strain per litter yields the dry cell weight of 0.8 gram.</li>
 +
                                    </ol>
 +
 +
                                    <img class="contentimg" src=" ">
 +
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        Fig. 9 shows the dry cell weight of BL21(DE3) incubated in altered M9 xylose
 +
                                        medium.
 +
                                        A linear relationship between O.D. and dry cell weight is observed.
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <ol start="2">
 +
                                        <li>The elemental formula of E. coli should be fixed or varies within a
 +
                                            small range. Although there may exist slightly different in different
 +
                                            growth condition, we assume that such error can be ignore during the
 +
                                            following calculation.</li>
 +
                                    </ol>
 +
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        After these two assumptions, the Xylose Consumption Index is designed to
 +
                                        evaluate
 +
                                        the carbon fixation ability of each strain. The definition of the index is
 +
                                        xylose
 +
                                        consumption over O.D. 600. O.D. 600 measurement can be viewed as the weight of
 +
                                        carbon of the bacteria. The index shows the ratio of xylose consumption per
 +
                                        biomass. For wild type E. coli, it only consumes xylose (the sole carbon source
 +
                                        provided in our medium) as its carbon source. Although some native E. coli
 +
                                        pathway
 +
                                        may utilize CO2 (such as lipid synthesis), the amount is too small to consider.
 +
                                        As
 +
                                        for engineered strain, carbon dioxide can be utilized as it’s carbon source. By
 +
                                        producing same amount of carbon biomass, it requires less xylose. We can thus
 +
                                        compare the XUI of each strain to determine the possible strain that fix
 +
                                        carbon.
 +
                                        The less the XUI in the sample, the more possibility that it fix carbon.
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <img class="contentimg" src=" ">
 +
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        We use the Dinitrosalicylic Acid (DNS) reducing sugar assay to measure the
 +
                                        xylose
 +
                                        concentration in the medium. Under base solution, DNS will turn to brown color
 +
                                        while reacting with reductive sugar in high temperature. In the specific
 +
                                        temperature range, the color will have linear relationship with the reductive
 +
                                        sugar
 +
                                        concentration. We can thus measure the xylose concentration at O.D.540.
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <img class="contentimg" src=" ">
 +
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        Fig. 10 Shows the calibration line of DNS assay kit.
 +
                                    </p>
 +
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        Before measuring the XUI, we observe the growth curve of each strain. We found
 +
                                        out
 +
                                        that W3110(L5T7) constructed strain cannot grow in altered M9 solution.
 +
                                        W3110(L5T7)
 +
                                        is a newly constructed strain, we are not quite certain its characteristic. We
 +
                                        eliminate this strain from the following experiment. BL21(DE3) and W3110
 +
                                        constructed strains show little growth after 24 hours.
 +
                                    </p>
 +
 +
 +
 +
                                    <img class="contentimg" src=" ">
 +
 +
                                    <p class="hpcontent">
 +
                                        Fig. 11 shows the growth of W3110(L5T7), BL21(DE3), W3110 incubated in normal
 +
                                        incubator for 24 hours. The growth of W3110(L5T7) is not obvious while other
 +
                                        strains shows growth after 24hours.
 +
                                    </p>
 +
                                   
 +
                                </div>
 +
 +
                            </div>
 +
 +
 +
                            <div id="Bioreactor">
 +
                                </br></br></br></br>
 +
                                <h3>Bioreactor</h3>
 +
                                <div id="pt">
 +
                                    <p class="pcontent">We developed a closed bioreactor system and implemented online
 +
                                        monitoring system
 +
                                        which can live monitoring several environmental parameters. Here is the detail
 +
                                        of our bioreactor.</p>
 +
                                </div>
 +
 +
                                <img class="contentimg" src="">
 +
 +
                                <div id="pt">
 +
                                    <p class="pcontent">Gas inlet port are located on the bioreactor’s lower part while
 +
                                        outlet port are
 +
                                        located on the bioreactor’s upper lid. As low concentration CO2 enters the
 +
                                        bioreactor, it flows
 +
                                        through the diffuser refiner and dissolves in the buffered medium to form acid.
 +
                                        A pH sensor and
 +
                                        temperature sensor is installed to monitor the bioreactor tank for further
 +
                                        control implementation.
 +
                                        Besides, the CO2 concentration level of exhaust gas is monitored by a CO2 gas
 +
                                        sensor, which is
 +
                                        mounted on the upper lid. These sensor’s output is connected to an Arduino
 +
                                        analog input and sensor
 +
                                        readings are displayed on a serial LCD which is attached on the lid of
 +
                                        bioreactor. The data is then
 +
                                        uploaded in real time to a web server via WiFi by using Arduino WiFi Shield.</br></p>
 +
                                </div>
 +
                                </br>
 +
                                <h8>DIY Stirrer</h8></br>
 +
 +
                                <img class="contentimg" src="https://static.igem.org/mediawiki/2018/6/69/T--NCKU_Tainan--Capture.PNG">
 +
 +
                                <div id="pt">
 +
                                    <p class="pcontent">To prevent sedimentation of cells at the bottom of bioreactor,
 +
                                        we build our own
 +
                                        3D printed slow speed magnetic stirrer which permits gentle mixing of
 +
                                        microcarrier cell cultures.
 +
                                        The 3D printed magnet bed is designed specifically for two magnets and can be
 +
                                        fitted on the DC
 +
                                        motor. The stirrer works by using a DC motor to spin two magnets with opposite
 +
                                        polarity, which
 +
                                        could create a magnetic field in the bioreactor and cause the stir bar to spin
 +
                                        and mix the
 +
                                        contents. For controlling the speed of the DC motor, we use Arduino and L298N
 +
                                        to control the input
 +
                                        voltage to the motor by using PWM signal.</p>
 +
                                </div>
 +
                            </div>
 +
 +
                            <div id="Nutrient_tank">
 +
                                </br></br></br></br>
 +
                                <h3>Nutrient tank</h3>
 +
                                <div id="pt">
 +
                                    <p class="pcontent">Besides, we also implemented fed-batch culture system in our
 +
                                        design. Nutrients are fed to the bioreactor during cultivation to prevent
 +
                                        nutrient depletion. The nutrients are pumped into the growth chamber at a rate
 +
                                        proportional to the growth factor of the culture, which is determined
 +
                                        experimentally through the doubling time of the particular bacterial strain.</p>
 +
                                </div>
 +
                            </div>
 +
 +
 +
                            <div id="Materials_required">
 +
                                </br></br></br></br>
 +
                                <h3>Materials required</h3>
 +
                                <div id="pt">
 +
                                    <ul>
 +
                                        <li>Acrylic Sheet</li>
 +
                                        <li>Arduino UNO</li>
 +
                                        <li>Power Supply</li>
 +
                                        <li>Batteries</li>
 +
                                        <li>Rotameter</li>
 +
                                        <li>pH meter</li>
 +
                                        <li>Thermometer(DS18B20)</li>
 +
                                        <li>CO2 sensor(MG811)</li>
 +
                                        <li>Wi-fi sensor(ESP8266 NodeMcu)</li>
 +
                                        <li>Geared DC Motor</li>
 +
                                        <li>Tubes</li>
 +
                                        <li>Magnets</li>
 +
                                        <li>3D Printed Structure</li>
 +
                                        <li>Nuts and Screws</li>
 +
                                        <li>Wires</li>
 +
                                        <li>Pumps</li>
 +
                                    </ul>
 +
                                    </br></br></br></br>
 +
                                </div>
 +
                            </div>
 +
 +
                        </div>
 +
                    </div>
 +
                </div>
 +
            </div>
 +
        </div>
 +
    </div>
 +
 +
    <script>
 +
        $(document).ready(function () {
 +
            $(window).scroll(function () {
 +
                if ($(this).scrollTop() >= 90) {
 +
                    var position = $("#sidelist").position();
 +
                    if (position == undefined) {} else {
 +
                        $('#sidelist').css({
 +
                            "position": "fixed",
 +
                            "top": "145px",
 +
                            "margin-top": "0px"
 +
                        });
 +
                    }
 +
                } else {
 +
                    $('#sidelist').removeAttr('style');
 +
                }
 +
            });
 +
            $(function () {
 +
                $('i.fa-arrow-up').click(function () {
 +
                    $('html, body').animate({
 +
                        scrollTop: 0
 +
                    }, 600);
 +
                    return false;
 +
                });
 +
            });
 +
        });
 +
    </script>
 +
    <script src="https://2018.igem.org/Team:NCKU_Tainan/js/frame/T--NCKU_Tainan--jquery-1_12_4_min_js?action=raw&amp;ctype=text/javascript"></script>
 +
    <script src="https://2018.igem.org/Template:NCKU_Tainan/js/bootstrap_min_js?action=raw&amp;ctype=text/javascript"></script>
 +
</body>
 +
 +
</html>
 +
 +
{{NCKU_Tainan/footer}}

Revision as of 13:51, 12 October 2018

Results

Follow us

Contact us

igem.ncku.tainan@gmail.com
No.1, Daxue Rd., East Dist., Tainan City 701, Taiwan (R.O.C.)