ABSTRACT

In vitro fermentation systems allow for the investigation of gut microbial communities with precise control of various physiological parameters while decoupling confounding factors from the human host. Current systems, such as the SHIME and Robogut, are large in footprint, lack multiplexing, and have low experimental throughput. Alternatives which address these shortcomings, such as the Mini Bioreactor Array system, are often reliant on expensive specialized equipment, which hinders wide replication across labs. Here, we present the Mini Colon Model (MiCoMo), a low-cost, benchtop multi-bioreactor system that simulates the human colon environment with physiologically relevant conditions. The device consists of triplicate bioreactors working independently of an anaerobic chamber and equipped with automated pH, temperature, and fluidic control. We conducted 14-d experiments and found that MiCoMo was able to support a stable complex microbiota community with a Shannon Index of 3.17 ± 0.65, from individual fecal samples after only 3–5 d of inoculation. MiCoMo also retained inter-sample microbial differences by developing closely related communities unique to each donor, while maintaining both minimal variations between replicate reactors (average Bray-Curtis similarity 0.72 ± 0.13) andday-to-day variations (average Bray-Curtis similarity 0.81±0.10) after this short stabilization period. Together, these results establish MiCoMo as an accessible system for studying gut microbial communities with high throughput and multiplexing capabilities.

摘要

体外发酵系统允许通过精确控制各种生理参数来研究肠道微生物群落，同时将混杂因素与人类宿主分离。目前的系统，如 SHIME 和 Robogut，占用空间大，缺乏多路复用，实验吞吐量低。解决这些缺点的替代品，例如微型生物反应器阵列系统，通常依赖于昂贵的专用设备，这阻碍了实验室的广泛复制。在这里，我们展示了迷你结肠模型 (MiCoMo)，这是一种低成本的台式多生物反应器系统，可以模拟具有生理相关条件的人体结肠环境。该装置由三个独立于厌氧室的生物反应器组成，并配备了自动 pH、温度和流体控制。我们进行了 14 天的实验，发现 MiCoMo 能够在接种 3-5 天后从单个粪便样本中支持稳定的复杂微生物群落，香农指数为 3.17 ± 0.65。MiCoMo 还通过开发每个供体独有的密切相关的群落来保留样本间微生物差异，同时保持复制反应器之间的最小差异（平均 Bray-Curtis 相似性 0.72 ± 0.13）和日常变化（平均 Bray-Curtis 相似性 0.81± 0.10) 在这个短暂的稳定期之后。总之，这些结果将 MiCoMo 确立为一个可访问的系统，用于研究具有高通量和多路复用能力的肠道微生物群落。仅在接种 3-5 天后从单个粪便样本中提取。MiCoMo 还通过开发每个供体独有的密切相关的群落来保留样本间微生物差异，同时保持复制反应器之间的最小差异（平均 Bray-Curtis 相似性 0.72 ± 0.13）和日常变化（平均 Bray-Curtis 相似性 0.81± 0.10) 在这个短暂的稳定期之后。总之，这些结果将 MiCoMo 确立为一个可访问的系统，用于研究具有高通量和多路复用能力的肠道微生物群落。仅在接种 3-5 天后从单个粪便样本中提取。MiCoMo 还通过开发每个供体独有的密切相关的群落来保留样本间微生物差异，同时保持复制反应器之间的最小差异（平均 Bray-Curtis 相似性 0.72 ± 0.13）和日常变化（平均 Bray-Curtis 相似性 0.81± 0.10) 在这个短暂的稳定期之后。总之，这些结果将 MiCoMo 确立为一个可访问的系统，用于研究具有高通量和多路复用能力的肠道微生物群落。13）和在这个短暂的稳定期之后的日常变化（平均 Bray-Curtis 相似度 0.81±0.10）。总之，这些结果将 MiCoMo 确立为一个可访问的系统，用于研究具有高通量和多路复用能力的肠道微生物群落。13）和在这个短暂的稳定期之后的日常变化（平均 Bray-Curtis 相似度 0.81±0.10）。总之，这些结果将 MiCoMo 确立为一个可访问的系统，用于研究具有高通量和多路复用能力的肠道微生物群落。