Design, realization and characterization of automated millifluidic bioreactors for investigating the molecular evolution of lytic or lysogenic vector phages infecting engineered host e. Coli

In questa tesi viene presentato un bioreattore in grado di mantenere nel tempo condizioni biologiche tali che consentano di massimizzare i cicli di evoluzione molecolare di vettori di clonazione fagici: litico (T7) o lisogeno (M13). Verranno quindi introdtti concetti legati alla Teoria della Quasispecie e alla relazione tra errori di autoreplicazione e pressioni selettive naturali o artificiali su popolazioni di virus: il modello naturale del sistema evolutivo. Tuttavia, mantenere delle popolazioni di virus significa formire loro un substrato dove replicare. Per fare ciò, altri gruppi di ricerca hanno giá sviluppato complessi e costosi prototipi di macchinari per la crescita continua di popolazioni batteriche: i compartimenti dei sistemi evolutivi. Il bioreattore, oggetto di questo lavoro, fa parte del progetto europeo Evoprog: general purpose programmable machine evolution on a chip (Jaramillo’s Lab, University of Warwick) che, utilizzando tecnologie fagiche e regolazioni sintetiche esistenti, sará in grado di produrre funzionalità biocomputazionali di due ordini di grandezza più veloci rispetto alle tecniche convenzionali, riducendo allo stesso tempo i costi complessivi. Il primo prototipo consiste in uno o piú fermentatori, dove viene fatta crescere la cultura batterica in condizioni ottimizzate di coltivazione continua, e in un cellstat, un volume separato, dove avviene solo la replicazione dei virus. Entrambi i volumi sono di pochi millilitri e appropriatamente interconnessi per consentire una sorta di screening continuo delle biomolecole prodotte all’uscita. Nella parte finale verranno presentati i risultati degli esperimenti preliminari, a dimostrazione dell’affidabilità del prototipo costruito e dei protocolli seguiti per la sterilizzazione e l’assemblaggio del bioreattore. Gli esperimenti effettuati dimostrano il successo di due coltivazioni virali continue e una ricombinazione in vivo di batteriofagi litici o lisogeni ingegnerizzati. La tesi si conclude valutando i futuri sviluppi e i limiti del sistema, tenendo in considerazione, in particolare, alcune applicazioni rivolte agli studi di una terapia batteriofagica.

Continuous, Passive Liquid-Liquid Extraction and Emulsion Separation Within Microfluidic and Millifluidic Devices

Liquid-liquid extraction (LLE) is a method used to separate compounds based on their relative activity in two immiscible phases. By significantly reducing the scale of liquid-liquid extraction to the micro- and milli-fluidic levels, this separation process can bemade suitable for low volume, high value materials.

Efficient Liquid Liquid Extraction By Emulsion Formation and Separation in Robust Milli-Fluidic Devices

Conventional liquid liquid extraction (LLE) methods require large volumes of fluids to achieve the desired mass transfer of a solute, which is unsuitable for systems dealing with a low volume or high value product. An alternative to these methods is to scale down the process. Millifluidic devices share many of the benefits of microfluidic systems, including low fluid volumes, increased interfacial area-to-volume ratio, and predictability. A robust millifluidic device was created from acrylic, glass, and aluminum. The channel is lined with a hydrogel cured in the bottom half of the device channel. This hydrogel stabilizes co-current laminar flow of immiscible organic and aqueous phases. Mass transfer of the solute occurs across the interface of these contacting phases. Using a y-junction, an aqueous emulsion is created in an organic phase. The emulsion travels through a length of tubing and then enters the co-current laminar flow device, where the emulsion is broken and each phase can be collected separately. The inclusion of this emulsion formation and separation increases the contact area between the organic and aqueous phases, therefore increasing the area over which mass transfer can occur. Using this design, 95% extraction efficiency was obtained, where 100% is represented by equilibrium. By continuing to explore this LLE process, the process can be optimized and with better understanding may be more accurately modeled. This system has the potential to scale up to the industrial level and provide the efficient extraction required with low fluid volumes and a well-behaved system.