Community Syn Bio: Accessible Biotechnology for Water Treatment - - PowerPoint PPT Presentation

Community Syn Bio: Accessible Biotechnology for Water Treatment

Purdue University iGEM Team 2012

Community Biotech

• Adapting a biotech

mindset

• Integrating

biotechnology in daily lives

Municipal ¡Water ¡Resources ¡

• Urban development

and wastewater treatment

• Municipal water use –

50-80% from dish, shower, sink, and laundry water

• Environmental health

concerns

? ¡

Bioreactors for Water Treatment

= ¡Organic ¡Contamina6on ¡ = ¡bacteria ¡ Clean, ¡Filtered ¡Water ¡

h9p://hugroup.cems.umn.edu/Cell_Technology/Notes/Cell%20Culture%20Bioreactors.pdf ¡

Biofilms in Bioreactors

= ¡Organic ¡Contamina6on ¡ = ¡bacteria ¡ Clean, ¡Filtered ¡Water ¡

Van ¡Loosdrecht, ¡M.C.M., ¡Heijnen, ¡S.J. ¡Biofilm ¡bioreactors ¡for ¡waste ¡water ¡treatment ¡

What are Biofilms?

Our Solution: Optimizing Biofilms

Goal: Optimize biofilms for wastewater treatment

• Increase bacterial attachment

rate

• Start-up by adhesion
• Decrease biofilm detachment
• Stability
• Protection

Our ¡membrane ¡aerated ¡ bioreactor ¡

Not ¡to ¡scale ¡

Enhancing Cellular Adhesion

• Rapid biofilm formation via

cellular aggregation

• Enhance cell-to-cell, cell-to-

surface adhesion

• Our pick:
• INSA-Lyons 2011 BioBrick –

recharacterized and repurposed

• Mutant regulator of curli regulon
• Rapid biofilm formation

(-­‑) ¡Curli (+) ¡Curli

Vidal, ¡O., ¡& ¡Longin, ¡R. ¡(1998). ¡J ¡Bacteriol,180(9), ¡2442–2449. ¡

Adhesion Construct

• OmpR234: Mutant regulatory

protein

• Constitutively upregulates

Curli cluster expression within bacteria

pTet ¡ RBS ¡ OmpR234 ¡ Term ¡ Part ¡BBa_K932000 ¡

OmpR234 ¡ Curli ¡Operon ¡ EnvZ ¡

Curli ¡Filament ¡

Decrease Biofilm Detachment

Laminar ¡Flow ¡

Before AFer ¡

Time ¡in ¡ Bioreactor ¡ Time ¡in ¡ Bioreactor ¡

Silica Binding Construct

• Designed a fusion peptide to bind silica

monomers on the cell surface

• Outer Membrane Protein A (OmpA)
• Silicatein Alpha (Silα)

pLac ¡ RBS ¡ OmpA-­‑Silα ¡ TetR ¡ Term ¡

Curnow, ¡P. ¡et ¡al. ¡(2005). ¡JACS, ¡127, ¡15749-­‑15755. ¡

Biosilicification: A Mechanical Filter

 Treatment ¡with ¡SiO2 ¡  Membrane ¡Integra6on ¡  Silica ¡Matrix ¡Forma6on ¡

• Surface expression of OmpA-

Silα - bind SiO2 to their surface

• Thin film silica matrix as

mechanical filter

Silicon ¡dioxide ¡-­‑ ¡ ¡ OmpA ¡Domain-­‑ ¡ Silα ¡Domain-­‑ ¡

Overall System

TetR ¡ IPTG ¡ pTet ¡ RBS ¡ OmpR234 ¡ Term ¡ pLac ¡ RBS ¡ OmpA-­‑Silα ¡ TetR ¡ Term ¡ OmpA-­‑Silα ¡ Expression ¡ Curli ¡ Expression ¡

Experimental Design

Compare Expression of Curli: Growth of biofilm with Curli Static biofilms Biofilms in bioreactor Detachment of biofilm with silica

Curli Filaments Overexpress

Goal: Quantify Outer Membrane Expression of Curli

0 ¡ 100 ¡ 200 ¡ 300 ¡ 400 ¡ 500 ¡ 600 ¡

Control BBa_K932000

Flu luorescenc nce U Uni nits Experimental Group

Thioflavin T Fluorescence Test for Curli Expression

Growth Curve of E. coli

0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1 ¡ 1.2 ¡ 1.4 ¡ 0 ¡ 100 ¡ 200 ¡ 300 ¡ 400 ¡ 500 ¡ 600 ¡ 700 ¡

OD600 ¡ Time (min) Control ¡ Bba_K932000 ¡

Goal: Evaluate Differences in Growth Rates

Static Biofilms

Goal: Characterize Biofilm Formation in Static Environment

Confocal Image of biofilm growth after 48 hrs Red = dead cells Green = live cells

Curli Expression Control

Curli Increases Formation Rate

0 ¡ 0.5 ¡ 1 ¡ 1.5 ¡ 2 ¡ 10^6 ¡ 2*10^6 ¡ 3*10^6 ¡ Absorbance ¡Units ¡(AU) ¡ StarRng ¡CFU/mL ¡

StaRc ¡Biofilm ¡FormaRon ¡(24 ¡hrs) ¡

0 ¡ 0.5 ¡ 1 ¡ 1.5 ¡ 2 ¡ 10^6 ¡ 2*10^6 ¡ 3*10^6 ¡ Absorbance ¡Units ¡(AU) ¡ StarRng ¡CFU/mL ¡

StaRc ¡Biofilm ¡FormaRon ¡(48 ¡hrs) ¡

0 ¡ 0.5 ¡ 1 ¡ 1.5 ¡ 2 ¡ 10^6 ¡ 2*10^6 ¡ 3*10^6 ¡ Absorbance ¡Units ¡(AU) ¡ StarRng ¡CFU/mL ¡

StaRc ¡Biofilm ¡FormaRon ¡(72 ¡hrs) ¡ Legend: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Curli ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Control ¡

Biofilms in Bioreactor

Membrane Aerated Bioreactor

Goal: Demonstrate Biofilm Formation Under Shear Stress

Media and Cells in Bioreactor

Results from Bioreactor Biofilms

Biofilm ¡of ¡E. ¡coli ¡+ ¡curli ¡aker ¡ 30 ¡days ¡in ¡MABR ¡ 3D ¡confocal ¡image ¡of ¡biofilm ¡ extracted ¡from ¡MABR ¡aker ¡15 ¡days ¡ Green ¡= ¡cells ¡alive ¡ Red ¡= ¡cells ¡dead ¡

Results from Bioreactor Biofilms

Reduced Cell Detachment

Goal: Quantify Detachment from Shear Stress

Control: E. coli Fluid Flow Experiment: E. coli + Silica Fluid Flow

Coulter Counter And Flow Cytometry

Curli Expression

• ­‑ ¡

+ ¡ Biosilicification

• ­‑ ¡

+ ¡

SEM: Protective Silica Layer

Curli Expression

• ­‑ ¡

+ ¡

Biosilicification

• ­‑ ¡

+ ¡

EDX of Biosilification

Conclusions and Future Work

• Curli increases the rate at which biofilms are

formed

• Characterize detachment with silica binding

protein

• Integrate into industry
• Test bacterial strains used in industry
• Test on a heterogeneous community of cells

Human Practices

How do we envision Biotechnology in the Community?

• Convenient
• Integrated into

Everyday Life

• Safety and

Accessible

Concerns of Domestic Biotech

• What are the needs?
• How do we regulate safety?
• How do we address ethical

concerns? Each of these issues can be addressed with exposure and education

Exposure ¡to ¡Biotechnology ¡

iGEM High School Competition

Biobuilder Workshops

Education in Biotechnology

BioMaker Biotechnology Patch

• Basics Lab Skills
• Intro to SynBio
• Hands-on

Engagement

Project Progress

• 1. Identify Needs
• Engage Girls
• Address Age Gap
• Introduce Biology
• 2. Create

Curriculum

• Strawberry DNA

Extraction

• BioBuilder Labs
• Mock iGEM

projects

• 3. Instigate

Program

• Advertising Set
• Trial Date

Planned

Future Directions

Exposure Skills Applicatio n

3-Level Program to a Biotechnology Badge

8-12Th Grade 4-7Th Grade 1st - 4th Grade

An Infrastructure for Home Biotech

What is the Need?

• Access to academic resources
• Environment of discussion
• Hands-on engagement

What is the solution?

Integrative Infrastructure

Biomaker ¡Bench Harlem ¡DNA ¡ Labs GenSpace BioCurious

Loca6on ¡

Noblesville, ¡IN ¡

Harlem, ¡NY ¡ Brooklyn, ¡NY ¡ Silicon ¡Valley, ¡CA ¡

Demographic ¡ K-­‑12 ¡Students ¡& ¡

Teachers ¡

K-­‑12 ¡Students ¡ & ¡Teachers ¡ Re6rees ¡ Ar6sts ¡ Youth ¡ Young ¡Professionals ¡

Funding ¡

Ins6tu6onal ¡& ¡ Corporate ¡ Sponsors ¡

Ins6tu6onal ¡ Funding ¡ Membership ¡ Fees ¡ Membership ¡Fees ¡

Staffing ¡

Student ¡and ¡ Community ¡ Volunteers ¡

Paid ¡full ¡6me ¡ faculty ¡ Part ¡Time ¡ Faculty ¡ Full ¡6me ¡Faculty ¡

Specialty ¡

Educa6on ¡and ¡ Outreach ¡

Educa6on ¡ Bio-­‑Art ¡ Educa6on ¡ Entrepreneurship ¡

Our Community Lab

Preexisting Models

Comparative Models

Collaborations

• University Partners
• Community

Collaborations

• Business

Partnerships

• After-School Programming
• High School iGEM
• Community Workshops
• Teacher Certification
• Entrepreneurship Classes
• Idea Incubation Space
• Local Outreach

Scaffold of Use

Impact and Outlook

• Safety ¡
• Ethics ¡
• Entrepreneurship ¡

Accomplishments in Domestic Biotechnology

• DESIGNED circuit to enhance biofilm formation
• CONSTRUCTED fusion protein for silica binding
• CHARACTERIZED modified biofilm formation
• ENGAGED students at the High School iGEM

Competition and in BioBuilder Workshops

• CREATED curriculum for the Girl Scouts of America
• ESTABLISHED the foundations for a Community

Biotechnology Laboratory in Indiana

Acknowledgements

Our Faculty Advisors:

• Drs. Jenna Rickus and Dr. Kari

Clase Graduate and Post Doc Students: Janie Brennan Soo Ha Rajtarun Madangopal Jing Lu Tony Pedley Rouxi Wu Collaborators:

City of Noblesville, IN

• Dr. Natalie Kuldell & Biobuilder Educational

Foundation Rebecca Schini, Greenfield HS, Greenfield IN Aaron Taylor, Bioscience Imaging Center

Sponsors