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 Clean, ¡Filtered ¡Water ¡ = ¡Organic ¡Contamina6on ¡ = ¡bacteria ¡ h9p://hugroup.cems.umn.edu/Cell_Technology/Notes/Cell%20Culture%20Bioreactors.pdf ¡

Biofilms in Bioreactors Clean, ¡Filtered ¡Water ¡ = ¡Organic ¡Contamina6on ¡ = ¡bacteria ¡ Van ¡Loosdrecht, ¡M.C.M., ¡Heijnen, ¡S.J. ¡Biofilm ¡bioreactors ¡for ¡waste ¡water ¡treatment ¡

What are Biofilms? Zhang, ¡W. ¡Characteriza6on ¡of ¡passive ¡and ¡ac6ve ¡biofilm ¡detachment ¡

Our Solution: Optimizing Biofilms Goal: Optimize biofilms for wastewater treatment • Increase bacterial attachment rate • Start-up by adhesion • Decrease biofilm detachment • Stability Our ¡membrane ¡aerated ¡ • Protection bioreactor ¡

Not ¡to ¡scale ¡

Enhancing Cellular Adhesion • Rapid biofilm formation via cellular aggregation • Enhance cell-to-cell, cell-to- surface adhesion (-­‑) ¡ Curli • Our pick: • INSA-Lyons 2011 BioBrick – recharacterized and repurposed • Mutant regulator of curli regulon • Rapid biofilm formation (+) ¡ Curli Vidal, ¡O., ¡& ¡Longin, ¡R. ¡(1998). ¡ J ¡Bacteriol , 180 (9), ¡2442–2449. ¡

Adhesion Construct Part ¡BBa_K932000 ¡ • OmpR234: Mutant regulatory protein • Constitutively upregulates Curli cluster expression within pTet ¡ RBS ¡ OmpR234 ¡ Term ¡ bacteria Curli ¡Filament ¡ OmpR234 ¡ EnvZ ¡ Curli ¡Operon ¡

Decrease Biofilm Detachment Before Laminar ¡Flow ¡ Time ¡in ¡ Bioreactor ¡ AFer ¡ 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 (Sil α ) pLac ¡ TetR ¡ RBS ¡ OmpA-­‑Silα ¡ Term ¡ Curnow, ¡P. ¡et ¡al. ¡(2005). ¡ JACS , ¡ 127 , ¡15749-­‑15755. ¡

Biosilicification: A Mechanical Filter • Surface expression of OmpA- Silα ¡Domain-­‑ ¡ Sil α - bind SiO 2 to their OmpA ¡Domain-­‑ ¡ surface Silicon ¡dioxide ¡-­‑ ¡ ¡ • Thin film silica matrix as mechanical filter  Membrane ¡Integra6on ¡  Treatment ¡with ¡SiO 2 ¡  Silica ¡Matrix ¡Forma6on ¡

Overall System Curli ¡ Expression ¡ pTet ¡ RBS ¡ OmpR234 ¡ Term ¡ IPTG ¡ TetR ¡ OmpA-­‑Silα ¡ pLac ¡ TetR ¡ RBS ¡ OmpA-­‑Silα ¡ Term ¡ 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 Thioflavin T Fluorescence Test for Curli Expression 600 ¡ 500 ¡ nits 400 ¡ Uni nce U luorescenc 300 ¡ 200 ¡ Flu 100 ¡ 0 ¡ Control BBa_K932000 Experimental Group

Growth Curve of E. coli Goal: Evaluate Differences in Growth Rates 1.4 ¡ 1.2 ¡ Control ¡ Bba_K932000 ¡ 1 ¡ 0.8 ¡ OD600 ¡ 0.6 ¡ 0.4 ¡ 0.2 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 100 ¡ 200 ¡ 300 ¡ 400 ¡ 500 ¡ 600 ¡ 700 ¡ Time (min)

Static Biofilms Goal: Characterize Biofilm Formation in Static Environment Curli Expression Control Confocal Image of biofilm growth after 48 hrs Red = dead cells Green = live cells

Curli Increases Formation Rate StaRc ¡Biofilm ¡FormaRon ¡(24 ¡hrs) ¡ StaRc ¡Biofilm ¡FormaRon ¡(48 ¡hrs) ¡ 2 ¡ 2 ¡ Absorbance ¡Units ¡(AU) ¡ Absorbance ¡Units ¡(AU) ¡ 1.5 ¡ 1.5 ¡ 1 ¡ 1 ¡ 0.5 ¡ 0.5 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 10^6 ¡ 2*10^6 ¡ 3*10^6 ¡ 10^6 ¡ 2*10^6 ¡ 3*10^6 ¡ StarRng ¡CFU/mL ¡ StarRng ¡CFU/mL ¡ StaRc ¡Biofilm ¡FormaRon ¡(72 ¡hrs) ¡ 2 ¡ Legend: ¡ Absorbance ¡Units ¡(AU) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Curli ¡ 1.5 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Control ¡ 1 ¡ 0.5 ¡ 0 ¡ 10^6 ¡ 2*10^6 ¡ 3*10^6 ¡ StarRng ¡CFU/mL ¡

Biofilms in Bioreactor Goal: Demonstrate Biofilm Formation Under Shear Stress Media and Cells in Bioreactor Membrane Aerated Bioreactor www.wetware.org ¡

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

Results from Bioreactor Biofilms

Reduced Cell Detachment Goal: Quantify Detachment from Shear Stress Fluid Flow Coulter Counter Control: E. coli And Flow Cytometry Fluid Flow Experiment: E. coli + Silica

SEM: Protective Silica Layer Curli Expression -­‑ ¡ + ¡ Biosilicification -­‑ ¡ + ¡

EDX of Biosilification Curli Expression -­‑ ¡ + ¡ Biosilicification -­‑ ¡ + ¡

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 ¡ Biobuilder Workshops iGEM High School Competition

Education in Biotechnology BioMaker Biotechnology Patch - Basics Lab Skills - Intro to SynBio - Hands-on Engagement

Project Progress 1 . Identify Needs 2. Create 3. Instigate Curriculum - Engage Girls Program - Strawberry DNA - Address Age Gap - Advertising Set Extraction - Introduce Biology - Trial Date - BioBuilder Labs Planned - Mock iGEM projects

Future Directions Applicatio 8-12 Th Grade n 4-7 Th Grade Skills 1 st - 4 th Exposure Grade 3-Level Program to a Biotechnology Badge

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 ¡ GenSpace BioCurious Labs Noblesville, ¡IN ¡ Harlem, ¡NY ¡ Brooklyn, ¡NY ¡ Silicon ¡Valley, ¡CA ¡ Loca6on ¡ Our Re6rees ¡ Preexisting Models Demographic ¡ K-­‑12 ¡Students ¡& ¡ K-­‑12 ¡Students ¡ Community Young ¡Professionals ¡ Ar6sts ¡ & ¡Teachers ¡ Teachers ¡ Youth ¡ Lab Ins6tu6onal ¡& ¡ Ins6tu6onal ¡ Membership ¡ Corporate ¡ Membership ¡Fees ¡ Funding ¡ Funding ¡ Fees ¡ Sponsors ¡ Student ¡and ¡ Paid ¡full ¡6me ¡ Part ¡Time ¡ Community ¡ Full ¡6me ¡Faculty ¡ Staffing ¡ Comparative faculty ¡ Faculty ¡ Volunteers ¡ Educa6on ¡and ¡ Bio-­‑Art ¡ Models Specialty ¡ Educa6on ¡ Entrepreneurship ¡ Educa6on ¡ Outreach ¡

Collaborations • University Partners • Community Collaborations • Business Partnerships

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

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 Collaborators: Jing Lu City of Noblesville, IN Dr. Natalie Kuldell & Biobuilder Educational Tony Pedley Foundation Rouxi Wu Rebecca Schini, Greenfield HS, Greenfield IN Aaron Taylor, Bioscience Imaging Center

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