線虫の集団行動研究のための線虫の大規模培養
Summary
ここでは、ドッグフード寒天培地を用いて線虫を一括培養し、線虫の集団行動を研究するシステムについて報告する。このシステムにより、研究者は多数のダウアーワームを繁殖させることができ、 Caenorhabditis elegans やその他の近縁種に適用できます。
Abstract
動物は、鳥の群れ、魚の群れ、人間の群れで観察されるように、ダイナミックな集団行動を示します。動物の集団行動は、生物学と物理学の両分野で研究されてきました。研究室では、約100年前からショウジョウバエやゼブラフィッシュなど様々なモデル動物を用いてきましたが、これらの遺伝的に扱いやすいモデル動物が司令する大規模で複雑な集団行動を研究することは大きな課題でした。この論文は、 Caenorhabditisエレガンスの集団行動の実験システムを作成するためのプロトコルを提示します。繁殖した線虫はペトリプレートの蓋に登り、集団的な群れ行動を示します。また、このシステムは、湿度と光刺激を変化させることで、線虫の相互作用と行動を制御します。このシステムにより、環境条件を変化させることで集団行動のメカニズムを調べたり、個体レベルの移動が集団行動に及ぼす影響を変異体を用いて調べたりすることができます。したがって、このシステムは、物理学と生物学の両方の将来の研究に役立ちます。
Introduction
非科学者も科学者も、鳥の群れや魚の群れなど、動物の集団行動に魅了されています。集団行動は、物理学、生物学、数学、ロボット工学など幅広い分野で解析されています。特に、鳥の群れ、魚の群れ、運動性細菌のバイオフィルム、活性分子からなる細胞骨格、自走コロイド群などの自走系、すなわち散逸系に着目した研究分野として、アクティブマター物理学が発展しています。アクティブマター物理学の理論では、個体の振る舞いがいかに複雑であっても、膨大な数の生物の集団運動は少数の単純な規則によって支配されていると主張しています。例えば、自走式粒子の集団運動の統一的記述の候補であるヴィクセックモデルは、動物の群れのように、2次元で偏心揺らぎを伴う長距離の秩序相を形成するためには、移動する物体の短距離整列相互作用が必要であると予測している1。アクティブマターの物理学に関するトップダウンの実験的アプローチは急速に発展しています。以前の実験では、大腸菌2の長距離秩序相の形成が確認されました。他の最近の研究では、細胞3,4、細菌5、運動性コロイド6、または移動するタンパク質7,8が用いられました。ヴィクセック模型のような単純な極小模型は、これらの現実の現象をうまく記述した。これらの単細胞実験系とは対照的に、動物による集団行動は野生で観察されるのが普通であり、10,000匹の本物の鳥や魚で対照実験を行うことは誰も望めません。
生物学者は物理学者と同じ関心を共有しており、個体が互いに相互作用し、グループとして機能的に振る舞う方法に関心を持っています。個人の行動を解析する伝統的な研究分野の一つに神経科学があり、その行動のメカニズムを神経細胞や分子レベルで調べてきました。これまでに多くの神経科学的なボトムアップアプローチが開発されてきました。物理学におけるトップダウンアプローチと生物学におけるボトムアップアプローチは、ショウジョウバエ、線虫 Caenorhabditis elegans、マウスなどのモデル動物を用いて促進することができる9。しかし、実験室でのこれらのモデル動物の大規模な集団行動に関する調査結果はほとんどありません10。遺伝的に扱いやすいモデル動物を実験室で大規模に作製することはまだ困難です。そのため、現在の生物学や物理学における集団行動の研究では、普段は実験室で研究をしている科学者が動物の集団行動を研究することが困難でした。
本研究では、線虫の集団行動を研究するために、線虫の大規模培養方法を確立した。このシステムにより、環境条件を変化させ、個体レベルの移動が集団行動に及ぼす影響を調べることができる10。アクティブマター物理学では、実験とシミュレーションの両方で数理モデルのパラメータを制御することができるため、そのモデルを検証して統一的な記述を特定することができます。遺伝学は、集団行動の根底にある神経回路のメカニズムを理解するために使用されます11。
Protocol
Representative Results
Discussion
本研究では、線虫の大規模集団行動のためのシステムを実験室で準備するためのプロトコルを示します。DFA法は、もともと非モデル動物であるCaenorhabditis japonica14とNeoaplectana carpocapsae Weiser15で確立されました。しかし、この方法は集団行動の調査には適用されませんでした。C.エレガンスは遺伝的に扱いやすいモデル動物<sup class="x…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究で使用した菌株を提供してくれた Caenorhabditis Genetics Centerに感謝します。本論文の発行は、日本学術振興会科学研究費助成事業基盤研究(B)(課題番号JP21H02532)、日本学術振興会科学研究費助成事業「ソフトロボットの科学」プロジェクト(課題番号JP18H05474)、科研費学術変革領域B(課題番号JP23H03845)、国立研究開発法人日本医療研究開発機構PRIME(課題番号JP22gm6110022h9904)、JST-MIRAIプログラム(課題番号JPMJMI22G3)、 JST-FORESTプログラム(助成金番号JPMJFR214R)。
Materials
| Escherichia coli and C. elegans strains | |||
| E. coli OP50 | Caenorhabditis Genetics Center | OP50 | Food for C. elegans. Uracil auxotroph. E. coli B. |
| lite-1(ce314); ljIs123[mec-4p::ChR2, unc-122p::RFP] | author | ZX899 | lite-1(ce314) mutant carrying the genes expressing ChR2 and RFP under the control of the mec-4 and unc-122 promoter, respectively |
| N2 Bristrol | Caenorhabditis Genetics Center | Wild-type C. elegans strain | |
| For worm cultivation | |||
| Agar purified, powder | Nakarai tesque | 01162-15 | For preparation of NGM plates |
| All-trans retinal | Sigma-Aldrich | R2500 | For optogenetics |
| Bacto pepton | Becton Dickinson | 211677 | For preparation of NGM plates |
| Calcium chloride | Wako | 036-00485 | For preparation of NGM plates |
| Cholesterol | Wako | 034-03002 | For preparation of NGM plates |
| di-Photassium hydrogenphosphate | Nakarai tesque | 28727-95 | For preparation of NGM plates |
| Dog food | Nihon Pet Food | VITA-ONE | For preparation of dog food agar medium |
| LB broth, Lennox | Nakarai tesque | 20066-95 | For culture of E. coli OP50 |
| Magnesium sulfate anhydrous | TGI | M1890 | For preparation of NGM plates |
| Petri dishes (60 mm) | Nunc | 150270 | For preparation of NGM plates |
| Potassium Dihydrogenphosphate | Nakarai tesque | 28720-65 | For preparation of NGM plates |
| Sodium Chloride | Nakarai tesque | 31320-05 | For preparation of NGM plates |
| Observation | |||
| Computer | CT solution | CS6229 | Windows10 Pro with Intel Xeon Gold 6238R CPU and 768 GB of RAM |
| CMOS Camera | Hamamatsu photonics | ORCA-Lightning C14120-20P | For data acquisition |
| CMOS Camera | Olympus | DP74 | For data acquisition |
| Microscope with SZX-MGFP set | Olympus | MVX10 | For data acquisition |
| x2 Objective lens | Olympus | MV PLAPO 2XC | Working distance 20 mm and numerical aperture 0.5 |
| Shutter control | |||
| Shutter | OptoSigma | BSH2-RIX | For controlling temporal pattern of light illumination |
| Shutter controller | OptoSigma | SSH-C2B-A | For controlling temporal pattern of light illumination |
| Temperature control | |||
| Peltier temperature controller unit | VICS | WLVPU-30 | For controlling humidity inside a Petri plate |
| UNI-THEMO CONTROLLER | Ampere | UTC-100 | For controlling humidity inside a Petri plate |
| Data acquisition software | |||
| HCImage | Hamamatsu photonics | For data acquisition |
References
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