Kolektif davranışlarını incelemek için nematodların büyük ölçekli ekimi
Summary
Burada, nematodların toplu davranışlarını, köpek maması agar ortamı kullanılarak toplu olarak kültürlenerek incelemek için bir sistem rapor edilmiştir. Bu sistem, araştırmacıların çok sayıda dauer solucanını çoğaltmasına izin verir ve Caenorhabditis elegans ve diğer ilgili türlere uygulanabilir.
Abstract
Hayvanlar, kuş sürülerinde, balık sürülerinde ve insan kalabalığında gözlemlendiği gibi dinamik kolektif davranışlar sergilerler. Hayvanların kolektif davranışları hem biyoloji hem de fizik alanlarında araştırılmıştır. Laboratuvarda, araştırmacılar yaklaşık bir yüzyıl boyunca meyve sineği ve zebra balığı gibi çeşitli model hayvanları kullandılar, ancak bu genetik olarak izlenebilir model hayvanlar tarafından düzenlenen büyük ölçekli karmaşık kolektif davranışları incelemek büyük bir zorluk olmaya devam etti. Bu makale, Caenorhabditis elegans’ta deneysel bir kolektif davranış sistemi oluşturmak için bir protokol sunmaktadır. Yayılan solucanlar Petri plakasının kapağına tırmanır ve toplu sürü davranışı gösterir. Sistem ayrıca nemi ve ışık stimülasyonunu değiştirerek solucan etkileşimlerini ve davranışlarını kontrol eder. Bu sistem, çevresel koşulları değiştirerek kolektif davranışların altında yatan mekanizmaları incelememizi ve mutantları kullanarak bireysel düzeydeki hareketin kolektif davranışlar üzerindeki etkilerini incelememizi sağlar. Bu nedenle, sistem hem fizik hem de biyolojide gelecekteki araştırmalar için yararlıdır.
Introduction
Hem bilim adamı olmayanlar hem de bilim adamları, kuş sürülerinde ve balık sürülerinde olduğu gibi hayvanların kolektif davranışlarından etkilenirler. Kolektif davranışlar fizik, biyoloji, matematik ve robotik dahil olmak üzere çok çeşitli alanlarda analiz edilmiştir. Özellikle, aktif madde fiziği, kendinden tahrikli elemanlardan oluşan sistemlere, yani kuş sürüleri, balık sürüleri, hareketli bakterilerin biyofilmleri, aktif moleküllerden oluşan hücre iskeletleri ve kendinden tahrikli kolloid grupları gibi enerji tüketen sistemlere odaklanan büyüyen bir araştırma alanıdır. Aktif madde fiziği teorisi, bireylerin davranışları ne kadar karmaşık olursa olsun, çok sayıda canlının kolektif hareketlerinin az sayıda basit kural tarafından yönetildiğini savunur. Örneğin, kendinden tahrikli parçacıkların kolektif hareketinin birleşik bir tanımı için bir aday olan Vicsek modeli, hayvan sürülerinde olduğu gibi, 2B’de eksantrik dalgalanma ile uzun menzilli sıralı bir faz oluşturmak için hareketli nesnelerin kısa menzilli hizalama etkileşiminin gerekli olduğunu öngörmektedir1. Aktif madde fiziği ile ilgili yukarıdan aşağıya deneysel yaklaşımlar hızla gelişmektedir. Önceki deneyler, Escherichia coli2’de uzun menzilli sıralı bir fazın oluşumunu doğruladı. Diğer son çalışmalarda hücreler 3,4, bakteriler5, hareketli kolloidler6 veya hareketli proteinler 7,8 kullanılmıştır. Vicsek modeli gibi basit minimal modeller bu gerçek fenomenleri başarıyla tanımladı. Bu tek hücreli deney sistemlerinin aksine, hiç kimse 10.000 gerçek kuş veya balıkla kontrollü deneyler yapmayı umamayacağından, hayvanların kolektif davranışları genellikle vahşi doğada gözlemlenir.
Biyologlar fizikçilerle aynı ilgiyi paylaşırlar: bireylerin birbirleriyle nasıl etkileşime girdikleri ve işlevsel olarak bir grup olarak nasıl davrandıkları. Bireysel davranışı analiz etmek için kullanılan geleneksel araştırma alanlarından biri, davranışın altında yatan mekanizmaların nöronal ve moleküler düzeyde incelendiği sinirbilimdir. Şimdiye kadar birçok nörobilimsel aşağıdan yukarıya yaklaşım geliştirilmiştir. Fizikte yukarıdan aşağıya yaklaşımlar ve biyolojide aşağıdan yukarıya yaklaşımlar, meyve sineği, solucan Caenorhabditis elegans ve fare gibi model hayvanlar kullanılarak kolaylaştırılabilir9. Bununla birlikte, bu model hayvanların laboratuvardaki büyük ölçekli kolektif davranışları hakkında çok az bulgu vardır10; Genetik olarak izlenebilir model hayvanları laboratuvarda büyük ölçekte hazırlamak hala zordur. Bu nedenle, biyoloji ve fizikteki kolektif davranışlar üzerine yapılan güncel araştırmalarda, genellikle laboratuvarda araştırma yapan bilim adamlarının hayvanların kolektif davranışlarını incelemesi zor olmuştur.
Bu çalışmada, nematodların kolektif davranışlarını incelemek için büyük ölçekli yetiştiriciliği için bir yöntem oluşturduk. Bu sistem, çevresel koşulları değiştirmemize ve mutantları kullanarak bireysel düzeydeki hareketin kolektif davranışlar üzerindeki etkisini incelememizeolanak tanır 10. Aktif madde fiziğinde, matematiksel modelin parametreleri hem deneylerde hem de simülasyonlarda kontrol edilebilir, bu da birleşik açıklamaları tanımlamak için bu modelin doğrulanmasını sağlar. Genetik, kolektif davranışın altında yatan nöral devre mekanizmasını anlamak için kullanılır11.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışmada, C. elegans’ın laboratuvardaki büyük ölçekli kolektif davranışı için bir sistem hazırlamak için bir protokol gösteriyoruz. DFA tabanlı yöntem ilk olarak, her ikisi de model olmayan hayvanlar olan Caenorhabditis japonica14 ve Neoaplectana carpocapsae Weiser15 ile kurulmuştur. Ancak bu yöntem kolektif davranışların araştırılmasında uygulanmamıştır. C. elegans, genetik olarak izlenebilir bir model ha…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışmada kullanılan suşları sağladığı için Caenorhabditis Genetik Merkezi’ne teşekkür ederiz. Bu yayın, JSPS KAKENHI Bilimsel Araştırma Hibesi (B) (hibe numarası JP21H02532), JSPS KAKENHI Yenilikçi Alanlar Yardım Hibesi “Yumuşak Robot Bilimi” projesi (hibe numarası JP18H05474), JSPS KAKENHI Dönüştürücü Araştırma Alanları için Yardım Hibesi B (hibe numarası JP23H03845), Japonya Tıbbi Araştırma ve Geliştirme Ajansı’ndan PRIME (hibe numarası JP22gm6110022h9904), JST-Mirai Programı (hibe numarası JPMJMI22G3), ve JST-FOREST Programı (hibe numarası 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
- Vicsek, T., Czirók, A., Ben-Jacob, E., Cohen, I., Shochet, O. Novel type of phase transition in a system of self-driven particles. Physical Review Letters. 75 (6), 1226-1229 (1995).
- Nishiguchi, D., Nagai, K. H., Chaté, H., Sano, M. Long-range nematic order and anomalous fluctuations in suspensions of swimming filamentous bacteria. Physical Review E. 95 (2), 020601-020606 (2017).
- Saw, T. B., et al. Topological defects in epithelia govern cell death and extrusion. Nature. 544 (7649), 212-216 (2017).
- Kawaguchi, K., Kageyama, R., Sano, M. Topological defects control collective dynamics in neural progenitor cell cultures. Nature. 545 (7654), 327-331 (2017).
- Chen, C., Liu, S., Shi, X., Chaté, H., Wu, Y. Weak synchronization and large-scale collective oscillation in dense bacterial suspensions. Nature. 542 (7640), 210-214 (2017).
- Bricard, A., Caussin, J. -. B., Desreumaux, N., Dauchot, O., Bartolo, D. Emergence of macroscopic directed motion in populations of motile colloids. Nature. 503 (7474), 95-98 (2013).
- Sumino, Y., et al. Large-scale vortex lattice emerging from collectively moving microtubules. Nature. 483 (7390), 448-452 (2012).
- Schaller, V., Weber, C., Semmrich, C., Frey, E., Bausch, A. R. Polar patterns of driven filaments. Nature. 467 (7311), 73-77 (2010).
- Lin, A., et al. Imaging whole-brain activity to understand behaviour. Nature Reviews Physics. 4 (5), 292-305 (2022).
- Sugi, T., Ito, H., Nishimura, M., Nagai, K. H. C. elegans collectively forms dynamical networks. Nature Communications. 10 (1), 1-9 (2019).
- Corsi, A. K., Wightman, B., Chalfie, M. A transparent window into biology: a primer on Caenorhabditis elegans. 遗传学. 200 (2), 387-407 (2015).
- Brenner, S. The genetics of Caenorhabditis elegans. 遗传学. 77 (1), 71-94 (1974).
- Stirman, J. N., et al. Real-time multimodal optical control of neurons and muscles in freely behaving Caenorhabditis elegans. Nature Methods. 8 (2), 153-158 (2011).
- Tanaka, R., Okumura, E., Yoshiga, T. A simple method to collect phoretically active dauer larvae of Caenorhabditis japonica. Nematological Research. 40 (1), 7-12 (2010).
- Hara, A. H., Lindegren, J. E., Kaya, H. K. Monoxenic mass production of the entomogenous nematode Neoaplectana carpocapsae. Weiser on dog food/agar medium. 16, 1-8 (1981).
- de Bono, M., Bargmann, C. I. Natural variation in a neuropeptide Y receptor homolog modifies social behavior and food response in C. elegans. Cell. 94 (5), 679-689 (1998).
- Artyukhin, A. B., Yim, J. J., Cheong, M. C., Avery, L. Starvation-induced collective behavior in C. elegans. Scientific Reports. 5, 10647 (2015).
- Ding, S. S., Schumacher, L. J., Javer, A. E., Endres, R. G., Brown, A. E. Shared behavioral mechanisms underlie C. elegans aggregation and swarming. eLife. 8, 1181 (2019).
- Chen, Y., Ferrell, J. E. C. elegans colony formation as a condensation phenomenon. Nature Communications. 12 (1), 4947 (2021).
- Chiba, T., et al. Caenorhabditis elegans transfers across a gap under an electric field as dispersal behavior. Current Biology. 33 (13), 2668-2677 (2023).
- Ioannou, C. C., Guttal, V., Couzin, I. D. Predatory fish select for coordinated collective motion in virtual prey. Science. 337 (6099), 1212-1215 (2012).
- Couzin, I. D., Krause, J., Franks, N. R., Levin, S. A. Effective leadership and decision-making in animal groups on the move. Nature. 433 (7025), 513-516 (2005).
- Sumpter, D. J. T., Krause, J., James, R., Couzin, I. D., Ward, A. J. W. Consensus decision making by fish. Current Biology: CB. 18 (22), 1773-1777 (2008).
- Sugi, T., Nishida, Y., Mori, I. Regulation of behavioral plasticity by systemic temperature signaling in Caenorhabditis elegans. Nature Neuroscience. 14 (8), 984-992 (2011).
- Russell, J., Vidal-Gadea, A. G., Makay, A., Lanam, C., Pierce-Shimomura, J. T. Humidity sensation requires both mechanosensory and thermosensory pathways in Caenorhabditis elegans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (22), 8269-8274 (2014).
