Summary

Caratterizzazione di calcificazione eventi utilizzando dal vivo ottica ed elettronica Microscopia tecniche in un tubeworm Marine

Published: February 28, 2017
doi:

Summary

We demonstrate the use of various microscopy methods that are useful in observing the calcification of a tubeworm, Hydroides elegans, as well as locating and characterizing the first calcified material. Live microscopy and electron microscopy are used together to provide functional and material information that are important in studying biomineralization.

Abstract

Characterizing the first event of biological production of calcium carbonate requires a combination of microscopy approaches. First, intracellular pH distribution and calcium ions can be observed using live microscopy over time. This allows identification of the life stage and the tissue with the feature of interest for further electron microscopy studies. Life stage and tissues of interest are typically higher in pH and Ca signals.

Here, using H. elegans, we present a protocol to characterize the presence of calcium carbonate structures in a biological specimen on the scanning electron microscope (SEM), using energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) to visualize elemental composition, using electron backscatter diffraction (EBSD) to determine the presence of crystalline structures, and using transmission electron microscopy (TEM) to analyze the composition and structure of the material. In this protocol, a focused ion beam (FIB) is used to isolate samples with dimension suitable for TEM analysis. As FIB is a site specific technique, we demonstrate how information from the previous techniques can be used to identify the region of interest, where Ca signals are highest.

Introduction

Biomineralization è una serie complessa di eventi, quali ponti una serie di attività cellulari conseguente produzione di minerali squisitamente ordinate 1. La sfida è quella di caratterizzare sia il processo cellulare dinamica e le sofisticate strutture minerali utilizzando una combinazione di metodi di microscopia ottica ed elettronica. Un innalzamento del pH intracellulare favorisce la formazione di CaCO 3 cristalli, quindi, identificando la fase vita che ha una maggiore pH rivela momento calcificazioni è probabile che si verificano 2, 3.

I tubicoli della famiglia Serpulidae sono calcifiers comuni nell'oceano 4. È anche un modello invertebrato popolare per la ricerca marina, soprattutto in biofouling 5, 6. In questo studio, il processo di calcificazione nei compartimenti mineralizzanti durisi osserva ng biomineralization. Il rapido processo di metamorfosi prevede l'emergere di strutture di carbonato di calcio 7, 8.

Dimostriamo come interno misurazioni del pH può essere eseguita sul tubeworm, e come le fasi della vita e dei tessuti rilevanti per la calcificazione potrà essere schermato. Dopo la fase di vita di interesse è identificato, il tessuto responsabile calcificazioni può essere caratterizzata con una risoluzione superiore utilizzando metodi di microscopia elettronica. Utilizzando la microscopia a fluorescenza, si determina il tempo necessario per il carbonato di calcio ad apparire dopo l'induzione metamorfica. Una simile fase della vita è stato successivamente visualizzata con SEM-EDS per la distribuzione composizione elementare, e il minerale depositato è stato analizzato utilizzando due diversi metodi di microscopia elettronica, in particolare SEM-EBSD e FIB-TEM.

Protocol

1. Lo screening per la Vita stage e tessuto di interesse con Live Imaging Cultura larve marine per competenza secondo metodi precedentemente riportati 6, 7, 9. Incubare le larve tubeworm a 5 larve per densità mL con acqua di mare filtrata con 10 mM SNARF-01:00 durante la notte. Coprire il contenitore con un foglio di alluminio per proteggere la sonda fluorescente da fotometabolismo. Osservare le larve util…

Representative Results

Di seguito sono riportate alcune osservazioni del processo di calcificazione durante la metamorfosi del tubeworm. La figura 1 mostra che i valori di pH vicino regione collare è superiore rispetto agli altri tessuti dopo metamorfosi. La figura mostra una 2i tubeworm con distribuzione omogenea di Ca, suggerendo senza grandi eventi calcificazione hanno cominciato; La figura mostra un 2II tubeworm che ha ca…

Discussion

imaging ottico diretta è un metodo utile per osservare eventi cellulari in un organismo multicellulare. Qui, sono stati usati indicatori di pH e ioni calcio interni per misurare il flusso di ioni nei siti di mineralizzazione. In queste regioni, pompaggio ione attivo è necessario per elevare il pH e Ca 2+ concentrazione consentire calcificazioni 2, 3. Quando si applica molecole fluorescenti a studiare un organismo, è fondamentale garantire che la co…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors would like to send a big thank you to Clemson Broadcast Productions, audio recording by J. Bright, Narration by A. D. McQuiston, Audio sweetening, K. Murphy, videography by G. Spake, Graphic arts by T. Messervy, Video editing by T. Messervy and E. Rodgers. Technical assistance and scientific advice was inspired by the advice of S. Kawada, S. Kubo, J. Hudson, T. Darroudi, D. Mulwee, H. Qian, Y. W. Lam, M. B. Johnstone, C. Campanati, A. C. Lane, and R. Dineshram. This study was funded by three GRF grants from the HKSAR-RGC (Grant Numbers: 705511P, 705112P, and 17304914).

Materials

Hexamethyldisilazane  Electron Microscopy Sciences 16700(EM)
Osmium Tetroxide 2% Aqueous Solution Electron Microscopy Sciences 19192
IBMX 3-Isobutyl-1-methylxanthine ThermoFisher Scientific PHZ1124
Nigericin, Free Acid ThermoFisher Scientific N7143-5MG
35-mm-diam dish, hole size 27 mm, Glass No.0, Non-coat ThermoFisher Scientific D110400
5-(and-6)-Carboxy SNARF-1, Acetoxymethyl Ester, Acetate ThermoFisher Scientific C-1271
BDH Potassium Chloride, ACS Grade VWR BDH0258-500G
Paraformaldehyde
reagent grade, crystalline
Sigma P6148
1 M Hydrochloric Acid for Volumetric Analysis Wako Pure Chemical Industries, Ltd 083-01095
0.05 M Sodium Hydroxide Solution for Volumetric Analysis Wako Pure Chemical Industries, Ltd 199-02185
Calcein Sigma C0875
FASW Iwaki Co. Ltd. Rei-sea Marine
Mixed Cellulose Ester Membranes; 47 mm dia, 0.45 µm ADVANTEC A045A047A
ethanol Wako Pure Chemical Industries, Ltd 051-00476
Artificial seawater for buffers by SOP06 of DOE (1994), cdiac.ornl.gov/ftp/cdiac74/sop06.pdf
Sodium Chloride Wako Pure Chemical Industries, Ltd 191-01665
Potassium Chloride Wako Pure Chemical Industries, Ltd 163-03545
Magnesium Chloride Hexahydrate Wako Pure Chemical Industries, Ltd 135-00165
Calcium Chloride Wako Pure Chemical Industries, Ltd 039-00475
Sodium Sulfate Wako Pure Chemical Industries, Ltd 197-03345
Hydrochloric Acid Wako Pure Chemical Industries, Ltd 089-08415
2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol (tris) Wako Pure Chemical Industries, Ltd 207-06275
2-aminopyridine Wako Pure Chemical Industries, Ltd 011-02775
Orion 5-star Plus pH meter Thermo Scientific
PrpHecT ROSS Micro Combination pH Electrode 8220BNWP Thermo Scientific
Axiovision, Version 4.6, Axio Observer Z1 Zeiss
ImageJ NIH, Bethesda, MD, USA
HRTEM H500 Hitachi
SU6600 VPSEM Hitachi
NB5000 Focused Ion and Electron Beam (FIB-SEM) system Hitachi 

Riferimenti

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Citazione di questo articolo
Chan, V. B. S., Toyofuku, T., Wetzel, G., Saraf, L., Thiyagarajan, V., Mount, A. S. Characterization of Calcification Events Using Live Optical and Electron Microscopy Techniques in a Marine Tubeworm. J. Vis. Exp. (120), e55164, doi:10.3791/55164 (2017).

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