Summary

Caractérisation de calcification Events Utilisation en direct optiques et Electron Microscopy Techniques dans 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

Biominéralisation est une série complexe d'événements, qui relie une série d'activités cellulaires conduisant à la production de minéraux délicieusement commandés 1. Le défi consiste à caractériser à la fois le processus cellulaire dynamique et les structures minérales sophistiquées utilisant une combinaison de méthodes de microscopie optique et électronique. Une élévation du pH intracellulaire favorise la formation de cristaux de CaCO 3, d' où l' identification du stade de développement qui a un pH accru indique le moment où la calcification est susceptible de se produire 2, 3.

Les tubeworms de la famille Serpulidae sont calcifiants communes dans l'océan 4. Il est également un modèle invertébré populaire pour la recherche marine, en particulier dans l' encrassement biologique 5, 6. Dans cette étude, le processus de calcification dans les compartiments de minéralisateurs during biominéralisation est observée. Le processus rapide de la métamorphose comprend l'émergence de structures de carbonate de calcium 7, 8.

Nous montrons comment interne des mesures pH peut être effectuée sur le tubeworm, et comment les étapes de la vie et les tissus concernés pour la calcification peuvent être criblés. Après l'étape de la vie d'intérêt est identifié, le tissu responsable de la calcification peut être caractérisée à une résolution supérieure en utilisant des méthodes de microscopie électronique. En utilisant la microscopie à fluorescence, on détermine le temps nécessaire pour le carbonate de calcium à apparaître après l'induction métamorphique. Une étape de vie similaire a ensuite été visualisée avec SEM-EDS pour la distribution de la composition élémentaire, et le minéral déposé a été analysé à l'aide de deux méthodes de microscopie électronique différents, en particulier SEM-EPCA et FIB-TEM.

Protocol

1. Dépistage de stades de la vie et de tissus d'intérêt avec l'imagerie en direct La culture des larves marines de compétence selon des procédés rapportés précédemment 6, 7, 9. Incuber les larves de tubeworm à 5 larves par densité ml d'eau de mer filtrée avec 10 uM SNARF-1 heures du jour au lendemain. Couvrez le récipient avec du papier d'aluminium pour protéger la sonde fluorescente de …

Representative Results

Voici quelques observations du processus de calcification au cours de la métamorphose du tubeworm. La figure 1 montre que les valeurs de pH proches de la région de col est plus élevé que dans les autres tissus après la métamorphose. Figure 2i montre un tubeworm avec une distribution homogène de Ca, ce qui suggère pas d' événements majeurs de calcification ont commencé; Figure 2ii montre un tubeworm qui a calcifiée pour un…

Discussion

l'imagerie optique en temps réel est un procédé utile pour observer des événements cellulaires dans un organisme multicellulaire. Ici, les indicateurs de pH et des ions calcium internes ont été utilisés pour mesurer le flux d'ions au niveau des sites de minéralisation. Dans ces régions, le pompage de l' ion actif est nécessaire pour élever le pH et la concentration en Ca2 + pour permettre la calcification 2, 3. Lors de l'ap…

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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