Den store kultiveringen av nematoder for å studere deres kollektive oppførsel
Summary
Her rapporteres et system for å studere den kollektive oppførselen til nematoder ved å dyrke dem i bulk ved hjelp av hundemat agar medium. Dette systemet tillater forskere å forplante et stort antall dauer ormer og kan brukes på Caenorhabditis elegans og andre beslektede arter.
Abstract
Dyr utviser dynamisk kollektiv atferd, som observert i flokker av fugler, fiskeskoler og folkemengder av mennesker. Den kollektive atferden til dyr har blitt undersøkt innen både biologi og fysikk. I laboratoriet har forskere brukt ulike modelldyr som bananflue og sebrafisk i omtrent et århundre, men det har vært en stor utfordring å studere storskala kompleks kollektiv oppførsel orkestrert av disse genetisk håndterbare modelldyrene. Denne artikkelen presenterer en protokoll for å skape et eksperimentelt system for kollektiv atferd i Caenorhabditis elegans. De forplantede ormene klatrer på lokket på petriskålen og viser kollektiv sværmende oppførsel. Systemet kontrollerer også ormens interaksjoner og virkemåte ved å endre fuktighet og lysstimulering. Dette systemet tillater oss å undersøke mekanismene som ligger til grunn for kollektiv atferd ved å endre miljøforhold og undersøke effekten av bevegelse på individnivå på kollektiv atferd ved hjelp av mutanter. Dermed er systemet nyttig for fremtidig forskning innen både fysikk og biologi.
Introduction
Både ikke-forskere og forskere er fascinert av dyrs kollektive atferd, som i flokker av fugler og fiskestimer. Kollektiv atferd har blitt analysert på et bredt spekter av felt, inkludert fysikk, biologi, matematikk og robotikk. Spesielt er aktiv materiefysikk et voksende forskningsfelt som fokuserer på systemer som består av selvdrevne elementer, det vil si dissipative systemer, som flokker av fugler, fiskeskoler, biofilmer av motile bakterier, cytoskjeletter sammensatt av aktive molekyler og grupper av selvdrevne kolloider. Teorien om aktiv materiefysikk hevder at uansett hvor kompleks individets oppførsel er, styres de kollektive bevegelsene til enorme antall levende ting av et lite antall enkle regler. For eksempel forutsier Vicsek-modellen, en kandidat for en enhetlig beskrivelse av den kollektive bevegelsen av selvdrevne partikler, at kortdistansejusteringsinteraksjon av bevegelige objekter er nødvendig for å danne en langdistansebestilt fase med eksentrisk fluktuasjon i 2D, som i dyrebesetninger1. Top-down eksperimentelle tilnærminger knyttet til fysikken til aktivt materiale utvikler seg raskt. Tidligere eksperimenter bekreftet dannelsen av en langdistansebestilt fase i Escherichia coli2. Andre nyere arbeider benyttet celler 3,4, bakterier5, motile kolloider6 eller bevegelige proteiner 7,8. Enkle minimale modeller som Vicsek-modellen beskrev vellykket disse virkelige fenomenene. I motsetning til disse encellede eksperimentelle systemene, observeres vanligvis kollektiv oppførsel av dyr i naturen, da ingen kunne håpe å utføre kontrollerte eksperimenter med 10.000 ekte fugler eller fisk.
Biologer deler samme interesse som fysikere: hvordan individer samhandler med hverandre og funksjonelt oppfører seg som en gruppe. Et av de tradisjonelle forskningsfeltene for å analysere individuell atferd er nevrovitenskap, der mekanismene som ligger til grunn for atferd har blitt undersøkt på nevron- og molekylært nivå. Mange nevrovitenskapelige bottom-up-tilnærminger har blitt utviklet så langt. Top-down tilnærminger i fysikk og bottom-up tilnærminger i biologi kan tilrettelegges ved hjelp av modelldyr som bananfluen, ormen Caenorhabditis elegans og musen9. Imidlertid har det vært få funn om den storskala kollektive oppførselen til disse modelldyrene i laboratoriet10; Det er fortsatt vanskelig å tilberede gentraktable modelldyr i stor skala i laboratoriet. Derfor, i dagens forskning på kollektiv atferd i biologi og fysikk, har det vært vanskelig for forskere som vanligvis gjør forskning i laboratoriet for å studere dyrs kollektive atferd.
I denne studien etablerte vi en metode for storskala dyrking av nematoder for å studere deres kollektive oppførsel. Dette systemet tillater oss å endre miljøforhold og undersøke effekten av bevegelse på individnivå på kollektiv atferd ved hjelp av mutanter10. I aktiv materiefysikk kan parametrene til den matematiske modellen styres i både eksperimenter og simuleringer, noe som muliggjør verifisering av den modellen for å identifisere enhetlige beskrivelser. Genetikk brukes til å forstå den nevrale kretsmekanismen som ligger til grunn for kollektiv atferd11.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne studien viser vi en protokoll for å forberede et system for den store kollektive oppførselen til C. elegans i laboratoriet. Den DFA-baserte metoden ble opprinnelig etablert med Caenorhabditis japonica14 og Neoaplectana carpocapsae Weiser15, som begge er ikke-modelldyr. Denne metoden ble imidlertid ikke brukt for å undersøke kollektiv atferd. C. elegans er et genetisk håndterbart modelldyr11,12</su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Caenorhabditis Genetics Center for å gi stammene som brukes i denne studien. Denne publikasjonen ble støttet av JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (tilskuddsnummer JP21H02532), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid på Innovative Areas “Science of Soft Robot” -prosjektet (tilskuddsnummer JP18H05474), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Transformative Research Areas B (tilskuddsnummer JP23H03845), PRIME fra Japan Agency for Medical Research and Development (tilskuddsnummer JP22gm6110022h9904), JST-Mirai-programmet (tilskuddsnummer JPMJMI22G3), og JST-FOREST-programmet (tilskuddsnummer 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. 유전학. 200 (2), 387-407 (2015).
- Brenner, S. The genetics of Caenorhabditis elegans. 유전학. 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).
