La culture à grande échelle de nématodes pour étudier leurs comportements collectifs
Summary
Ici, un système est rapporté pour étudier les comportements collectifs des nématodes en les cultivant en vrac à l’aide d’un milieu de gélose pour chiens. Ce système permet aux chercheurs de propager un grand nombre de vers de Dauer et peut être appliqué à Caenorhabditis elegans et à d’autres espèces apparentées.
Abstract
Les animaux présentent des comportements collectifs dynamiques, comme on l’observe dans les volées d’oiseaux, les bancs de poissons et les foules d’humains. Les comportements collectifs des animaux ont été étudiés dans les domaines de la biologie et de la physique. En laboratoire, les chercheurs ont utilisé divers animaux modèles tels que la mouche des fruits et le poisson-zèbre pendant environ un siècle, mais l’étude du comportement collectif complexe à grande échelle orchestré par ces animaux modèles génétiquement traitables est restée un défi majeur. Cet article présente un protocole pour créer un système expérimental de comportements collectifs chez Caenorhabditis elegans. Les vers propagés grimpent sur le couvercle de la plaque de Petri et montrent un comportement d’essaimage collectif. Le système contrôle également les interactions et les comportements des vers en modifiant l’humidité et la stimulation lumineuse. Ce système nous permet d’examiner les mécanismes sous-jacents aux comportements collectifs en modifiant les conditions environnementales et en examinant les effets de la locomotion au niveau individuel sur les comportements collectifs à l’aide de mutants. Ainsi, le système est utile pour les recherches futures en physique et en biologie.
Introduction
Les non-scientifiques et les scientifiques sont fascinés par les comportements collectifs des animaux, comme les volées d’oiseaux et les bancs de poissons. Les comportements collectifs ont été analysés dans un large éventail de domaines, notamment la physique, la biologie, les mathématiques et la robotique. En particulier, la physique de la matière active est un domaine de recherche en pleine expansion qui se concentre sur les systèmes composés d’éléments autopropulsés, c’est-à-dire les systèmes dissipatifs, tels que les volées d’oiseaux, les bancs de poissons, les biofilms de bactéries mobiles, les cytosquelettes composés de molécules actives et les groupes de colloïdes autopropulsés. La théorie de la physique de la matière active soutient que, quelle que soit la complexité des comportements des individus, les mouvements collectifs d’un grand nombre d’êtres vivants sont régis par un petit nombre de règles simples. Par exemple, le modèle de Vicsek, candidat pour une description unifiée du mouvement collectif des particules autopropulsées, prédit que l’interaction d’alignement à courte portée des objets en mouvement est nécessaire pour former une phase ordonnée à longue portée avec une fluctuation excentrique en 2D, comme dans les troupeaux d’animaux1. Les approches expérimentales descendantes relatives à la physique de la matière active se développent rapidement. Des expériences antérieures ont confirmé la formation d’une phase ordonnée à longue portée chez Escherichia coli2. D’autres travaux récents ont utilisé des cellules 3,4, des bactéries5, des colloïdes mobiles6 ou des protéines mobiles 7,8. Des modèles minimaux simples tels que le modèle de Vicsek ont décrit avec succès ces phénomènes réels. Contrairement à ces systèmes expérimentaux unicellulaires, les comportements collectifs des animaux sont généralement observés dans la nature, car personne ne pouvait espérer effectuer des expériences contrôlées avec 10 000 oiseaux ou poissons réels.
Les biologistes partagent le même intérêt que les physiciens : comment les individus interagissent les uns avec les autres et se comportent fonctionnellement en tant que groupe. L’un des domaines de recherche traditionnels pour analyser le comportement individuel est la neuroscience, dans laquelle les mécanismes sous-jacents au comportement ont été examinés aux niveaux neuronal et moléculaire. De nombreuses approches neuroscientifiques ascendantes ont été développées jusqu’à présent. Les approches descendantes en physique et ascendantes en biologie peuvent être facilitées en utilisant des animaux modèles tels que la mouche des fruits, le ver Caenorhabditis elegans et la souris9. Cependant, il y a eu peu de résultats sur le comportement collectif à grande échelle de ces animaux modèles en laboratoire10 ; Il est encore difficile de préparer des animaux modèles génétiquement traitables à grande échelle en laboratoire. Par conséquent, dans les recherches actuelles sur les comportements collectifs en biologie et en physique, il a été difficile pour les scientifiques qui font habituellement de la recherche en laboratoire d’étudier les comportements collectifs des animaux.
Dans cette étude, nous avons établi une méthode de culture à grande échelle de nématodes pour étudier leurs comportements collectifs. Ce système nous permet de modifier les conditions environnementales et d’examiner l’effet de la locomotion au niveau individuel sur les comportements collectifs à l’aide de mutants10. En physique de la matière active, les paramètres du modèle mathématique peuvent être contrôlés à la fois dans des expériences et des simulations, ce qui permet de vérifier ce modèle pour identifier des descriptions unifiées. La génétique est utilisée pour comprendre le mécanisme des circuits neuronaux sous-jacents au comportement collectif11.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans cette étude, nous montrons un protocole pour préparer un système pour le comportement collectif à grande échelle de C. elegans en laboratoire. La méthode basée sur l’AFD a été établie à l’origine avec Caenorhabditis japonica14 et Neoaplectana carpocapsae Weiser15, qui sont tous deux des animaux non modèles. Cependant, cette méthode n’a pas été appliquée pour étudier les comportements collectifs. Le C. elegans e…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions le Caenorhabditis Genetics Center d’avoir fourni les souches utilisées dans cette étude. Cette publication a été soutenue par la subvention JSPS KAKENHI pour la recherche scientifique (B) (numéro de subvention JP21H02532), la subvention JSPS KAKENHI pour le projet Innovative Areas « Science of Soft Robot » (numéro de subvention JP18H05474), la subvention JSPS KAKENHI pour les domaines de recherche transformatrice B (numéro de subvention JP23H03845), le PRIME de l’Agence japonaise pour la recherche et le développement médicaux (numéro de subvention JP22gm6110022h9904), le programme JST-Mirai (numéro de subvention JPMJMI22G3), et le programme JST-FOREST (numéro de subvention 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 |
Referências
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