Die großflächige Kultivierung von Nematoden, um ihr kollektives Verhalten zu untersuchen
Summary
Hier wird über ein System zur Untersuchung des kollektiven Verhaltens von Nematoden berichtet, indem sie in großen Mengen mit Hundefutter-Agar-Medium kultiviert werden. Dieses System ermöglicht es Forschern, eine große Anzahl von Dauerwürmern zu vermehren und kann auf Caenorhabditis elegans und andere verwandte Arten angewendet werden.
Abstract
Tiere zeigen dynamische kollektive Verhaltensweisen, wie sie in Vogelschwärmen, Fischschwärmen und Menschenmassen beobachtet werden. Das kollektive Verhalten von Tieren wurde sowohl in der Biologie als auch in der Physik untersucht. Im Labor verwenden die Forscher seit etwa einem Jahrhundert verschiedene Modelltiere wie die Fruchtfliege und den Zebrafisch, aber es ist nach wie vor eine große Herausforderung, das komplexe kollektive Verhalten dieser genetisch manipulierbaren Modelltiere zu untersuchen. In diesem Artikel wird ein Protokoll vorgestellt, um ein experimentelles System kollektiver Verhaltensweisen bei Caenorhabditis elegans zu erstellen. Die vermehrten Würmer klettern auf den Deckel der Petriplatte und zeigen ein kollektives Schwarmverhalten. Das System steuert auch die Interaktionen und das Verhalten von Würmern, indem es die Luftfeuchtigkeit und die Lichtstimulation ändert. Dieses System ermöglicht es uns, die Mechanismen zu untersuchen, die kollektivem Verhalten zugrunde liegen, indem wir die Umweltbedingungen ändern und die Auswirkungen der Fortbewegung auf individueller Ebene auf kollektives Verhalten mit Hilfe von Mutanten untersuchen. Daher ist das System sowohl für die zukünftige Forschung in der Physik als auch in der Biologie nützlich.
Introduction
Sowohl Nichtwissenschaftler als auch Wissenschaftler sind fasziniert vom kollektiven Verhalten von Tieren, wie z. B. in Vogelschwärmen und Fischschwärmen. Kollektive Verhaltensweisen wurden in einer Vielzahl von Bereichen analysiert, darunter Physik, Biologie, Mathematik und Robotik. Insbesondere die Physik der aktiven Materie ist ein wachsendes Forschungsgebiet, das sich auf Systeme konzentriert, die aus selbstfahrenden Elementen bestehen, dh dissipativen Systemen, wie Vogelschwärmen, Fischschwärmen, Biofilmen beweglicher Bakterien, Zytoskeletten, die aus aktiven Molekülen bestehen, und Gruppen von selbstfahrenden Kolloiden. Die Theorie der aktiven Materiephysik behauptet, dass, egal wie komplex das Verhalten von Individuen ist, die kollektiven Bewegungen einer enormen Anzahl von Lebewesen von einer kleinen Anzahl einfacher Regeln bestimmt werden. Zum Beispiel sagt das Vicsek-Modell, ein Kandidat für eine einheitliche Beschreibung der kollektiven Bewegung von selbstfahrenden Teilchen, voraus, dass eine Nahbereichsausrichtungsinteraktion von sich bewegenden Objekten erforderlich ist, um eine langreichweitige geordnete Phase mit exzentrischen Fluktuationen in 2D zu bilden, wie in Tierherden1. Experimentelle Top-down-Ansätze zur Physik der aktiven Materie entwickeln sich rasant. Frühere Experimente bestätigten die Bildung einer langreichweitigen geordneten Phase in Escherichiacoli 2. Andere neuere Arbeiten verwendeten Zellen 3,4, Bakterien5, bewegliche Kolloide6 oder bewegliche Proteine 7,8. Einfache Minimalmodelle wie das Vicsek-Modell beschrieben diese realen Phänomene erfolgreich. Im Gegensatz zu diesen einzelligen Versuchssystemen werden kollektive Verhaltensweisen von Tieren in der Regel in freier Wildbahn beobachtet, da niemand hoffen konnte, kontrollierte Experimente mit 10.000 echten Vögeln oder Fischen durchzuführen.
Biologen teilen das gleiche Interesse wie Physiker: wie Individuen miteinander interagieren und sich funktional als Gruppe verhalten. Eines der traditionellen Forschungsfelder zur Analyse des individuellen Verhaltens sind die Neurowissenschaften, in denen die Mechanismen, die dem Verhalten zugrunde liegen, auf neuronaler und molekularer Ebene untersucht wurden. Bisher wurden viele neurowissenschaftliche Bottom-up-Ansätze entwickelt. Top-down-Ansätze in der Physik und Bottom-up-Ansätze in der Biologie können anhand von Modelltieren wie der Fruchtfliege, dem Wurm Caenorhabditis elegans und der Maus ermöglicht werden9. Es gab jedoch nur wenige Erkenntnisse über das großräumige kollektive Verhalten dieser Modelltiere im Labor10; Noch ist es schwierig, genetisch manipulierbare Modelltiere im großen Maßstab im Labor herzustellen. Daher war es in der aktuellen Forschung zu kollektivem Verhalten in Biologie und Physik für Wissenschaftler, die normalerweise im Labor forschen, schwierig, das kollektive Verhalten von Tieren zu untersuchen.
In dieser Studie haben wir eine Methode für die großflächige Kultivierung von Nematoden etabliert, um ihr kollektives Verhalten zu untersuchen. Dieses System ermöglicht es uns, Umweltbedingungen zu verändern und die Auswirkungen der Fortbewegung auf individueller Ebene auf kollektives Verhalten mit Hilfe von Mutantenzu untersuchen 10. In der Physik der aktiven Materie können die Parameter des mathematischen Modells sowohl in Experimenten als auch in Simulationen gesteuert werden, was die Überprüfung dieses Modells ermöglicht, um einheitliche Beschreibungen zu identifizieren. Die Genetik wird verwendet, um den neuronalen Schaltkreismechanismus zu verstehen, der dem kollektiven Verhalten zugrunde liegt11.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dieser Studie zeigen wir ein Protokoll zur Vorbereitung eines Systems für das großräumige kollektive Verhalten von C. elegans im Labor. Die DFA-basierte Methode wurde ursprünglich mit Caenorhabditis japonica14 und Neoaplectana carpocapsae Weiser15 etabliert, die beide keine Modelltiere sind. Diese Methode wurde jedoch nicht angewendet, um kollektive Verhaltensweisen zu untersuchen. Der C. elegans ist ein genetisch manipulierbares M…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken dem Caenorhabditis Genetics Center für die Bereitstellung der in dieser Studie verwendeten Stämme. Diese Veröffentlichung wurde unterstützt durch JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (Fördernummer JP21H02532), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid für das Projekt Innovative Areas “Science of Soft Robot” (Fördernummer JP18H05474), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Transformative Research Areas B (Fördernummer JP23H03845), PRIME der Japan Agency for Medical Research and Development (Fördernummer JP22gm6110022h9904), JST-Mirai-Programm (Fördernummer JPMJMI22G3), und JST-FOREST-Programm (Fördernummer 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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