Широкомасштабное культивирование нематод для изучения их коллективного поведения
Summary
Здесь сообщается о системе изучения коллективного поведения нематод путем их культивирования в больших количествах с использованием пищевой агаровой среды для собак. Эта система позволяет исследователям размножать большое количество червей Дауэра и может быть применена к Caenorhabditis elegans и другим родственным видам.
Abstract
Животные демонстрируют динамичное коллективное поведение, которое наблюдается в стаях птиц, косяках рыб и толпах людей. Коллективное поведение животных было исследовано как в области биологии, так и в области физики. В лаборатории исследователи использовали различных модельных животных, таких как плодовая муха и рыбка данио, в течение примерно столетия, но изучение крупномасштабного сложного коллективного поведения, организованного этими генетически управляемыми модельными животными, оставалось серьезной проблемой. В данной работе представлен протокол создания экспериментальной системы коллективного поведения у Caenorhabditis elegans. Размножающиеся черви взбираются на крышку пластины Петри и демонстрируют коллективное роение. Система также контролирует взаимодействие и поведение червей, изменяя влажность и световую стимуляцию. Эта система позволяет нам исследовать механизмы, лежащие в основе коллективного поведения, изменяя условия окружающей среды, и изучать влияние локомоции на индивидуальном уровне на коллективное поведение с использованием мутантов. Таким образом, система полезна для будущих исследований как в физике, так и в биологии.
Introduction
Как неученые, так и ученые очарованы коллективным поведением животных, например, стаями птиц и косяками рыб. Коллективное поведение было проанализировано в широком спектре областей, включая физику, биологию, математику и робототехнику. В частности, физика активной материи является растущей областью исследований, которая фокусируется на системах, состоящих из самодвижущихся элементов, то есть диссипативных систем, таких как стаи птиц, косяки рыб, биопленки подвижных бактерий, цитоскелеты, состоящие из активных молекул, группы самодвижущихся коллоидов. Теория физики активной материи утверждает, что каким бы сложным ни было поведение индивидуумов, коллективные движения огромного числа живых существ управляются небольшим числом простых правил. Например, модель Вичсека, кандидат на унифицированное описание коллективного движения самодвижущихся частиц, предсказывает, что для формирования дальней упорядоченной фазы с эксцентрическими флуктуациями в 2D, как в стадахживотных1, требуется ближнедальнее взаимодействие выравнивания движущихся объектов. Быстрыми темпами развиваются нисходящие экспериментальные подходы к физике активной материи. Предыдущие эксперименты подтвердили образование дальнодействующей упорядоченной фазы у Escherichiacoli 2. В других недавних работах использовались клетки 3,4, бактерии5, подвижные коллоиды6 или движущиеся белки 7,8. Простые минимальные модели, такие как модель Вичсека, успешно описывают эти реальные явления. В отличие от этих одноклеточных экспериментальных систем, коллективное поведение животных обычно наблюдается в дикой природе, так как никто не может надеяться провести контролируемые эксперименты с 10 000 реальных птиц или рыб.
Биологи разделяют тот же интерес, что и физики: как люди взаимодействуют друг с другом и функционально ведут себя как группа. Одной из традиционных областей исследований для анализа индивидуального поведения является нейронаука, в которой механизмы, лежащие в основе поведения, изучаются на нейронном и молекулярном уровнях. К настоящему времени было разработано множество нейробиологических подходов, основанных на принципе «снизу вверх». Нисходящий подход в физике и восходящий подход в биологии могут быть реализованы с помощью модельных животных, таких как плодовая мушка, червь Caenorhabditis elegans и мышь9. Тем не менее,в лаборатории было получено мало данных о крупномасштабном коллективном поведении этих модельных животных; До сих пор сложно в лабораторных условиях получить генетически поддающихся модельных животных в больших масштабах. Поэтому в современных исследованиях коллективного поведения в биологии и физике ученым, которые обычно проводят исследования в лаборатории, было трудно изучать коллективное поведение животных.
В этом исследовании мы разработали метод крупномасштабного культивирования нематод для изучения их коллективного поведения. Эта система позволяет изменять условия окружающей среды и изучать влияние локомоции на индивидуальном уровне на коллективное поведение с использованием мутантов10. В физике активной материи параметрами математической модели можно управлять как в экспериментах, так и в симуляциях, что позволяет верифицировать эту модель для выявления унифицированных описаний. Генетика используется для понимания механизма нейронных цепей, лежащих в основе коллективного поведения11.
Protocol
Representative Results
Discussion
В данном исследовании мы показываем протокол подготовки системы для крупномасштабного коллективного поведения C. elegans в лабораторных условиях. Метод, основанный на DFA, был первоначально разработан для Caenorhabditis japonica14 и Neoaplectana carpocapsae Weiser15, которые н…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим Генетический центр Caenorhabditis за предоставленные штаммы, использованные в этом исследовании. Данная публикация была поддержана JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (номер гранта JP21H02532), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid по проекту инновационных областей «Наука о мягком роботе» (грант No JP18H05474), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Transformative Research Areas B (грант No JP23H03845), PRIME от Японского агентства медицинских исследований и разработок (номер гранта JP22gm6110022h9904), JST-Mirai Program (грант No JPMJMI22G3), и программа JST-FOREST (грант No 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
- 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. Genética. 200 (2), 387-407 (2015).
- Brenner, S. The genetics of Caenorhabditis elegans. Genética. 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).
