Den store dyrkning af nematoder for at studere deres kollektive adfærd
Summary
Her rapporteres et system til undersøgelse af nematoders kollektive adfærd ved at dyrke dem i bulk ved hjælp af hundemad agarmedium. Dette system giver forskere mulighed for at formere et stort antal dauer orme og kan anvendes til Caenorhabditis elegans og andre beslægtede arter.
Abstract
Dyr udviser dynamisk kollektiv adfærd, som observeret i fugleflokke, fiskeskoler og skarer af mennesker. Dyrs kollektive adfærd er blevet undersøgt inden for både biologi og fysik. I laboratoriet har forskerne brugt forskellige modeldyr som bananfluen og zebrafisken i cirka et århundrede, men det har været en stor udfordring at studere storskala kompleks kollektiv adfærd orkestreret af disse genetisk medgørlige modeldyr. Dette papir præsenterer en protokol til at skabe et eksperimentelt system af kollektiv adfærd i Caenorhabditis elegans. De formerede orme klatrer på låget af petripladen og viser kollektiv sværmadfærd. Systemet styrer også orminteraktioner og adfærd ved at ændre fugtighed og lysstimulering. Dette system giver os mulighed for at undersøge de mekanismer, der ligger til grund for kollektiv adfærd ved at ændre miljøforholdene og undersøge virkningerne af bevægelse på individuelt niveau på kollektiv adfærd ved hjælp af mutanter. Systemet er således nyttigt til fremtidig forskning inden for både fysik og biologi.
Introduction
Både ikke-forskere og forskere er fascineret af dyrs kollektive adfærd, som i fugleflokke og fiskeskoler. Kollektiv adfærd er blevet analyseret inden for en bred vifte af områder, herunder fysik, biologi, matematik og robotik. Især er aktiv stoffysik et voksende forskningsfelt, der fokuserer på systemer sammensat af selvkørende elementer, det vil sige dissipative systemer, såsom fugleflokke, fiskeskoler, biofilm af bevægelige bakterier, cytoskeletoner sammensat af aktive molekyler og grupper af selvkørende kolloider. Teorien om aktiv materiefysik fastholder, at uanset hvor kompleks individernes adfærd er, styres de kollektive bevægelser af et enormt antal levende ting af et lille antal enkle regler. For eksempel forudsiger Vicsek-modellen, en kandidat til en samlet beskrivelse af den kollektive bevægelse af selvdrevne partikler, at kortdistancejusteringsinteraktion mellem bevægelige objekter er nødvendig for at danne en langtrækkende ordnet fase med excentrisk udsving i 2D, som i besætninger af dyr1. Top-down eksperimentelle tilgange vedrørende fysikken af aktivt stof udvikler sig hurtigt. Tidligere forsøg bekræftede dannelsen af en langtrækkende ordnet fase i Escherichia coli2. Andre nyere værker anvendte celler 3,4, bakterier5, bevægelige kolloider6 eller bevægelige proteiner 7,8. Simple minimalmodeller som Vicsek-modellen beskrev med succes disse virkelige fænomener. I modsætning til disse encellede eksperimentelle systemer observeres dyrs kollektive adfærd normalt i naturen, da ingen kunne håbe på at udføre kontrollerede eksperimenter med 10.000 rigtige fugle eller fisk.
Biologer deler samme interesse som fysikere: hvordan individer interagerer med hinanden og funktionelt opfører sig som en gruppe. Et af de traditionelle forskningsområder til analyse af individuel adfærd er neurovidenskab, hvor mekanismerne bag adfærd er blevet undersøgt på neuronalt og molekylært niveau. Mange neurovidenskabelige bottom-up-tilgange er blevet udviklet hidtil. Top-down tilgange i fysik og bottom-up tilgange i biologi kan lettes ved hjælp af modeldyr som frugtfluen, ormen Caenorhabditis elegans og musen9. Der har imidlertid været få fund om disse modeldyrs store kollektive adfærd i laboratoriet10; Det er stadig vanskeligt at forberede genetisk trækbare modeldyr i stor skala i laboratoriet. Derfor har det i den nuværende forskning om kollektiv adfærd inden for biologi og fysik været svært for forskere, der normalt forsker i laboratoriet, at studere dyrs kollektive adfærd.
I denne undersøgelse etablerede vi en metode til storskala dyrkning af nematoder for at studere deres kollektive adfærd. Dette system giver os mulighed for at ændre miljøforhold og undersøge effekten af bevægelse på individuelt niveau på kollektiv adfærd ved hjælp af mutanter10. I aktiv stoffysik kan parametrene i den matematiske model styres i både eksperimenter og simuleringer, hvilket muliggør verifikation af denne model til identifikation af ensartede beskrivelser. Genetik bruges til at forstå den neurale kredsløbsmekanisme, der ligger til grund for kollektiv adfærd11.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne undersøgelse viser vi en protokol til forberedelse af et system til C. elegans store kollektive opførsel i laboratoriet. Den DFA-baserede metode blev oprindeligt etableret med Caenorhabditis japonica14 og Neoaplectana carpocapsae Weiser15, som begge er ikke-modeldyr. Denne metode blev imidlertid ikke anvendt til at undersøge kollektiv adfærd. C. elegans er et genetisk medgørligt modeldyr11,12</sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Caenorhabditis Genetics Center for at levere de stammer, der anvendes i denne undersøgelse. Denne publikation blev støttet af JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (bevillingsnummer JP21H02532), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid på projektet Innovative Areas “Science of Soft Robot” (bevillingsnummer JP18H05474), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Transformative Research Areas B (bevillingsnummer JP23H03845), PRIME fra Japan Agency for Medical Research and Development (bevillingsnummer JP22gm6110022h9904), JST-Mirai-programmet (bevillingsnummer JPMJMI22G3), og JST-FOREST-programmet (bevillingsnummer 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. Genetics. 200 (2), 387-407 (2015).
- Brenner, S. The genetics of Caenorhabditis elegans. Genetics. 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).
