Het op grote schaal kweken van nematoden om hun collectieve gedrag te bestuderen
Summary
Hier wordt een systeem gerapporteerd voor het bestuderen van het collectieve gedrag van nematoden door ze in bulk te kweken met behulp van hondenvoer-agarmedium. Dit systeem stelt onderzoekers in staat om grote aantallen dauerwormen te vermeerderen en kan worden toegepast op Caenorhabditis elegans en andere verwante soorten.
Abstract
Dieren vertonen dynamisch collectief gedrag, zoals waargenomen bij zwermen vogels, scholen vissen en mensenmassa’s. Het collectieve gedrag van dieren is onderzocht op het gebied van zowel biologie als natuurkunde. In het laboratorium gebruiken onderzoekers al ongeveer een eeuw verschillende modeldieren zoals de fruitvlieg en zebravis, maar het is een grote uitdaging gebleven om grootschalig complex collectief gedrag te bestuderen dat door deze genetisch handelbare modeldieren wordt georkestreerd. Dit artikel presenteert een protocol om een experimenteel systeem van collectief gedrag te creëren in Caenorhabditis elegans. De vermeerderde wormen klimmen op het deksel van de petriplaat en vertonen collectief zwermgedrag. Het systeem regelt ook de interacties en het gedrag van wormen door de vochtigheid en lichtstimulatie te veranderen. Dit systeem stelt ons in staat om de mechanismen te onderzoeken die ten grondslag liggen aan collectief gedrag door omgevingsomstandigheden te veranderen en de effecten van voortbeweging op individueel niveau op collectief gedrag met behulp van mutanten te onderzoeken. Het systeem is dus nuttig voor toekomstig onderzoek in zowel de natuurkunde als de biologie.
Introduction
Zowel niet-wetenschappers als wetenschappers zijn gefascineerd door het collectieve gedrag van dieren, zoals in zwermen vogels en scholen vissen. Collectief gedrag is geanalyseerd op een breed scala van gebieden, waaronder natuurkunde, biologie, wiskunde en robotica. In het bijzonder is de fysica van actieve materie een groeiend onderzoeksveld dat zich richt op systemen die zijn samengesteld uit zelfrijdende elementen, dat wil zeggen dissipatieve systemen, zoals zwermen vogels, scholen vissen, biofilms van beweeglijke bacteriën, cytoskeletten die zijn samengesteld uit actieve moleculen en groepen zelfrijdende colloïden. De theorie van de fysica van de actieve materie stelt dat hoe complex het gedrag van individuen ook is, de collectieve bewegingen van enorme aantallen levende wezens worden beheerst door een klein aantal eenvoudige regels. Het Vicsek-model, een kandidaat voor een uniforme beschrijving van de collectieve beweging van zelfrijdende deeltjes, voorspelt bijvoorbeeld dat de uitlijningsinteractie op korte afstand van bewegende objecten nodig is om een geordende fase op lange afstand te vormen met excentrische fluctuaties in 2D, zoals in kuddesdieren1. Top-down experimentele benaderingen met betrekking tot de fysica van actieve materie ontwikkelen zich snel. Eerdere experimenten bevestigden de vorming van een geordende fase op lange afstand in Escherichia coli2. Andere recente werken gebruikten cellen 3,4, bacteriën5, beweeglijke colloïden6 of bewegende eiwitten 7,8. Eenvoudige minimale modellen zoals het Vicsek-model beschreven met succes deze echte fenomenen. In tegenstelling tot deze eencellige experimentele systemen, wordt collectief gedrag van dieren meestal in het wild waargenomen, omdat niemand zou kunnen hopen gecontroleerde experimenten uit te voeren met 10.000 echte vogels of vissen.
Biologen delen dezelfde interesse als natuurkundigen: hoe individuen met elkaar omgaan en zich functioneel gedragen als een groep. Een van de traditionele onderzoeksgebieden voor het analyseren van individueel gedrag is de neurowetenschappen, waarin de mechanismen die ten grondslag liggen aan gedrag zijn onderzocht op neuronaal en moleculair niveau. Tot nu toe zijn er veel neurowetenschappelijke bottom-up benaderingen ontwikkeld. Top-down benaderingen in de natuurkunde en bottom-up benaderingen in de biologie kunnen worden gefaciliteerd met behulp van modeldieren zoals de fruitvlieg, de worm Caenorhabditis elegans en de muis9. Er zijn echter weinig bevindingen over het grootschalige collectieve gedrag van deze modeldieren in het laboratorium10; Het is nog steeds moeilijk om genetisch handelbare modeldieren op grote schaal in het laboratorium te bereiden. Daarom is het in het huidige onderzoek naar collectief gedrag in de biologie en natuurkunde moeilijk geweest voor wetenschappers die gewoonlijk onderzoek doen in het laboratorium om het collectieve gedrag van dieren te bestuderen.
In deze studie hebben we een methode ontwikkeld voor de grootschalige teelt van nematoden om hun collectieve gedrag te bestuderen. Dit systeem stelt ons in staat om omgevingsomstandigheden te veranderen en het effect van voortbeweging op individueel niveau op collectief gedrag te onderzoeken met behulp van mutanten10. In de fysica van actieve materie kunnen de parameters van het wiskundige model worden gecontroleerd in zowel experimenten als simulaties, waardoor verificatie van dat model mogelijk is voor het identificeren van uniforme beschrijvingen. Genetica wordt gebruikt om het neurale circuitmechanisme te begrijpen dat ten grondslag ligt aan collectief gedrag11.
Protocol
Representative Results
Discussion
In deze studie tonen we een protocol voor het voorbereiden van een systeem voor het grootschalige collectieve gedrag van C. elegans in het laboratorium. De op DFA gebaseerde methode werd oorspronkelijk vastgesteld met Caenorhabditis japonica14 en Neoaplectana carpocapsae Weiser15, die beide niet-modeldieren zijn. Deze methode werd echter niet toegepast om collectief gedrag te onderzoeken. De C. elegans is een genetisch handelbaar modeldie…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We danken het Caenorhabditis Genetics Center voor het leveren van de soorten die in dit onderzoek zijn gebruikt. Deze publicatie werd ondersteund door JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (subsidienummer JP21H02532), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid op het project Innovative Areas “Science of Soft Robot” (subsidienummer JP18H05474), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Transformative Research Areas B (subsidienummer JP23H03845), de PRIME van het Japanse Agentschap voor Medisch Onderzoek en Ontwikkeling (subsidienummer JP22gm6110022h9904), JST-Mirai-programma (subsidienummer JPMJMI22G3), en het JST-FOREST-programma (subsidienummer 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).
