טיפוח בקנה מידה גדול של נמטודות כדי ללמוד את ההתנהגויות הקולקטיביות שלהם
Summary
כאן, מדווח על מערכת לחקר התנהגויות קולקטיביות של נמטודות על ידי טיפוחן בכמויות גדולות באמצעות מדיום אגר מזון לכלבים. מערכת זו מאפשרת לחוקרים להפיץ מספר גדול של תולעי דאואר וניתן ליישם אותה על Caenorhabditis elegans ומינים קרובים אחרים.
Abstract
בעלי חיים מפגינים התנהגויות קולקטיביות דינמיות, כפי שנצפה בלהקות ציפורים, להקות דגים והמוני בני אדם. ההתנהגויות הקולקטיביות של בעלי חיים נחקרו בתחומי הביולוגיה והפיזיקה. במעבדה, חוקרים השתמשו בחיות מודל שונות כגון זבוב הפירות ודגי הזברה במשך כמאה שנה, אך נותר אתגר גדול לחקור התנהגות קולקטיבית מורכבת בקנה מידה גדול המתוזמרת על ידי חיות מודל גנטיות אלה. מאמר זה מציג פרוטוקול ליצירת מערכת ניסיונית של התנהגויות קולקטיביות ב- Caenorhabditis elegans. התולעים המתפשטות מטפסות על מכסה צלחת הפטרי ומראות התנהגות נחיל קולקטיבית. המערכת גם שולטת באינטראקציות ובהתנהגויות של תולעים על ידי שינוי הלחות וגירוי האור. מערכת זו מאפשרת לנו לבחון את המנגנונים העומדים בבסיס התנהגויות קולקטיביות על ידי שינוי תנאי הסביבה ובחינת ההשפעות של תנועה ברמת הפרט על התנהגויות קולקטיביות באמצעות מוטנטים. לפיכך, המערכת שימושית למחקר עתידי הן בפיזיקה והן בביולוגיה.
Introduction
הן הלא-מדענים והן המדענים מוקסמים מהתנהגויות קולקטיביות של בעלי חיים, כמו בלהקות ציפורים ובלהקות דגים. התנהגויות קולקטיביות נותחו במגוון רחב של תחומים, כולל פיזיקה, ביולוגיה, מתמטיקה ורובוטיקה. בפרט, פיזיקת החומר הפעיל היא תחום מחקר הולך וגדל המתמקד במערכות המורכבות מיסודות בעלי הנעה עצמית, כלומר מערכות מפזרות, כגון להקות ציפורים, להקות דגים, ביופילמים של חיידקים תנועתיים, שלדים ציטושלדים המורכבים ממולקולות פעילות, וקבוצות של קולואידים בעלי הנעה עצמית. התיאוריה של פיזיקת החומר הפעיל גורסת כי ככל שהתנהגותם של יחידים מורכבת, תנועותיהם הקולקטיביות של מספר עצום של יצורים חיים נשלטות על ידי מספר קטן של כללים פשוטים. לדוגמה, מודל Vicsek, מועמד לתיאור מאוחד של התנועה הקולקטיבית של חלקיקים בעלי הנעה עצמית, חוזה כי אינטראקציית יישור לטווח קצר של עצמים נעים נדרשת כדי ליצור פאזה מסודרת לטווח ארוך עם תנודות אקסצנטריות בדו-ממד, כמו בעדרי בעלי חיים1. גישות ניסיוניות מלמעלה למטה הנוגעות לפיזיקה של חומר פעיל מתפתחות במהירות. ניסויים קודמים אישרו היווצרות של שלב מסודר ארוך טווח ב- Escherichia coli2. עבודות אחרות שנעשו לאחרונה עסקו בתאים 3,4, חיידקים5, קולואידים תנועתיים6, או חלבונים נעים 7,8. מודלים מינימליים פשוטים כמו מודל ויצ’ק תיארו בהצלחה את התופעות האמיתיות הללו. בניגוד למערכות ניסויים חד-תאיות אלה, התנהגויות קולקטיביות של בעלי חיים נצפות בדרך כלל בטבע, מכיוון שאיש לא יכול היה לקוות לבצע ניסויים מבוקרים עם 10,000 ציפורים או דגים אמיתיים.
ביולוגים חולקים את אותו עניין כמו פיזיקאים: כיצד פרטים מתקשרים זה עם זה ומתנהגים באופן פונקציונלי כקבוצה. אחד מתחומי המחקר המסורתיים לניתוח התנהגות הפרט הוא מדעי המוח, שבו נבדקו המנגנונים העומדים בבסיס ההתנהגות ברמה העצבית והמולקולרית. גישות רבות של מדעי המוח מלמטה למעלה פותחו עד כה. ניתן להקל על גישות מלמעלה למטה בפיזיקה וגישות מלמטה למעלה בביולוגיה באמצעות חיות מודל כגון זבוב הפירות, התולעת Caenorhabditis elegans והעכבר9. עם זאת, היו מעט ממצאים על ההתנהגות הקולקטיבית בקנה מידה גדול של חיות מודל אלה במעבדה10; עדיין קשה להכין חיות מודל גנטיות בקנה מידה גדול במעבדה. לכן, במחקר הנוכחי על התנהגויות קולקטיביות בביולוגיה ובפיזיקה, קשה למדענים שבדרך כלל חוקרים במעבדה לחקור התנהגויות קולקטיביות של בעלי חיים.
במחקר זה ביססנו שיטה לטיפוח בקנה מידה גדול של נמטודות כדי לחקור את ההתנהגויות הקולקטיביות שלהן. מערכת זו מאפשרת לנו לשנות את תנאי הסביבה ולבחון את ההשפעה של תנועה ברמת הפרט על התנהגויות קולקטיביות באמצעות מוטנטים10. בפיזיקה של חומר פעיל, ניתן לשלוט בפרמטרים של המודל המתמטי הן בניסויים והן בסימולציות, מה שמאפשר אימות של אותו מודל לזיהוי תיאורים אחידים. גנטיקה משמשת להבנת מנגנון המעגל העצבי העומד בבסיס ההתנהגות הקולקטיבית11.
Protocol
Representative Results
Discussion
במחקר זה אנו מראים פרוטוקול להכנת מערכת להתנהגות קולקטיבית בקנה מידה גדול של C. elegans במעבדה. השיטה מבוססת DFA הוקמה במקור עם Caenorhabditis japonica14 ו– Neoaplectana carpocapsae Weiser15, שניהם בעלי חיים שאינם לדוגמה. עם זאת, שיטה זו לא יושמה כדי לחקור התנהגויות קולקטיביות. C. el…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים למרכז Caenorhabditis Genetics על אספקת הזנים המשמשים במחקר זה. פרסום זה נתמך על ידי JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (מענק מספר JP21H02532), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid על פרויקט “מדע הרובוט הרך” בתחומים חדשניים (מספר מענק JP18H05474), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Transformative Research Areas B (מספר מענק JP23H03845), PRIME מהסוכנות היפנית למחקר ופיתוח רפואי (מספר מענק JP22gm6110022h9904), תוכנית JST-Mirai (מספר מענק JPMJMI22G3), ותוכנית JST-FOREST (מענק מספר 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).
