La coltivazione su larga scala dei nematodi per studiarne i comportamenti collettivi
Summary
Qui, viene riportato un sistema per studiare i comportamenti collettivi dei nematodi coltivandoli alla rinfusa utilizzando un terreno di agar per cibo per cani. Questo sistema consente ai ricercatori di propagare un gran numero di vermi dauer e può essere applicato a Caenorhabditis elegans e ad altre specie correlate.
Abstract
Gli animali mostrano comportamenti collettivi dinamici, come osservato in stormi di uccelli, banchi di pesci e folle di esseri umani. I comportamenti collettivi degli animali sono stati studiati sia nel campo della biologia che in quello della fisica. In laboratorio, i ricercatori hanno utilizzato vari animali modello come il moscerino della frutta e il pesce zebra per circa un secolo, ma è rimasta una grande sfida studiare il comportamento collettivo complesso su larga scala orchestrato da questi animali modello geneticamente trattabili. Questo articolo presenta un protocollo per creare un sistema sperimentale di comportamenti collettivi in Caenorhabditis elegans. I vermi propagati si arrampicano sul coperchio della piastra di Petri e mostrano un comportamento di sciamatura collettiva. Il sistema controlla anche le interazioni e i comportamenti dei vermi modificando l’umidità e la stimolazione della luce. Questo sistema ci permette di esaminare i meccanismi alla base dei comportamenti collettivi modificando le condizioni ambientali ed esaminando gli effetti della locomozione a livello individuale sui comportamenti collettivi che utilizzano i mutanti. Pertanto, il sistema è utile per la ricerca futura sia in fisica che in biologia.
Introduction
Sia i non scienziati che gli scienziati sono affascinati dai comportamenti collettivi degli animali, come negli stormi di uccelli e nei banchi di pesci. I comportamenti collettivi sono stati analizzati in una vasta gamma di campi, tra cui la fisica, la biologia, la matematica e la robotica. In particolare, la fisica della materia attiva è un campo di ricerca in crescita che si concentra su sistemi composti da elementi semoventi, cioè sistemi dissipativi, come stormi di uccelli, banchi di pesci, biofilm di batteri mobili, citoscheletri composti da molecole attive e gruppi di colloidi semoventi. La teoria della fisica della materia attiva sostiene che, per quanto complessi siano i comportamenti degli individui, i moti collettivi di un numero enorme di esseri viventi sono governati da un piccolo numero di semplici regole. Ad esempio, il modello di Vicsek, un candidato per una descrizione unificata del moto collettivo delle particelle semoventi, prevede che l’interazione di allineamento a corto raggio di oggetti in movimento sia necessaria per formare una fase ordinata a lungo raggio con fluttuazione eccentrica in 2D, come nei branchi di animali1. Gli approcci sperimentali top-down relativi alla fisica della materia attiva si stanno sviluppando rapidamente. Esperimenti precedenti hanno confermato la formazione di una fase ordinata a lungo raggio in Escherichia coli2. Altri lavori recenti hanno impiegato cellule 3,4, batteri5, colloidi mobili6 o proteine in movimento 7,8. Semplici modelli minimali come il modello di Vicsek hanno descritto con successo questi fenomeni reali. In contrasto con questi sistemi sperimentali unicellulari, i comportamenti collettivi degli animali sono solitamente osservati in natura, poiché nessuno potrebbe sperare di eseguire esperimenti controllati con 10.000 uccelli o pesci reali.
I biologi condividono lo stesso interesse dei fisici: come gli individui interagiscono tra loro e si comportano funzionalmente come un gruppo. Uno dei campi di ricerca tradizionali per l’analisi del comportamento individuale sono le neuroscienze, in cui i meccanismi alla base del comportamento sono stati esaminati a livello neuronale e molecolare. Finora sono stati sviluppati molti approcci neuroscientifici bottom-up. Gli approcci dall’alto verso il basso in fisica e gli approcci dal basso verso l’alto in biologia possono essere facilitati utilizzando animali modello come il moscerino della frutta, il verme Caenorhabditis elegans e il topo9. Tuttavia, ci sono stati pochi risultati sul comportamento collettivo su larga scala di questi animali modello in laboratorio10; È ancora difficile preparare in laboratorio modelli di animali geneticamente trattabili su larga scala. Pertanto, nell’attuale ricerca sui comportamenti collettivi in biologia e fisica, è stato difficile per gli scienziati che di solito fanno ricerca in laboratorio studiare i comportamenti collettivi degli animali.
In questo studio, abbiamo stabilito un metodo per la coltivazione su larga scala dei nematodi per studiare i loro comportamenti collettivi. Questo sistema ci permette di modificare le condizioni ambientali ed esaminare l’effetto della locomozione a livello individuale sui comportamenti collettivi utilizzando mutanti10. Nella fisica della materia attiva, i parametri del modello matematico possono essere controllati sia negli esperimenti che nelle simulazioni, il che consente la verifica di tale modello per identificare descrizioni unificate. La genetica viene utilizzata per comprendere il meccanismo del circuito neurale alla base del comportamento collettivo11.
Protocol
Representative Results
Discussion
In questo studio, mostriamo un protocollo per la preparazione di un sistema per il comportamento collettivo su larga scala di C. elegans in laboratorio. Il metodo basato sul DFA è stato originariamente stabilito con Caenorhabditis japonica14 e Neoaplectana carpocapsae Weiser15, entrambi animali non modello. Tuttavia, questo metodo non è stato applicato per indagare i comportamenti collettivi. Il C. elegans è un animale modello genetica…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo il Caenorhabditis Genetics Center per aver fornito i ceppi utilizzati in questo studio. Questa pubblicazione è stata sostenuta da JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (numero di sovvenzione JP21H02532), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid sul progetto Innovative Areas “Science of Soft Robot” (numero di sovvenzione JP18H05474), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Transformative Research Areas B (numero di sovvenzione JP23H03845), PRIME dell’Agenzia giapponese per la ricerca e lo sviluppo medico (numero di sovvenzione JP22gm6110022h9904), programma JST-Mirai (numero di sovvenzione JPMJMI22G3), e il programma JST-FOREST (numero di sovvenzione 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
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