선충의 집단 행동을 연구하기 위한 대규모 재배
Summary
여기에서는 개 사료 한천 배지를 사용하여 선충을 대량으로 배양하여 선충의 집단 행동을 연구하는 시스템이보고되었습니다. 이 시스템을 통해 연구자들은 많은 수의 다우어 웜을 번식시킬 수 있으며 Caenorhabditis elegans 및 기타 관련 종에 적용할 수 있습니다.
Abstract
동물은 새 떼, 물고기 떼, 인간 무리에서 관찰되는 것처럼 역동적인 집단 행동을 나타냅니다. 동물의 집단 행동은 생물학과 물리학 분야에서 조사되었습니다. 실험실에서 연구자들은 약 100년 동안 초파리와 제브라피시와 같은 다양한 모델 동물을 사용해 왔지만, 유전적으로 다루기 쉬운 모델 동물에 의해 조정된 대규모의 복잡한 집단 행동을 연구하는 것은 여전히 주요 과제로 남아 있습니다. 이 논문은 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans)의 집단 행동에 대한 실험적 시스템을 만들기 위한 프로토콜을 제시합니다. 번식된 벌레는 페트리 판의 뚜껑에 올라가 집단 떼 행동을 보입니다. 이 시스템은 또한 습도와 빛 자극을 변경하여 벌레의 상호 작용과 행동을 제어합니다. 이 시스템을 통해 우리는 환경 조건을 변화시키고 돌연변이를 사용하여 집단 행동에 대한 개인 수준의 운동이 집단 행동에 미치는 영향을 조사함으로써 집단 행동의 기저에 있는 메커니즘을 조사할 수 있습니다. 따라서 이 시스템은 물리학과 생물학 모두에서 향후 연구에 유용합니다.
Introduction
비과학자와 과학자 모두 새 떼와 물고기 떼와 같은 동물의 집단 행동에 매료되어 있습니다. 집단 행동은 물리학, 생물학, 수학 및 로봇 공학을 포함한 광범위한 분야에서 분석되었습니다. 특히, 활성물질 물리학은 조류 떼, 물고기 떼, 운동성 박테리아의 생물막, 활성 분자로 구성된 세포골격, 자체 추진 콜로이드 그룹과 같은 자체 추진 원소로 구성된 시스템, 즉 소산 시스템에 중점을 둔 연구 분야입니다. 활성 물질 물리학 이론은 개인의 행동이 아무리 복잡하더라도 엄청난 수의 생물의 집단 운동은 소수의 간단한 규칙에 의해 지배된다고 주장합니다. 예를 들어, 자체 추진 입자의 집단 운동에 대한 통일된 설명의 후보인 Vicsek 모델은 동물 무리에서와 같이 2D에서 편심 변동이 있는 장거리 정렬 위상을 형성하기 위해 움직이는 물체의 단거리 정렬 상호 작용이 필요하다고 예측합니다1. 활성 물질의 물리학과 관련된 하향식 실험적 접근 방식이 빠르게 발전하고 있습니다. 이전 실험에서는 대장균2에서 장거리 주문상의 형성을 확인했습니다. 최근의 다른 연구에서는 세포 3,4, 박테리아5, 운동성 콜로이드6 또는 움직이는 단백질 7,8을 사용했다. Vicsek 모델과 같은 간단한 최소 모델은 이러한 실제 현상을 성공적으로 설명했습니다. 이러한 단세포 실험 시스템과는 대조적으로, 동물의 집단 행동은 일반적으로 야생에서 관찰되는데, 아무도 10,000마리의 실제 새나 물고기를 대상으로 통제된 실험을 수행하기를 바랄 수 없기 때문입니다.
생물학자들은 물리학자들과 같은 관심사를 가지고 있습니다: 개인이 어떻게 서로 상호 작용하고 기능적으로 그룹으로서 행동하는지. 개인의 행동을 분석하기 위한 전통적인 연구 분야 중 하나는 신경 과학으로, 행동의 기저에 있는 메커니즘을 신경 및 분자 수준에서 조사했습니다. 지금까지 많은 신경과학적 상향식 접근법이 개발되었다. 물리학의 하향식 접근법과 생물학의 상향식 접근법은 초파리, 예 쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans) 및 생쥐(mouse)와 같은 모델 동물을 사용하여 촉진될 수 있다9. 그러나, 실험실에서 이들 모델 동물의 대규모 집단 행동에 대한 발견은 거의 없었다10; 실험실에서 유전적으로 다루기 쉬운 모델 동물을 대규모로 준비하는 것은 여전히 어렵습니다. 따라서 현재 생물학과 물리학의 집단행동에 대한 연구에서 일반적으로 실험실에서 연구를 수행하는 과학자들은 동물의 집단행동을 연구하는 것이 어려웠다.
이 연구에서는 선충의 집단 행동을 연구하기 위해 선충을 대규모로 배양하는 방법을 확립했습니다. 이 시스템을 통해 우리는 환경 조건을 변화시키고 돌연변이10을 사용하여 집단 행동에 대한 개인 수준의 운동이 미치는 영향을 조사할 수 있습니다. 활성 물질 물리학에서 수학적 모델의 매개변수는 실험과 시뮬레이션 모두에서 제어할 수 있으며, 이를 통해 통일된 설명을 식별하기 위해 해당 모델을 검증할 수 있습니다. 유전학은 집단 행동의 기저에 있는 신경 회로 메커니즘을 이해하는 데 사용된다11.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 연구에서는 실험실에서 예쁜꼬마선충(C. elegans)의 대규모 집단 행동을 위한 시스템을 준비하기 위한 프로토콜을 보여줍니다. DFA 기반 방법은 원래 Caenorhabditis japonica14 및 Neoaplectana carpocapsae Weiser15로 확립되었으며, 둘 다 비모델 동물입니다. 그러나 이 방법은 집단 행동을 조사하는 데 적용되지 않았습니다. 예쁜꼬마선충(C. elegans)은 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구에 사용된 균주를 제공한 Caenorhabditis Genetics Center에 감사드립니다. 이 간행물은 JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (보조금 번호 JP21H02532), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid on the Innovative Areas “Science of Soft Robot” 프로젝트(보조금 번호 JP18H05474), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Transformative Research Areas B(보조금 번호 JP23H03845), 일본 의료연구개발기구의 PRIME(보조금 번호 JP22gm6110022h9904), JST-Mirai 프로그램(보조금 번호 JPMJMI22G3)의 지원을 받았습니다. 및 JST-FOREST 프로그램(보조금 번호 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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