El cultivo a gran escala de nematodos para estudiar sus comportamientos colectivos
Summary
Aquí, se reporta un sistema para estudiar los comportamientos colectivos de los nematodos mediante su cultivo a granel utilizando medio agar alimento para perros. Este sistema permite a los investigadores propagar un gran número de gusanos dauer y se puede aplicar a Caenorhabditis elegans y otras especies relacionadas.
Abstract
Los animales exhiben comportamientos colectivos dinámicos, como se observa en bandadas de aves, bancos de peces y multitudes de humanos. Los comportamientos colectivos de los animales han sido investigados tanto en los campos de la biología como de la física. En el laboratorio, los investigadores han utilizado varios animales modelo, como la mosca de la fruta y el pez cebra, durante aproximadamente un siglo, pero sigue siendo un gran desafío estudiar el comportamiento colectivo complejo a gran escala orquestado por estos animales modelo genéticamente manejables. En este trabajo se presenta un protocolo para crear un sistema experimental de comportamientos colectivos en Caenorhabditis elegans. Los gusanos propagados trepan por la tapa de la placa de Petri y muestran un comportamiento de enjambre colectivo. El sistema también controla las interacciones y comportamientos de los gusanos cambiando la humedad y la estimulación de la luz. Este sistema nos permite examinar los mecanismos subyacentes a los comportamientos colectivos mediante el cambio de las condiciones ambientales y el examen de los efectos de la locomoción a nivel individual en los comportamientos colectivos utilizando mutantes. Por lo tanto, el sistema es útil para futuras investigaciones tanto en física como en biología.
Introduction
Tanto los no científicos como los científicos están fascinados con los comportamientos colectivos de los animales, como en las bandadas de pájaros y los bancos de peces. Los comportamientos colectivos se han analizado en una amplia gama de campos, como la física, la biología, las matemáticas y la robótica. En particular, la física de la materia activa es un campo de investigación en crecimiento que se centra en sistemas compuestos por elementos autopropulsados, es decir, sistemas disipativos, como bandadas de aves, bancos de peces, biopelículas de bacterias móviles, citoesqueletos compuestos por moléculas activas y grupos de coloides autopropulsados. La teoría de la física de la materia activa sostiene que, por muy complejos que sean los comportamientos de los individuos, los movimientos colectivos de un gran número de seres vivos se rigen por un pequeño número de reglas simples. Por ejemplo, el modelo de Vicsek, candidato para una descripción unificada del movimiento colectivo de partículas autopropulsadas, predice que se requiere una interacción de alineación de corto alcance de objetos en movimiento para formar una fase ordenada de largo alcance con fluctuación excéntrica en 2D, como en las manadas de animales1. Los enfoques experimentales de arriba hacia abajo relacionados con la física de la materia activa se están desarrollando rápidamente. Experimentos previos confirmaron la formación de una fase ordenada de largo alcance en Escherichiacoli 2. Otros trabajos recientes emplearon células 3,4, bacterias5, coloides móviles6 o proteínas en movimiento 7,8. Modelos minimalistas simples, como el modelo de Vicsek, describieron con éxito estos fenómenos reales. A diferencia de estos sistemas experimentales unicelulares, los comportamientos colectivos de los animales suelen observarse en la naturaleza, ya que nadie podría esperar realizar experimentos controlados con 10.000 aves o peces reales.
Los biólogos comparten el mismo interés que los físicos: cómo los individuos interactúan entre sí y se comportan funcionalmente como grupo. Uno de los campos de investigación tradicionales para analizar el comportamiento individual es la neurociencia, en la que se han examinado los mecanismos subyacentes al comportamiento a nivel neuronal y molecular. Hasta ahora se han desarrollado muchos enfoques neurocientíficos de abajo hacia arriba. Los enfoques de arriba hacia abajo en física y los enfoques de abajo hacia arriba en biología pueden facilitarse utilizando animales modelo como la mosca de la fruta, el gusano Caenorhabditis elegans y el ratón9. Sin embargo, ha habido pocos hallazgos sobre el comportamiento colectivo a gran escala de estos animales modelo en el laboratorio10; Todavía es difícil preparar animales modelo genéticamente tratables a gran escala en el laboratorio. Por lo tanto, en la investigación actual sobre comportamientos colectivos en biología y física, ha sido difícil para los científicos que suelen investigar en el laboratorio estudiar los comportamientos colectivos de los animales.
En este estudio, establecimos un método para el cultivo a gran escala de nematodos para estudiar sus comportamientos colectivos. Este sistema nos permite cambiar las condiciones ambientales y examinar el efecto de la locomoción a nivel individual en los comportamientos colectivos utilizando mutantes10. En física de la materia activa, los parámetros del modelo matemático se pueden controlar tanto en experimentos como en simulaciones, lo que permite verificar ese modelo para identificar descripciones unificadas. La genética se utiliza para comprender el mecanismo del circuito neuronal que subyace al comportamiento colectivo11.
Protocol
Representative Results
Discussion
En este estudio, mostramos un protocolo para preparar un sistema para el comportamiento colectivo a gran escala de C. elegans en el laboratorio. El método basado en DFA se estableció originalmente con Caenorhabditis japonica14 y Neoaplectana carpocapsae Weiser15, ambos animales no modelo. Sin embargo, este método no se aplicó para investigar comportamientos colectivos. El C. elegans es un animal modelo genéticamente tratable<sup clas…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos al Centro de Genética de Caenorhabditis por proporcionar las cepas utilizadas en este estudio. Esta publicación ha contado con el apoyo de JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (subvención número JP21H02532), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid on the Innovative Areas “Science of Soft Robot” (subvención número JP18H05474), JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Transformative Research Areas B (subvención número JP23H03845), PRIME de la Agencia Japonesa de Investigación y Desarrollo Médico (subvención número JP22gm6110022h9904), JST-Mirai Program (subvención número JPMJMI22G3), y el Programa JST-FOREST (subvención número 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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