زراعة الديدان الخيطية على نطاق واسع لدراسة سلوكياتها الجماعية
Summary
هنا ، تم الإبلاغ عن نظام لدراسة السلوكيات الجماعية للديدان الخيطية عن طريق استزراعها بكميات كبيرة باستخدام وسط أجار طعام. يسمح هذا النظام للباحثين بنشر أعداد كبيرة من ديدان dauer ويمكن تطبيقه على Caenorhabditis elegans والأنواع الأخرى ذات الصلة.
Abstract
تظهر سلوكيات جماعية ديناميكية ، كما لوحظ في أسراب الطيور ، ومجموعات الأسماك ، وحشود البشر. تم التحقيق في السلوكيات الجماعية للحيوانات في مجالات كل من علم الأحياء والفيزياء. في المختبر ، استخدم الباحثون نموذجية مختلفة مثل ذبابة الفاكهة وسمك الزرد لما يقرب من قرن من الزمان ، ولكن ظل تحديا كبيرا لدراسة السلوك الجماعي المعقد على نطاق واسع الذي تنظمه هذه النموذجية القابلة للتتبع وراثيا. تقدم هذه الورقة بروتوكولا لإنشاء نظام تجريبي للسلوكيات الجماعية في Caenorhabditis elegans. تتسلق الديدان المنتشرة على غطاء صفيحة بتري وتظهر سلوك جماعي للحشد. يتحكم النظام أيضا في تفاعلات الدودة وسلوكياتها عن طريق تغيير الرطوبة وتحفيز الضوء. يسمح لنا هذا النظام بفحص الآليات الكامنة وراء السلوكيات الجماعية من خلال تغيير الظروف البيئية وفحص آثار الحركة على المستوى الفردي على السلوكيات الجماعية باستخدام المسوخ. وبالتالي ، فإن النظام مفيد للبحث المستقبلي في كل من الفيزياء والبيولوجيا.
Introduction
كل من غير العلماء والعلماء مفتونون بالسلوكيات الجماعية للحيوانات ، كما هو الحال في أسراب الطيور ومجموعات الأسماك. تم تحليل السلوكيات الجماعية في مجموعة واسعة من المجالات ، بما في ذلك الفيزياء والبيولوجيا والرياضيات والروبوتات. على وجه الخصوص ، تعد فيزياء المادة النشطة مجالا بحثيا متناميا يركز على الأنظمة المكونة من عناصر ذاتية الدفع ، أي الأنظمة المبددة ، مثل أسراب الطيور ، ومجموعات الأسماك ، والأغشية الحيوية للبكتيريا المتحركة ، والهياكل الخلوية المكونة من جزيئات نشطة ، ومجموعات من الغرويات ذاتية الدفع. تؤكد نظرية فيزياء المادة الفعالة أنه مهما كانت سلوكيات الأفراد معقدة ، فإن الحركات الجماعية لأعداد هائلة من الكائنات الحية يحكمها عدد صغير من القواعد البسيطة. على سبيل المثال ، يتنبأ نموذج Vicsek ، وهو مرشح لوصف موحد للحركة الجماعية للجسيمات ذاتية الدفع ، بأن تفاعل المحاذاة قصير المدى للأجسام المتحركة مطلوب لتشكيل مرحلة مرتبة طويلة المدى مع تذبذب غريب الأطوار في 2D ، كما هو الحال في قطعان1. تتطور الأساليب التجريبية من أعلى إلى أسفل المتعلقة بفيزياء المادة الفعالة بسرعة. أكدت التجارب السابقة تشكيل مرحلة مرتبة بعيدة المدى في الإشريكية القولونية2. استخدمت أعمال حديثة أخرى الخلايا 3,4 ، البكتيريا5 ، الغرويات المتحركة6 ، أو البروتينات المتحركة 7,8. وصفت النماذج البسيطة البسيطة مثل نموذج Vicsek بنجاح هذه الظواهر الحقيقية. على النقيض من هذه الأنظمة التجريبية أحادية الخلية ، عادة ما يتم ملاحظة السلوكيات الجماعية للحيوانات في البرية ، حيث لا يمكن لأحد أن يأمل في إجراء تجارب خاضعة للرقابة مع 10000 طائر أو سمكة حقيقية.
يشترك علماء الأحياء في نفس الاهتمام مع الفيزيائيين: كيف يتفاعل الأفراد مع بعضهم البعض ويتصرفون وظيفيا كمجموعة. أحد مجالات البحث التقليدية لتحليل السلوك الفردي هو علم الأعصاب ، حيث تم فحص الآليات الكامنة وراء السلوك على المستويين العصبي والجزيئي. تم تطوير العديد من الأساليب العلمية العصبية من أسفل إلى أعلى حتى الآن. يمكن تسهيل النهج من أعلى إلى أسفل في الفيزياء والنهج من أسفل إلى أعلى في علم الأحياء باستخدام نموذجية مثل ذبابة الفاكهة ، والدودة Caenorhabditis elegans ، والفأر9. ومع ذلك ، كانت هناك نتائج قليلة حول السلوك الجماعي واسع النطاق لهذه النموذجية في المختبر10. لا يزال من الصعب إعداد نموذجية قابلة للتتبع وراثيا على نطاق واسع في المختبر. لذلك ، في الأبحاث الحالية حول السلوكيات الجماعية في علم الأحياء والفيزياء ، كان من الصعب على العلماء الذين يجرون عادة أبحاثا في المختبر دراسة السلوكيات الجماعية للحيوانات.
في هذه الدراسة ، أنشأنا طريقة لزراعة الديدان الخيطية على نطاق واسع لدراسة سلوكياتها الجماعية. يسمح لنا هذا النظام بتغيير الظروف البيئية وفحص تأثير الحركة على المستوى الفردي على السلوكيات الجماعية باستخدام الطفرات10. في فيزياء المادة الفعالة ، يمكن التحكم في معلمات النموذج الرياضي في كل من التجارب والمحاكاة ، مما يتيح التحقق من هذا النموذج لتحديد الأوصاف الموحدة. يستخدم علم الوراثة لفهم آلية الدائرة العصبية الكامنة وراء السلوك الجماعي11.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذه الدراسة ، نعرض بروتوكولا لإعداد نظام للسلوك الجماعي واسع النطاق ل C. elegans في المختبر. تم إنشاء الطريقة القائمة على DFA في الأصل مع Caenorhabditis japonica14 و Neoaplectana carpocapsae Weiser15 ، وكلاهما غير نموذجية. ومع ذلك ، لم يتم تطبيق هذه الطريقة للتحقيق في السلوكيات ا?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر مركز Caenorhabditis Genetics على توفير السلالات المستخدمة في هذه الدراسة. تم دعم هذا المنشور من قبل JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (رقم المنحة JP21H02532) ، JSPS KAKENHI Grant-in-Aid حول مشروع المجالات المبتكرة “Science of Soft Robot” (رقم المنحة JP18H05474) ، JSPS KAKENHI Grant-in-Aid لمجالات البحث التحويلي B (رقم المنحة JP23H03845) ، PRIME من الوكالة اليابانية للبحث والتطوير الطبي (رقم المنحة JP22gm6110022h9904) ، برنامج JST-Mirai (رقم المنحة JPMJMI22G3) ، وبرنامج JST-FOREST (رقم المنحة 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).
