A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
قياس التنفس بقياس الكولوم مثالي لقياس معدل الأيض للكائنات الحية الدقيقة. عند تكييفه مع ذبابة الفاكهة الميلانية في الدراسة الحالية ، كان استهلاك O2 المقاس ضمن النطاق الذي تم الإبلاغ عنه للنوع البري D. melanogaster من خلال الدراسات السابقة. كان استهلاك O2 لكل ذبابة بواسطة طفرات CASK ، وهي أصغر حجما وأقل نشاطا ، أقل بكثير من النوع البري.
قياس التنفس الدقيق للكولوم هو طريقة مباشرة وغير مكلفة لقياس استهلاك O2 للكائنات الحية الصغيرة مع الحفاظ على بيئة مستقرة. يتكون مقياس التنفس المجهري الكولوم من غرفة محكمة الإغلاق يتم فيها استهلاك O 2 ويتم إزالة CO2 الذي ينتجه الكائن الحي بواسطة وسيط ماص. يؤدي انخفاض الضغط الناتج إلى إنتاج O 2 كهربائيا ، ويتم قياس كمية O2 المنتجة عن طريق تسجيل كمية الشحنة المستخدمة لتوليدها. في هذه الدراسة ، تم تكييف الطريقة مع ذبابة الفاكهة الميلانية التي تم اختبارها في مجموعات صغيرة ، مع حساسية الجهاز والظروف البيئية المحسنة لتحقيق ثبات عالي. تتوافق كمية O2 التي يستهلكها الذباب البري في هذا الجهاز مع تلك التي تم قياسها بواسطة الدراسات السابقة. لم يكن استهلاك O2 الخاص بالكتلة بواسطة طفرات CASK ، وهي أصغر ومعروفة بأنها أقل نشاطا ، مختلفا عن الضوابط المتجانسة. ومع ذلك ، أدى صغر حجم طفرات CASK إلى انخفاض كبير في استهلاك O2 على أساس كل ذبابة. لذلك ، فإن مقياس التنفس الدقيق قادر على قياس استهلاك O2 في D. melanogaster ، ويمكنه التمييز بين الاختلافات المتواضعة بين الأنماط الجينية ، ويضيف أداة متعددة الاستخدامات لقياس معدلات الأيض.
القدرة على قياس معدل الأيض أمر بالغ الأهمية لفهم كامل للكائن الحي في سياقه البيئي. على سبيل المثال ، من الضروري قياس معدل الأيض من أجل فهم دوره في العمر1 ، أو دور النظام الغذائي في التمثيل الغذائي2 ، أو عتبة الإجهاد نقص الأكسجين3.
هناك طريقتان عامتان لقياس معدل الأيض4. يقيس القياس الحراري المباشر إنفاق الطاقة مباشرة عن طريق قياس إنتاج الحرارة. يقيس القياس الحراري غير المباشر إنتاج الطاقة من خلال وسائل أخرى ، غالبا عن طريق القياس التنفسي لاستهلاك O2 (VO2) أو إنتاج CO2 أو كليهما. على الرغم من تطبيق القياس الحراري المباشر على الحرارة الخارجية الصغيرة ، بما في ذلك ذبابة الفاكهة الميلانوجاستر5 ، إلا أن قياس التنفس أبسط تقنيا وأكثر استخداما.
تم استخدام عدة أشكال من قياس التنفس بنجاح لقياس معدل الأيض في النوع البري والمتحولة D. melanogaster وقدمت نظرة ثاقبة للتأثيرات الأيضية لدرجة الحرارة6 ، والبيئة الاجتماعية 3 ، والنظام الغذائي3،7 ، واضطرابات النمو العصبي8. تنقسم هذه إلى فئتين ، والتي تختلف اختلافا كبيرا في التكلفة والتعقيد. قياس الضغط هو أبسط وأقل تكلفة 9,10 ، حيث يتم وضع الذباب في غرفة مغلقة تحتوي على مادة ماصة CO2 والتي ترتبط عبر شعرية رقيقة بخزان السوائل. عندما يتم استهلاك O2 وامتصاص CO2 ، ينخفض الضغط في الغرفة ويتم سحب السائل إلى الشعيرات الدموية. ومن ثم، فإن حجم الشعيرات الدموية المملوء بالسائل يتناسب مع VO2. كما تم استخدام إصدارات أكثر تفصيلا ، والتي تعوض عن القوة التي يمارسها السائل في الشعيرات الدموية ، على D. melanogaster1. يتميز قياس الضغط بكونه بسيطا وغير مكلف ، ولكن لأنه حساس للضغط ، يتطلب ظروفا بيئية ثابتة. علاوة على ذلك ، نظرا لعدم استبدال O2 المستهلك ، فإن الضغط الجزئي ل O2 (PO2) ينخفض تدريجيا داخل الغرف.
كما يستخدم قياس التنفس باستخدام تحليل الغاز بانتظام ل D. melanogaster. في هذه الحالة ، يتم أخذ عينات من الغازات على فترات منتظمة من غرف محكمة الغلق تحتوي على الذباب وإرسالها إلى محلل الأشعة تحت الحمراء2،6،11. يتميز هذا النوع من الأجهزة بمزايا أنه متاح تجاريا ، وهو أقل حساسية للظروف البيئية ، ويتم تحديث الغازات أثناء أخذ العينات بحيث يظل PO2 مستقرا. ومع ذلك ، يمكن أن تكون المعدات باهظة الثمن ومعقدة للعمل.
يوفر مقياس التنفس المجهري12 الكولومتري الذي تم تطويره مؤخرا بديلا غير مكلف وحساس ومستقر للأنظمة الحالية. في الممارسة العملية ، يتم وضع الكائن الحي في غرفة محكمة الإغلاق حيث يستهلك O2 ويتم إزالة ثاني أكسيد الكربون الزفير2 بواسطة مادة ماصة ، مما يؤدي إلى انخفاض صاف في ضغط الغرفة. عندما ينخفض الضغط الداخلي إلى عتبة محددة مسبقا (ON-bit) ، يتم تمرير التيار عبر مولد O2 كهربائيا ، مما يعيد الضغط إلى عتبة ثانية (عتبة OFF) توقف التحليل الكهربائي. يتناسب نقل الشحنة عبر مولد O 2 طرديا مع كمية O 2 المطلوبة لإعادة ضغط الغرفة وبالتالي يمكن استخدامه لقياس O2 الذي يستهلكه الكائن الحي4. الطريقة حساسة للغاية ، وتقيس V O2 بدقة ، ويمكن للاستبدال المنتظم ل O2 الحفاظ على PO2 عند مستوى ثابت تقريبا لساعات أو أيام.
يستخدم مقياس التنفس المجهري الكولوم المستخدم في هذه الدراسة مستشعرا إلكترونيا متعدد الوسائط (الضغط ودرجة الحرارة والرطوبة). يتم تشغيل المستشعر بواسطة متحكم دقيق يكتشف التغيرات الصغيرة في الضغط وينشط جيل O2 عند الوصول إلى عتبة الضغط المنخفض12. يتم تجميع هذا الجهاز من خارج أجزاء الرف ، ويمكن استخدامه مع مجموعة متنوعة من الغرف والبيئات التجريبية ، وقد تم استخدامه بنجاح لفحص تأثيرات كتلة الجسم ودرجة الحرارة على خنفساء Tenebrio molitor. في الدراسة الحالية ، تم تكييف مقياس التنفس الدقيق لقياس استهلاك O2 في D. melanogaster ، الذي يحتوي على ما يقرب من 1 ٪ من كتلة T. molitor. تمت زيادة حساسية الجهاز عن طريق تقليل عتبة تنشيط جيلO 2 ، وتم تعزيز الاستقرار البيئي من خلال إجراء تجارب في حمام مائي يتم التحكم في درجة حرارته والحفاظ على الرطوبة داخل الغرف عند أو بالقرب من 100٪.
بروتين CASK (بروتين سيرين كيناز المعتمد على الكالمودولين) ، وهو جزء من عائلة كينازات غوانيلات المرتبطة بالغشاء (MAGUK) ، هو سقالة جزيئية في مجمعات متعددة البروتينات مختلفة ، وترتبط الطفرات في CASK باضطرابات النمو العصبي لدى البشر وفي D. melanogaster13,14. متحولة D. melanogaster قابلة للحياة ، CASKΔ18 ، تعطل نشاط الخلايا العصبية الدوبامينية 15 وتقلل من مستويات النشاط بأكثر من 50٪ مقارنة بالضوابط الخلقية14,16. بسبب انخفاض مستويات نشاط طفرات CASK ودور الكاتيكولامينات في تنظيم عملية التمثيل الغذائي17 افترضنا أن معدل الأيض القياسي ، وبالتالي استهلاك O2 ، سينخفض بشكل كبير مقارنة بالضوابط.
تم قياس استهلاك O2 في CASKΔ18 ومتجانساتها البرية ، w (ex33). تم وضع مجموعات من الذباب في غرف قياس التنفس ، وتم قياس استهلاك O 2 ، وتم حساب استهلاك O2 والتعبير عنه على أساس الكتلة الخاصة ولكل ذبابة. سجل الجهاز VO2 في الذباب البري الذي كان متسقا مع الدراسات السابقة ، ويمكن أن يفرق بين استهلاك O2 لكل ذبابة من النوع البري والذباب الطافر CASK.
1. تربية الذباب والجمع
2. إعداد وتجميع غرفة مقياس التنفس
3. إعداد وحدات التحكم والكمبيوتر
4. تشغيل التجارب
5. الانتهاء من التجربة
6. تحليل بيانات تحويل الرسوم
7. تحليل استهلاك O2
يتم عرض الضغط ومخرجات التيار لوحدة التحكم في مقياس التنفس لغرفة واحدة في تجربة واحدة في الشكل 3 أ. ضغطت النبضة الأولى الطويلة الحالية على الغرفة من الضغط المحيط (حوالي 992 هيكتوباسكال) إلى عتبة إيقاف التشغيل المحددة مسبقا البالغة 1017 هيكتوباسكال. عندما استهلك الذباب O 2 وتم ام?...
يوضح الإجراء أعلاه قياس استهلاك O2 في D. Melanogaster باستخدام مقياس التنفس المجهري الكولومتري الإلكتروني. كانت البيانات الناتجة عن استهلاك O2 في D. melanogaster من النوع البري ضمن النطاقات الموصوفة في معظم المنشورات السابقة باستخدام طرق متنوعة (الجدول 1) على الرغم من أنها ...
يعلن أصحاب البلاغ عدم وجود تضارب في المصالح.
نشكر الدكتورة ليندا ريستيفو في جامعة أريزونا على اقتراحها اختبار استهلاك O2 من طفرات CASK ولإرسال طفرات CASK وضوابطها الملائمة. تم توفير رسوم النشر من قبل صندوق إعادة الاستثمار الإداري من قسم الأحياء في جامعة كوليدج بارك. تم توفير المساحة وبعض المعدات من قبل الجامعات في Shady Grove.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
19/22 Thermometer Adapter | Wilmad-Labglass | ML-280-702 | Sensor Plug |
2 ml Screwcap Tubes | Fisher | 3464 | O2 generator |
2-Pin Connector | Zyamy | 40PIN-RFB10 | O2 generator: cut to 2-pin |
4-Pin Female Connector | TE Connectivity | 215299-4 | Sensor Plug |
5 ml Polypropylene Tube | Falcon | 352063 | Cut to 5.5 cm and perforated |
50 ml Schlenk Tube 19/22 Joint | Laboy | HMF050804 | Chamber |
6-Conductor Cable | Zenith | 6-Conductor 26 ga | Cable |
6-Pin Female Bulkhead Connector | Switchcraft | 17982-6SG-300 | Controller |
6-Pin Female Connector | Switchcraft | 18982-6SG-522 | Sensor plug |
6-Pin Male Connector | Switchcraft | 16982-6PG-522 | Cable |
800 ul centrifuge tube | Fisher | 05-408-120 | Soda Lime Cartridge |
ABS Plastic Enclosure | Bud Industries | PS-11533-G | Controller |
Arduino Nano Every | Arduino LLC | ABX00028 | Controller |
BME 280 Sensor | DIYMall | FZ1639-BME280 | Sensor Plug |
Circuit Board | Lheng | 5 X 7 cm | Controller |
Copper Sulfate | BioPharm | BC2045 | O2 Generator |
Computer | Azulle | Byte4 | Data Acquisition |
Cotton Rolls | Kajukajudo | #2 | Cut in half to plug fly tubes Cut in quarters for humidity |
Environmental Chamber | Percival | I30 VLC8 | Fly Care |
Epoxy | JB Weld | Plastic Bonder | Secure Electrodes in O2 Generator |
Fly Food | Lab Express | Type R | Fly Care |
Keck Clamps | uxcell | a20092300ux0418 | Secures glass joint of chamber to plug |
Low-Viscosity Epoxy | Loctite | E-30CL | Sensor Plug |
OLED Display | IZOKEE | IZKE31-IIC-WH-3 | Controller |
Platinum Wire 24 ga | uGems | 14349 | O2 generator |
Silicone grease | Dow-Corning | High Vacuum Grease | Seals chamber-plug connection |
Soda Lime | Jorvet | JO553 | CO2 absorption |
Toggle Switch | E-Switch | 100SP1T1B1M1QEH | Controller |
USB Cable | Sabrent | CB-UM63 | Controller |
USB Hub | Atolla | Hub 3.0 | Connect controllers to computer |
Water bath | Amersham | 56-1165-33 | Temperature Control |
Water Bath Tank | Glass Cages | 15-liter rimless acrylic | Bath for Respirometers |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved