Un pez de amamantar Laboratorio Bioensayo para evaluar la actividad antidepredación de metabolitos secundarios de los tejidos de organismos marinos

Resumen

Este bioensayo emplea un pez depredador modelo para evaluar la presencia de metabolitos de alimentación-disuasión a partir de extractos orgánicos de los tejidos de organismos marinos naturales en concentraciones utilizando una matriz de comida comparable nutricionalmente.

Resumen

Marine chemical ecology is a young discipline, having emerged from the collaboration of natural products chemists and marine ecologists in the 1980s with the goal of examining the ecological functions of secondary metabolites from the tissues of marine organisms. The result has been a progression of protocols that have increasingly refined the ecological relevance of the experimental approach. Here we present the most up-to-date version of a fish-feeding laboratory bioassay that enables investigators to assess the antipredatory activity of secondary metabolites from the tissues of marine organisms. Organic metabolites of all polarities are exhaustively extracted from the tissue of the target organism and reconstituted at natural concentrations in a nutritionally appropriate food matrix. Experimental food pellets are presented to a generalist predator in laboratory feeding assays to assess the antipredatory activity of the extract. The procedure described herein uses the bluehead, Thalassoma bifasciatum, to test the palatability of Caribbean marine invertebrates; however, the design may be readily adapted to other systems. Results obtained using this laboratory assay are an important prelude to field experiments that rely on the feeding responses of a full complement of potential predators. Additionally, this bioassay can be used to direct the isolation of feeding-deterrent metabolites through bioassay-guided fractionation. This feeding bioassay has advanced our understanding of the factors that control the distribution and abundance of marine invertebrates on Caribbean coral reefs and may inform investigations in diverse fields of inquiry, including pharmacology, biotechnology, and evolutionary ecology.

Introducción

Ecología Química desarrolla a través de la colaboración de los químicos y los ecologistas. Mientras que la especialidad de la ecología química terrestre ha estado alrededor por algún tiempo, el de la ecología química marina es sólo unas pocas décadas, pero ha aportado importantes conocimientos sobre la estructura de la ecología y la comunidad evolutiva de los organismos marinos ^1-8. Aprovechando las tecnologías emergentes de buceo y la espectroscopia de RMN, los químicos orgánicos generados rápidamente un gran número de publicaciones que describen nuevos metabolitos de invertebrados y algas marinas bentónicas en los años 1970 y 1980 ^9. Suponiendo que los metabolitos secundarios deben servir algún propósito, muchas de estas publicaciones atribuidas ecológicamente propiedades importantes a nuevos compuestos sin evidencia empírica. Casi al mismo tiempo, los ecologistas también se están aprovechando de la llegada de buceo y la descripción de la distribución y abundancia de animales bentónicos y plantas conocidas previamente froestoy métodos de muestreo relativamente ineficaces como el dragado. La asunción de estos investigadores era que nada sésiles y de cuerpo blando deben ser defendidos químicamente para evitar el consumo por los depredadores ^10. En un esfuerzo por introducir el empirismo a lo que era el trabajo de otra manera descriptiva sobre la abundancia de especies, algunos ecologistas comenzaron extrapolando defensas químicas a partir de ensayos de toxicidad ^11. La mayoría de los ensayos de toxicidad implicaron la exposición del pescado entero u otros organismos a las suspensiones acuosas de extractos orgánicos crudos de tejidos de invertebrados, con la posterior determinación de las concentraciones en masa seca de los extractos responsables de matar a la mitad de los organismos de ensayo. Sin embargo, los ensayos de toxicidad no emulan la manera en que los depredadores potenciales perciben presa en condiciones naturales, y estudios posteriores no han encontrado relación entre la toxicidad y la palatabilidad ^12-13. Es sorprendente que las publicaciones en revistas de prestigio utilizan técnicas que tienen poca o ninguna ecological relevancia ^14-15 y que estos estudios son aún ampliamente citados hoy. Es aún más alarmante observar que los estudios basados ​​en datos de toxicidad se siguen publicando ^16-18. El método de bioensayo descrito en este documento se elaboró ​​a finales de 1980 para proporcionar un enfoque ecológicamente relevante para los ecologistas químicos marinos para evaluar las defensas químicas antidepredación. El método requiere un modelo depredador para muestrear un extracto orgánico crudo desde el organismo diana a una concentración natural en una matriz alimentaria nutricionalmente comparable, proporcionando datos palatabilidad que son ecológicamente más significativa que los datos de toxicidad.

El enfoque general a la evaluación de la actividad antidepredación de los tejidos de organismos marinos incluye cuatro criterios importantes: (1) un depredador generalista apropiado debe ser utilizado en ensayos de alimentación, (2) los metabolitos orgánicos de todas las polaridades deben ser exhaustiva extraído del tejido de la orientar organismo, (3) los metabolitos deben be mezclado en un alimento experimental nutricionalmente adecuada a la misma concentración volumétrica tal como se encuentra en el organismo a partir del cual fueron extraídos, y (4) el diseño experimental y enfoque estadístico deben proporcionar una métrica significativa para indicar mal sabor relativa.

El procedimiento descrito a continuación está diseñado específicamente para evaluar las defensas químicas antidepredación en los invertebrados marinos del Caribe. Empleamos el pez cabeza azul, Thalassoma bifasciatum, como un pez depredador modelo porque esta especie es común en los arrecifes de coral del Caribe y se sabe que degustar una amplia variedad de invertebrados bentónicos ^19. Tejido del organismo diana se extrae primero, a continuación, se combina con una mezcla de alimentos, y, finalmente, se ofreció a los grupos de T. bifasciatum para observar si rechazan los alimentos tratados con extracto. Los datos de ensayo que utilizan este método han aportado importantes conocimientos sobre la química defensiva de los organismos marinos ^12,20-21, lhistoria ife compensaciones ^22-24 y ecología de comunidades ^25-26.

Protocolo

NOTA: El paso 3 de este protocolo implica sujetos animales vertebrados. El procedimiento ha sido diseñado para que los animales reciben el tratamiento más humana posible y ha sido aprobado por el Cuidado y Uso de Animales Comité Institucional (IACUC) de la Universidad de Carolina del Norte en Wilmington.

1) La extracción de tejidos

1. Utilice tejido que se encuentra en su estado natural de hidratación y no exprimido, reseca o demasiado húmedo ya que esto alterará la concentración volumétrica de metabolitos secundarios. Cortar o cortar tejido para piezas o rodajas que se pueden insertar en un tubo de centrífuga de 50 ml. Nota: El tejido fresco se pueden utilizar en algunos casos, pero a menudo es mejor cortar o picar el tejido congelado, que no está sujeto a la compresión cuando se corta.
2. Añadir piezas de tejido a 30 ml de una mezcla 1: 1 de diclorometano (DCM) y metanol (MeOH) en un tubo de centrífuga graduado hasta un volumen final de 40 ml se alcanza. Asegúrese de llevar a cabo todas las medidas que impliquen la transferencia dedisolvente en una campana de humos con ventilación adecuada.
3. Tapar el tubo e invierta varias veces, luego agitar repetidamente durante un período de extracción de 4 horas. Nota: Durante este período, el agua se combina con el MeOH y el MeOH resultante: fase de agua se separa de la fase de DCM. El tejido se alternativamente expuesto a DCM y MeOH: agua como una emulsión como los tubos se agitan.
4. Transferir el extracto de DCM a un matraz de fondo redondo y se evapora a sequedad en un evaporador rotatorio usando calor bajo (<40 ° C). Utilizando disolvente mínima, transferir el extracto seco a un vial de centelleo de 20 ml. Colocar el vial con un adaptador evaporador rotatorio y otra vez evaporar a sequedad en un evaporador rotatorio usando calor bajo (<40 ° C).
   Nota: El siguiente paso requiere el uso de un instrumento de compresión hecha en casa que puede ser montado atornillando los siguientes elementos en orden secuencial en el extremo de una varilla roscada: (1) tuerca, (2) la arandela, y (3) la tuerca ciega. La arandela o bien debe ser perforada oequipado de modo que sea menor que el diámetro interno de un tubo de centrífuga de 50 ml.
5. Volviendo al tubo de centrífuga graduado que contiene el tejido y MeOH: extracto de agua, apriete el medio de extracción de tejido a través de la compresión. Transferir el MeOH: extracto de agua, al mismo matraz de fondo redondo y almacenar refrigerada (<10 ° C).
6. Añadir MeOH al tubo de centrífuga graduado hasta que el tejido se sumerge ahora deshidratados para una segunda extracción de 2 a 6 hr duración, a continuación, transferir la nueva MeOH extraer al matraz de fondo redondo refrigerado que contiene el MeOH: extracto de agua. Si hay alguna preocupación de que el tejido no ha sido completamente extraída, repetir la extracción MeOH 2 a 6 hr.
7. Seque el MeOH en un evaporador rotatorio usando calor bajo (<40 ° C). Transferir el extracto acuoso restante del matraz de fondo redondo al vial de centelleo que contiene el extracto no polar seco, usando un volumen mínimo de MeOH para enjuagar el matraz de fondo redondo.
8. Evaporate el extracto acuoso a sequedad usando calor bajo (<40 ° C) en un concentrador de vacío. El vial de centelleo ahora contiene el extracto orgánico seco total bruta de 10 ml de tejido. Evacuar el espacio superior del vial con gas _N2 para evitar la oxidación, sellar herméticamente y almacenar congelado (-20 ° C).

2) Preparación de Alimentos

1. Preparar calamar polvo manto liofilizado.
   Nota: manto de jibia proporciona una fuente de nutrición que es comparable a la de otros invertebrados bénticos, y será usada como un ingrediente en las subetapas de 2,2.
   1. Anillos Descongele del manto de jibia en desionizada caliente (DI), entonces ellos hacen puré en una licuadora de alta velocidad.
   2. Vierta una fina capa de manto de jibia en puré en una bandeja de horno poco profunda y la congelación (-20 ° C), luego romper la hoja de puré de calamar congelado en trozos pequeños a liofilizar.
   3. Liofilizar el puré de manto de jibia congelada siguiendo los procedimientos operativos de la freeze de pelo.
   4. Pulverizar las piezas liofilizadas de puré de manto de jibia en un mezclador de alta velocidad para formar un polvo.
   5. En una campana de extracción, vierta el manto de jibia en polvo en un tamiz de harina rotativo y tamizar para separar grandes trozos de tejido del polvo fino.
   6. Transferir el fino manto de jibia en polvo a un recipiente hermético. Evacuar el espacio superior del recipiente con gas _N2 para evitar la oxidación y almacenar congelado (-20 ° C).
2. Preparar la mezcla de alimentos.
   Nota: cuando se ejecutan múltiples ensayos consecutivos, es práctico para preparar ~ 100 ml de mezcla de comida, sin embargo esta receta puede hacerse a escala en volúmenes más pequeños si es necesario.
   1. Combinar una mezcla de 3 g de ácido algínico y 5 g de polvo liofilizado manto de jibia con 100 ml de agua DI en un vaso de precipitados de 150 ml. Se agita vigorosamente con una microespátula durante unos minutos hasta que el polvo está completamente hidratado y la mezcla es homogénea.
      Nota: Si lo desea, colorante de alimentos se puede añadir en este ptep: es más fácil añadir colorante a la mezcla de la comida que va a generar ambas mezclas tratados y de control (enmascarar el pigmento natural del extracto en la mezcla de extracto de tratados) en lugar de tratar de hacer coincidir el color de la mezcla de extracto de tratados mediante la adición teñir a la mezcla de control. Un color verdoso o pardusco alimentos es a menudo deseable para enmascarar cualquier pigmentos en el extracto crudo.
   2. Cargar exactamente 10 ml de mezcla de alimentos en una jeringa graduada. Tenga cuidado para evitar la inclusión de burbujas de aire durante este proceso.
   3. Retire el vial de centelleo de 20 ml con extracto orgánico crudo seco del congelador. Añadir una o dos gotas de MeOH, luego añada el extracto en una mezcla homogénea con un microespátula.
   4. Expulsar el cargado de la jeringa 10 ml de la matriz de los alimentos en el vial de centelleo de 20 ml y se agita con una microespátula para homogeneizar la mezcla de alimentos tratados con el extracto.
      Nota: Puede ser útil para expulsar la jeringa en incrementos más pequeños (es decir, expulsar 2 ml y homogeneizar, entonces r.EPEAT hasta que todos los 10 ml se han homogeneizado).
3. Preparar las pastillas de ensayo.
   1. Cargar un volumen muy pequeño de la mezcla de extracto (~ 1 ml) en una jeringa, y sumergir la punta de la jeringa en una solución de 0,25 M de _CaCl2. Expulsar el contenido de la jeringa para formar una hebra de espagueti largo.
   2. Después de unos minutos, retire el hilo endurecido, cortar en 4 mm gránulos largos en una tabla para cortar vidrio con una hoja de afeitar, luego enjuague con agua de mar.
   3. Repita los pasos 2.3.1 y 2.3.2 sin incluir extracto de tejido para hacer bolitas de control. Asegúrese de tratar bolitas de control con un volumen equivalente de disolvente (ver adición de MeOH a la mezcla tratada en la etapa 2.2.3) para el control de la adición de disolvente. Si se desea un control negativo para confirmar que los peces ensayo puede ser disuadido de alimentación, añadir benzoato de denatonio a una concentración de 2 mg ml ^-1 a la mezcla de alimentos crudos ^27.

3) La palatabilidadLos bioensayos

1. Realizar ensayos de alimentación con el pez cabeza azul silvestre amarilla fase, Thalassoma bifasciatum, mantenidos en grupos de tres en compartimentos opacos lados de acuarios de laboratorio.
2. Entregar bolitas de comida de un vaso de agua de mar con una pipeta de vidrio con una pera de goma. Nota: Puede tomar algunos días para entrenar a los peces a recibir alimentos de esta manera. Un estímulo acondicionado (por ejemplo, un par de toques de la pipeta sobre el cristal del acuario) que precede a la entrega de los alimentos puede ser útil para entrenar a los peces a esperar la adición de bolitas de comida.
3. La puntuación pellets. Considere un pellet aceptada si se consume fácilmente por los peces. Considere un pellet rechazada si no se consumen después de un mínimo de tres intentos de uno o más peces para tomar en su cavidad bucal, o si el sedimento se acercó e hizo caso omiso después de uno de esos intentos.
4. Muestras de puntuación. Nota: El procedimiento de ensayo es representado como un diagrama de flujo en la Figura 1 Grupos de peces que se niegan a comer.Bolitas de control en cualquier paso en el protocolo no se consideran aún más. Hay dos posibles resultados de una única prueba de la prueba: la muestra se acepta o se rechaza.
   1. Comienza con una bolita de control para confirmar que el grupo de peces es cooperativa. Ofrecer un pellet tratada. Si los peces aceptan la pastilla tratada, la puntuación de la muestra aceptada. Si los peces rechazan el sedimento tratado, ofrecer una pastilla de control posterior para determinar si los peces han dejado de alimentación. Si los peces aceptan la pastilla de control posterior, la puntuación de la muestra ha sido rechazada.
5. Replicación. Repita el procedimiento de ensayo con diez grupos independientes de pescado para cada extracto.

4) Importancia Evaluación

1. Evaluar la importancia de las diferencias en el consumo de control frente gránulos tratados con una versión modificada de la prueba exacta de Fisher ^26. Modificar la prueba por lo que los totales marginales para el control y pellets tratados son fijos, Tratándolos ambas muestras aleatorias. Nota: Esto proporciona p = 0,057 cuando se comen 7 pelotillas; por lo tanto, cualquier extracto se considera elemento de disuasión si se consumen 6 o menos bolitas, y agradable al paladar si se comen 7 o más pastillas.
2. Para comparar la palatabilidad relativa entre grupos de extractos, calcular una media del número de gránulos comidos dentro de cada grupo. Mantenga el umbral en 6 gránulos así que un grupo de extractos replicados se entienden disuasorio si el número medio de gránulos comido + error estándar (SE) ≤6. NOTA: En los resultados representativos, la asignación de grupo es la especie, por lo que replican extractos provienen de individuos distintos y la palatabilidad relativa se pueden comparar entre las especies.

Resultados

Aquí mostramos los resultados de este bioensayo para seis especies de esponjas del Caribe comunes (Figura 2). Estos datos fueron publicados inicialmente en 1995 por Pawlik et al. ¹² y demuestran el poder de este enfoque para estudiar las diferencias en las estrategias de defensa química entre concurrentes taxones. Los resultados se presentaron como una media del número de bolitas de comida comido + error estándar (SE) para cada especie. Casi no hay sedimentos se comen en ensayos ...

Discusión

El procedimiento descrito en este documento proporciona un protocolo relativamente simple, de laboratorio ecológicamente relevante para la evaluación de las defensas químicas antidepredación en los organismos marinos. En este artículo revisamos los criterios importantes que son satisfechas por este conjunto de métodos:

(1) predador apropiado. Este ensayo de alimentación emplea el pez cabeza azul, Thalassoma bifasciatum, uno de los peces más abundantes en los arrecif...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dichloromethane	Fisher Scientific	D37-20
Methanol	Fisher Scientific	A41220
Anhydrous Calcium Chloride	Fisher Scientific	C614-500
Cryocool Heat Transfer Fluid	Fisher Scientific	20-548-146	For vacuum concentrator
Alginic Acid Sodium Salt High Viscosity	MP Biomedicals	154723
Squid mantle rings	N/A	N/A	Can be purchased at grocery store
Denatonium benzoate	Aldrich	D5765
50 ml graduated centrifuge tube	Fisher Scientific	14-432-22
20 ml scintillation vial	Fisher Scientific	03-337-7
Disposable Pasteur pipets	Fisher Scientific	13-678-20D
Rubber bulbs for Pasteur pipets	Fisher Scientific	03-448-24
Red bulbs for pellet delivery	Fisher Scientific	03-448-27
250 ml round-bottom flask	Fisher Scientific	10-067E
Scintillation vial adapter for rotavap	Fisher Scientific	K747130-1324
Weightboats	Fisher Scientific	02-202B
Microspatula	Fisher Scientific	21-401-10
5 ml graduated syringe	Fisher Scientific	14-817-53
10 ml graduated syringe	Fisher Scientific	14-817-54
Razor blade	Fisher Scientific	S17302