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Method Article
Proporcionamos protocolos para que cualquier persona con una mente de "cultura maker" comience a construir un flylab para el análisis cuantitativo de una miríada de parámetros de comportamiento en Drosophila melanogaster, mediante la impresión en 3D de muchos de los equipos necesarios. También describimos un protocolo de respirometría de alta resolución que utiliza larvas para combinar datos de comportamiento y metabolismo mitocondrial.
La utilidad de Drosophila como organismo modelo para el estudio de las enfermedades humanas, los comportamientos y la biología básica es incuestionable. Aunque práctica, la investigación sobre Drosophila carece de popularidad en los países en desarrollo, posiblemente debido a la idea errónea de que establecer un laboratorio y realizar experimentos relevantes con insectos tan pequeños es difícil y requiere aparatos costosos y especializados. Aquí, describimos cómo construir un flylab asequible para analizar cuantitativamente una miríada de parámetros de comportamiento en D. melanogaster, mediante la impresión 3D de muchos de los equipos necesarios. Proporcionamos protocolos para construir estantes de viales internos, arenas de cortejo, aparatos para ensayos locomotores, etc., que se utilizarán para el mantenimiento general de moscas y para realizar experimentos de comportamiento con moscas adultas y larvas. También proporcionamos protocolos sobre cómo utilizar sistemas más sofisticados, como un oxígrafo de alta resolución, para medir el consumo de oxígeno mitocondrial en muestras de larvas, y mostramos su asociación con cambios de comportamiento en las larvas tras la expresión xenotópica de la oxidasa alternativa mitocondrial (AOX). AOX aumenta la actividad larvaria y la respiración por fuga mitocondrial, y acelera el desarrollo a bajas temperaturas, lo que es consistente con un papel termogénico de la enzima. Esperamos que estos protocolos inspiren a los investigadores, especialmente de los países en desarrollo, a utilizar Drosophila para combinar fácilmente datos de comportamiento y metabolismo mitocondrial, lo que puede conducir a información sobre genes y/o condiciones ambientales que también pueden regular la fisiología humana y los estados de enfermedad.
Drosophila melanogaster fue introducida a la comunidad científica como un organismo modelo potencialmente poderoso hace más de 100 años. Ese potencial ha sido firmemente validado en varias áreas de las ciencias biológicas y biomédicas, como la genética, la evolución, la biología del desarrollo, la neurobiología y la biología molecular y celular. Como resultado, se han otorgado seis Premios Nobel de Medicina o Fisiología a diez investigadores de Drosophila que han contribuido sustancialmente a nuestra comprensión de la herencia, la mutagénesis, la inmunidad innata, los ritmos circadianos, el olfato y el desarrollo1. Quizás lo más importante es que D. melanogaster no ha dejado de proporcionarnos nuevos modelos de biología y enfermedades humanas, ya que una búsqueda rápida en PubMed revela casi 600 publicaciones en los últimos 5 años, utilizando el término de búsqueda "modelo de Drosophila" (2, a partir de febrero de 2021). En los Estados Unidos, donde Drosophila es un organismo modelo ampliamente extendido en la comunidad biomédica, alrededor del 2,2% de todos los premios de investigación R01 otorgados por los NIH en 2015 se asignaron a investigadores de Drosophila 3. En Brasil, por otro lado, una búsqueda de proyectos actualmente financiados en el sitio web de la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica de São Paulo (FAPESP), la más importante agencia de financiación de la investigación en todas las áreas científicas del estado de São Paulo, mostró solo 24 becas y becas con Drosophila como tema principal de estudio4. Considerando la totalidad de los 13205 proyectos financiados actualmente por la FAPESP (5, hasta febrero de 2021), esos 24 proyectos de Drosophila representan una proporción de menos del 0,2% del total de proyectos, que es casi 12 veces inferior a la del NIH. Si eliminamos los proyectos financiados que tienen como objetivo estudiar Drosophila desde un punto de vista ecológico y/o evolutivo, y asumimos que los proyectos restantes utilizan este organismo como modelo para comprender los procesos biológicos humanos en la salud y la enfermedad, esa proporción disminuye a un impactante ~0,1%.
De hecho, se justifica una investigación adecuada para revelar las razones por las que la investigación de Drosophila en Brasil/São Paulo no parece ser tan significativa en el número de proyectos financiados. El cultivo de Drosophila no es costoso 6,7,8 y es relativamente sencillo, ya que, a diferencia de los vertebrados, no es necesario el permiso de un comité de bioética para la experimentación 9,10. Sin embargo, en Brasil se requiere una aprobación para trabajar con líneas de moscas genéticamente modificadas11, lo que agrega una capa de burocracia inherente a todo trabajo que involucra organismos genéticamente modificados. Sin embargo, es probable que esto no impida que los investigadores interesados inicien un flylab. Especulamos que la información errónea sobre el poder del modelo y sobre los altos costos esperados asociados con la creación de un flylab y la realización de experimentos significativos son factores importantes en esta decisión. Al igual que para la mayoría de los equipos e insumos científicos, los aparatos apropiados para realizar el mantenimiento general de las moscas y los análisis del comportamiento deben ser importados a Brasil desde América del Norte, Europa y/o otros lugares, lo que es un proceso costoso y extremadamente lento12,13.
Recientemente, ha surgido una alternativa a la importación de aparatos especializados, ya que las impresoras 3D se han vuelto más asequibles y accesibles para cualquier persona, incluidos los investigadores de Drosophila en los países en desarrollo. La tecnología de impresión 3D ha sido ampliamente utilizada en los últimos 10 años por los miembros de la "cultura maker", que se basa en la idea de la autosuficiencia en lugar de depender exclusivamente de productos fabricados por la empresa14. Esta idea siempre ha estado presente en los laboratorios de investigación académica de todo el mundo, por lo que no es de extrañar que las impresoras 3D se hayan convertido en un equipo de laboratorio estándar en muchos lugares15,16. Durante varios años, hemos estado imprimiendo en 3D estantes de viales para moscas, arenas de apareamiento, aparatos de escalada, entre otros dispositivos, por una fracción del costo de los equivalentes de marca. La reducción de los costes de impresión y montaje de equipos de laboratorio caseros está representada clásicamente por la FlyPi, que se puede construir por menos de 100,00 € y sirve como microscopio óptico y de fluorescencia capaz de utilizar una sofisticada estimulación optogenética y termogenética del pez cebra, Drosophila y nematodos genéticamente tratables15. Aquí, proporcionamos una serie de protocolos para que cualquier persona interesada en convertirse en un investigador de Drosophila (o en expandir su propio flylab existente) imprima en 3D gran parte del material necesario. Invirtiendo tiempo y desarrollando un poco de experiencia, el lector podrá incluso optimizar los protocolos presentados aquí para imprimir aparatos que se adapten mejor a sus propias necesidades de investigación.
Sin embargo, un flylab no es un lugar solo para equipos "baratos", especialmente cuando uno tiene la intención de asociar los análisis de comportamiento con los fenómenos metabólicos subyacentes. También nos hemos interesado en el papel de las mitocondrias en la modulación de los patrones de comportamiento de Drosophila, ya que estos orgánulos son responsables de la producción masiva de ATP en la mayoría de los tejidos a través de varias vías metabólicas cuyos productos convergen a la fosforilación oxidativa (OXPHOS). Analizar el consumo de oxígeno mitocondrial como una forma de comprender el metabolismo mitocondrial requiere un oxígrafo, que es un equipo más sofisticado que desafortunadamente aún no se puede imprimir en 3D. Debido a que OXPHOS impacta prácticamente todos los procesos celulares, ya que depende de una serie de reacciones redox exergónicas que ocurren en la célula17,18, las tasas de consumo de oxígeno basadas en el sustrato oxidable proporcionado a las mitocondrias pueden ayudar a revelar si el funcionamiento del orgánulo es causa o consecuencia de un comportamiento particular. Por lo tanto, también proporcionamos aquí un protocolo para medir el consumo de oxígeno mitocondrial en muestras de larvas, ya que nos damos cuenta de que la gran mayoría de los protocolos publicados se centran en el análisis de muestras adultas. Demostramos que los cambios en la respiración mitocondrial, inducidos por la expresión transgénica de la oxidasa alternativa a la Ciona intestinalis (AOX), conducen a un aumento de la movilidad larvaria bajo estrés por frío. Lo más probable es que esto se deba a la termogénesis, ya que AOX es una oxidasa terminal no productora de protones que puede eludir la actividad de los complejos OXPHOS III Y IV (CIII y CIV), sin contribuir al potencial de membrana mitocondrial (ΔΨm) y a la producción de ATP 19,20,21. Ningún insecto, incluyendo Drosophila, o vertebrado posee naturalmente AOX 21,22,23, pero su expresión en una miríada de sistemas modelo 24,25,26,27,28,29 ha tenido éxito en mostrar su potencial terapéutico para condiciones de estrés respiratorio mitocondrial general, especialmente cuando es causado por CIII y/o CIV sobrecarga. AOX confiere resistencia a niveles tóxicos de antimicina A24 y cianuro24,25, y mitiga diversos fenotipos relacionados con la disfunción mitocondrial 24,25,30,31,32. El hecho de que la expresión de AOX cambie el comportamiento larvario y la función mitocondrial justifica estudios más profundos de las funciones de esta enzima en el metabolismo y la fisiología de las células y tejidos de los metazoos33,34.
Esperamos que con este artículo podamos ayudar a crear conciencia dentro de la comunidad científica de países en desarrollo como Brasil de que utilizando el excelente conjunto de herramientas genéticas que presenta D. melanogaster , en combinación con aparatos caseros eficientes y asequibles para análisis de comportamiento, puede generar datos de investigación básica relativamente rápidos sobre procesos biológicos interesantes con un impacto traslacional significativo. Apoyar futuros estudios terapéuticos en investigación clínica. El desarrollo de tales ideales comunales beneficiaría enormemente a los droosófilos, a los investigadores médicos y a las ciencias biológicas y biomédicas. Y lo que es más importante, beneficiaría a la sociedad en general, ya que la financiación pública podría aplicarse de forma más traslacional para comprender y tratar las enfermedades humanas.
Los protocolos que proporcionamos aquí para la impresión 3D, los aparatos para un flylab fueron diseñados para su uso con la impresora 3D RepRap, basada en el modelo Prusa I3 DIY disponible en35. Utilizamos el filamento de ácido poliláctico blanco (PLA) de 1,75 mm (SUNLU) como materia prima para la impresión, la plataforma Tinkercad36 para el diseño de modelos y el software Repetier-Host37 para la conversión de STL a código G, un paso necesario para proporcionar coordenadas a la impresora. Se requiere una mayor optimización de los protocolos en caso de que el lector desee utilizar equipos, materiales y software alternativos.
Diseño de modelos 1. 3D
NOTA: El flujo de trabajo para la impresión 3D tiene tres pasos básicos: (1) modelado 3D; (2) importar el modelo en el software de corte; y (3) seleccionar el filamento correcto, configurar la impresora y, finalmente, imprimir. A continuación se muestra un protocolo básico para modelar un estante/bandeja de viales de mosca pequeña; Este bastidor se utiliza con viales de mosca estándar, que tienen aproximadamente 2,5 cm de diámetro y 9,8 cm de altura. Para los nuevos diseños de modelos, las herramientas proporcionadas por el software Tinkercad permiten el fácil manejo de estructuras tridimensionales, mediante la creación de piezas de diferentes formas, tamaños y grosores, según las propias necesidades. Para los drosófilos que se aventuran por primera vez en el ámbito de la impresión 3D, seguir los protocolos a continuación, incluso con todos sus detalles, puede ser un desafío, por lo que recomendamos encarecidamente familiarizarse con el software para obtener los mejores resultados.
2. 3D impresión
NOTA: En esta sección, proporcionamos instrucciones sobre cómo utilizar el archivo STL creado en el paso 1 y convertirlo en el archivo de código G que contiene las instrucciones de impresión en la impresora 3D. Este es el proceso de corte, para el cual utilizamos el software Repetier-Host.
3. Aparatos de análisis conductual
NOTA: Los pasos descritos en los Protocolos 1 y 2 se pueden repetir con los ajustes adecuados para imprimir varias de las piezas de equipo de laboratorio necesarias. Sin embargo, nos damos cuenta de que el diseño de nuevas piezas puede ser un desafío y llevar mucho tiempo para los usuarios principiantes de Tinkercad, por lo que en lugar de proporcionar protocolos paso a paso sobre cómo diseñar todos los modelos, estamos poniendo a disposición para su descarga varios modelos de diseño que creamos como archivos STL (ver Archivos Suplementarios 2-11).
4. Ensayo de movilidad larvaria
NOTA: Hemos optimizado este protocolo, originalmente basado en Nichols et al.42, para estudiar los efectos de la expresión de AOX en el desarrollo de Drosophila bajo estrés por frío. Las líneas 3xtubAOX25 y w1118, utilizadas como ejemplos de larvas expresoras y control de AOX, respectivamente, se cultivaron en dieta estándar24 a 12 °C, según Saari et al.34. Recomendamos este protocolo para analizar la movilidad de muestras de larvas de cualquier condición genética, cultivadas bajo cualquier condición ambiental de interés.
5. Respirometría mitocondrial mediante homogeneizados larvarios
NOTA: El siguiente protocolo fue optimizado para medir el consumo de oxígeno mitocondrial de los homogeneizados larvarios de la línea de expresión de AOX 3xtubAOX y el control w1118, cultivados a 12°C, pero también recomendamos su uso para muestras de larvas de cualquier condición genética y ambiental. Nos damos cuenta de que la realización de este tipo de experimentos no debe incluirse como un objetivo "asequible" para un flylab "casero", a diferencia de todos los demás protocolos que proporcionamos en este artículo, ya que se debe realizar una inversión inicial considerable para que un laboratorio adquiera un oxígrafo de alta resolución. El protocolo se utilizará con el Oxygraph-2k (O2k) y el software DatLab de Oroboros Instruments, por lo que se requiere una mayor optimización en caso de que el lector desee utilizar un equipo alternativo.
6. Procesamiento de datos de la respirometría mitocondrial
NOTA: Los valores de consumo de oxígeno se obtienen como un promedio de las señales de flujo de oxígeno en un período de tiempo determinado y se expresan como pmol O2 consumido por segundo por mg de proteína total en la muestra. Los valores se comparan en primer lugar con la concentración máxima de oxígeno disponible en el tampón de ensayo el día del experimento, en función de la temperatura experimental (denominada saturación de aire) y la concentración mínima de oxígeno, que se determina previamente en cada cámara mediante la adición de Na2S2O4 al tampón de ensayo (véase 43 para las pautas del fabricante para obtener una calibración de oxígeno cero). Los valores también se normalizan por la cantidad de proteína total en los homogeneizados larvarios añadidos al tampón de ensayo de cada cámara.
Siguiendo los pasos de los Protocolos 1 y 2, uno debería ser capaz de diseñar un simple rack de viales de mosca, y ejecutar el archivo STL del modelo a través del programa de corte para generar coordenadas para la impresora 3D. La figura 3A muestra una unidad impresa del modelo junto a su diseño. También esperamos que el paso 1 pueda proporcionar las habilidades básicas para utilizar las formas básicas disponibles en la plataforma Tinkercad para crear...
Los protocolos de impresión 3D y los archivos STL proporcionados aquí están destinados a facilitar la configuración de un nuevo flylab o a aumentar el repertorio de aparatos en una instalación de comportamiento de Drosophila existente, utilizando equipos "caseros". La estrategia de impresión 3D puede ser particularmente útil en países en desarrollo como Brasil, donde la investigación con Drosophila como organismo modelo para estudiar la biología humana parece ...
Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.
Nos gustaría agradecer a Emily A. McKinney por la edición en inglés del manuscrito. G.S.G. contó con el apoyo de una beca del Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq, subvención número 141001/2019-4). El M.T.O. desea agradecer el financiamiento de la Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP, subvenciones 2014/02253-6 y 2017/04372-0) y del CNPq (subvenciones 424562/2018-9 y 306974/2017-7). C.A.C.-L. desea agradecer el apoyo financiero interno de la Universidade do Oeste Paulista. El trabajo con líneas de Drosophila genéticamente modificadas fue autorizado por el Comité Local de Bioseguridad (CIBio) de la Facultad de Ciencias Agrícolas y Veterinarias de Jaboticabal, bajo los protocolos 001/2014 y 006/2014, y por el Comité Técnico Nacional de Bioseguridad (CTNBio), bajo los protocolos 36343/2017/SEI-MCTIC, 01200.706019/2016-45 y 5488/2017.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
3D Printer RapRep | A popular 3D-printer based on the Prusa I3 DIY mode, instructions available in https://www.instructables.com/Building-a-Prusa-I3-3D-Printer-Revisited/ | ||
3xtubAOX fly line | Howy Jacobs´s lab, Tampere University | Drosophila line expressing the AOX gene from C. intestinalis under the control of the constitutive α-tubulin promoter. 5 and 6 copies of this construct are present in males and females in homo/hemizigosity, respectively, one in each of the chromosomes X, 2 and 3. | |
Acrylic plate | 60 x 60 x 3 mm | ||
ADP | Sigma-Aldrich | A2754 | Adenosine 5′-diphosphate sodium sal (CAS number 20398-34-9); ≥95%; molecular weight = 427.20 g/mol; solubility in water at 50 mg/ml |
Antimycin-A | Sigma-Aldrich | A8674 | Antimycin A from Streptomyces sp. (CAS number 1397-94-0); molecular weight ~ 548.63 g/mol; solubility in 95% ethanol at 50 mg/mL |
Agar | Kasv | K25-611001 | For bacteriologal use; powder; solidifying agent (12-20 g/L) |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A7030 | Heat shock fraction, protease free, fatty acid free, essentially globulin free (CAS number 9048-46-8);pH 7; ≥98%; solubility in water 40g/ml |
Deionized water | |||
EGTA | Sigma-Aldrich | E4378 | Ethylene glycol-bis(2-aminoethylether)-N,N,N',N'-tetraacetic acid (CAS number 67-42-5); ≥97%; molecular weight = 380.35g/mol |
Ethanol 99.5% | |||
Ethylene-vinyl acetate foam | Can be replaced with thick pieces of cotton | ||
Graph paper | 0.2 cm2 grid | ||
Hepes | Sigma-Aldrich | H4034 | 4-(2-Hydroxyethyl)piperazine-1-ethanesulfonic acid (CAS number 7365-45-9), BioPerformance Certified; ≥99,5% (titration), cell cultured tested; molecular weight =238.30g/mol |
Homogenizer | Sartorius | Hand glass homogenizer (S), 1 mL; composed of a cylinder made of borosilicate glass plus plunger S; often used for simple sample preparation, e.g. crushing of tissue samples. | |
KCl | Amresco | 0395-2 | Potassium chloride (CAS number 7447-40-7); ≥99,0%; molecular weight = 74.55g/mol |
KH2PO4 | Sigma-Aldrich | P5379 | Potassium phophate monobasic (CAS number 7778-77-0); ReagentPlus; molecular weight = 136.09g/mol |
Linear bearings (LM8UU) | 8 mm, any brand | ||
Malate | Sigma-Aldrich | M1000 | L-(-)-Malic acid (CAS number 97-67-6); ≥95-100%; molecular weight = 134.09 g/mol), solubility in water: 100 mg/mL. A solution is pH adjusted to approximately 7.0. |
MgCl2 | Amresco | 0288-1KG | Magnesium chloride, hexahydrate (CAS number 7791-18-6); 99%-102%; molecular weight = 203.3g/mol |
Microcentrifuge tubes | 1.5mL; Graduated every 100µL, autoclavable | ||
Na2HPO4 | Amresco | 0348-1KG | Sodium phosphate, dibasic, heptahydrate (CAS number 7782-85-6); 98-102%; molecular weight = 268.07 g/mol |
NaCl | Honeywell | 31434-1KG | Sodium chloride (CAS number 7647-14-5); ≥99,5%; molecular weight 58,44g/mol. For laboratory use only. |
Oxigraph-O2k | Oroboros | 10000-02 | Series D-G; O2k-Core: includes O2k-Main Unit with stainless steel housing, O2k-Assembly Kit, two OroboPOS (polarographic oxygen sensors) and OroboPOS-Service Kit, DatLab software, the ISS-Integrated Suction System and the O2k-Titration Set. |
Permanent marker | Preferably black | ||
Petri dishes | 90 X 15 mm dishes; commonly used for bacteriological culture | ||
PLA 3D Printing Filament | Quantum3D Printing | http://quantum3dprinting.com/ | High quality polylatic acid filament (PLA), strongly recomended, (1.0 kg Roll), any brand |
Proline | Sigma-Aldrich | P0380 | L-Proline (CAS number 147-85-3); powder; 99%; molecular weight = 115.13 g/mol |
Propyl gallate | Sigma-Aldrich | P3130 | Propyl gallate (CAS number 121-79-9); powder; ≥98%; molecular weight = 212.2 0g/mol; solubility in ethanol at 50 mg/ml |
Pyruvate | Sigma-Aldrich | P2256 | Sodium pyruvate (CAS number 113-24-6), ≥99%; molecular weight = 110.04 g/mol; solubility in water at 100 mg/mL |
Rectified shafts | 8 x 300 mm, any brand | ||
Rotenone | Sigma-Aldrich | R8875 | Rotetone (CAS number 83-79-4); ≥95%, molecular weight 394.42 g/mol |
Rubber bands | Can be replaced with pieces of a string | ||
Screwdriver | To assemble some of the 3D-printed apparatuses | ||
Screews | M3 x 8 mm | ||
SD Card | At least 32Mb in size; usually provided with 3D printers | ||
Software Repetier Host | Hot-World GmbH & Co. KG | https://www.repetier.com/ | Excellent slicing software, available free of cost |
Software Tinkercad | Autodesk | https://www.tinkercad.com | 3D model design software, available free of cost |
Stereomicroscope | Leica | M-80 | Stereomicroscope, zoom 7.5-60X + Leica cls 150 led light source |
Sucrose | Merck | 107,651,000 | Sucrose for microbiology use (CAS number 57-50-1); |
Tris | Amersham Biosciences | 17-1321-01 | Tris (hydroxymethyl)-aminomethane (CAS number 77-86-1); 99,8-100.1%; molecular weight 121.14 g/mol |
Tweezer/forceps | Stark | ST08710 | Histological tweezer, straight, round tip, 12 cm, AISI-410 stainless steel |
w1118 fly line | Howy Jacobs´s lab, Tampere University | Drosophila line used as genetic background control for 3XtubAOX | |
Wood plate | 240 x 60 x 20 mm | ||
Zip tights | 2 x 210 mm, any brand |
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