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Method Article
* Ces auteurs ont contribué à parts égales
L’enseignement des sciences biologiques peut être rendu plus stimulant pour les élèves par l’utilisation de l’expérimentation. Ce manuscrit présente deux protocoles différents mais complémentaires qui peuvent être utilisés en classe pour encourager les élèves à formuler et à tester des hypothèses liées aux régimes riches en calories, à la famine et au vieillissement.
Caenorhabditis elegans (C. elegans) est un nématode transparent, non parasite, de biologie simple, ce qui en fait un excellent outil pour l’enseignement des sciences biologiques grâce à la coloration des cellules ou à leur contenu moléculaire. Le colorant Lugol (solution d’iode d’iodure de potassium) a été largement utilisé en biochimie pour colorer les réserves de glycogène. Dans ce contexte, il est possible d’observer des différences entre les animaux nourris et affamés, en plus des effets de différentes conditions, telles que des régimes alimentaires et des niveaux d’oxygène différents. L’érioglaucine est un colorant bleu qui indique la perte de la barrière intestinale. Lorsque la barrière intestinale est intacte, le colorant bleu tache à l’intérieur de la lumière ; Cependant, lorsque cette intégrité est perturbée, le colorant s’infiltre dans la cavité corporelle. À l’aide d’un stéréomicroscope ou d’un microscope, les enseignants peuvent démontrer des altérations physiologiques et biochimiques, ou ils peuvent inciter les élèves à poser une question scientifique et à émettre des hypothèses et à tester leur hypothèse à l’aide de ces tests. Le présent protocole décrit deux techniques de coloration chez C. elegans qui peuvent être facilement réalisées par les étudiants.
L’enseignement des sciences biologiques au secondaire est un défi permanent. Notamment, l’accès et l’utilisation de la technologie ont apporté d’importantes avancées dans le processus d’enseignement-apprentissage, cependant, des outils tels que les chatbots d’intelligence artificielle rendent la rationalisation et la recherche de preuves plus difficiles en raison des réponses faciles (et parfois incorrectes) obtenues1. Pour cette raison, l’utilisation d’une méthode scientifique avec une expérimentation pratique dans une approche basée sur l’enquête en classe est une stratégie importante pour développer ou stimuler la pensée critique, la créativité et les compétences techniques chez les élèves2.
Dans ce contexte, le nématode libre Caenorhabditis elegans a été utilisé avec succès à des fins d’expérimentation à des fins pédagogiques3 en raison de ses avantages particuliers : ce n’est pas un parasite et l’Escherichia coli utilisé pour l’alimentation est de niveau de biosécurité-1, réduisant ainsi presque à zéro le risque biologique ; Il a un mouvement de locomotion élégant et quantifiable, qui est intéressant à observer pour les étudiants ; Et il est transparent, ce qui permet l’observation des organes, mais aussi la coloration avec des pigments qui peuvent indiquer la présence de biomolécules ou l’apparition d’altérations physiologiques4. Par conséquent, il est possible d’émettre des hypothèses et de tester en classe des postulations simples liées à la biochimie et aux changements physiologiques tels que le vieillissement.
Le glycogène est un glucide de stockage, formé d’une longue chaîne ramifiée de molécules de glucose formées par des résidus glucosyles avec des liaisons linéaires glycosidiques (1→4)-α et des liaisons glycosidiques (1→6)-α aux points de ramification et est particulièrement important pour la contraction musculaire, la différenciation cellulaire et le maintien de la glycémie5. Le glycogène est synthétisé après l’alimentation en raison de l’activation par l’insuline de l’enzyme glycogène-synthase. Pendant l’exercice ou le jeûne, l’épinéphrine ou le glucagon, respectivement, activent la glycogène phosphorylase et, par conséquent, décomposent le polysaccharide pour fournir du glucose-6-phosphate aux cellules musculaires ou libérer du glucose libre pour contourner l’hypoglycémie 6,7. Les modifications des niveaux de glycogène ont un impact sur la différenciation cellulaire, la signalisation, la régulation redox et la souche dans diverses conditions physiologiques et physiopathologiques, y compris le cancer8. Chez C. elegans, le glycogène se trouve principalement dans les muscles de l’œsophage, l’hypoderme, l’intestin, les neurones et principalement dans les muscles de la paroi corporelle9. La teneur en glycogène peut être mesurée en utilisant la solution d’iode de Lugol, car l’iode se lie aux bobines hélicoïdales formant un complexe iode-glycogène, donnant une couleur bleu-noir ou brun-noir visible, qui a été utilisée avec succès pour démontrer la teneur en glycogène chez C. elegans10. Il a été démontré que l’accumulation de glycogène causée par une alimentation élevée en glucose peut réduire la durée de vie du ver, accélérant ainsi le processus de vieillissement11,12. De plus, les perturbations métaboliques, d’autres hormones et l’exposition aux xénobiotiques peuvent également modifier le métabolisme du glycogène13,14. Par conséquent, l’expérimentation sur la teneur en glycogène de C. elegans est très intéressante, car divers facteurs peuvent perturber son métabolisme et peuvent stimuler une discussion en classe sur la biochimie de base associée à des thèmes transversaux tels que l’exercice, les régimes alimentaires, les maladies et le vieillissement.
Le vieillissement est un déclin fonctionnel dépendant du temps causé par des dommages cellulaires. Ces dommages peuvent être associés au stress oxydatif, à l’attrition des télomères, à la perte de protéostasie, à l’inflammation et même à l’accumulation de corps polyglucosanes insolubles15, pour n’en nommer que quelques-uns. L’une des caractéristiques du vieillissement est la réduction de l’intégrité intestinale, associée à plusieurs affections chroniques qui surviennent au cours de la vie d’un organisme16. Le maintien de l’homéostasie intestinale dépend de l’intégrité de l’épithélium intestinal, qui est soutenu par des protéines jonctionnelles formant une barrière physique et reliant les cellules épithéliales adjacentes. Lorsque cet épithélium est endommagé, il y a une fuite de contenu luminal dans l’interstitium17. Sur la base de ce mécanisme, le test du schtroumpf a été utilisé pour vérifier l’intégrité intestinale dans plusieurs modèles animaux, car ce colorant bleu Erioglaucine sel disodique ne traverse pas la membrane intestinale, restant dans la lumière18. Lorsque les vers sont infectés par un agent pathogène, contaminés par des substances toxiques ou par l’âge, altérant l’intégrité interstitielle, le colorant traverse la barrière et se répand sur tout le ver, qui devient tout bleu. Ce test permet de discuter de la physiologie du vieillissement et d’expérimenter sur les facteurs qui peuvent accélérer ou retarder ce processus en exposant les vers à différentes conditions. Les protocoles ici décriront en détail ces deux méthodes à base de colorants qui peuvent être facilement mises en pratique en classe pour susciter et stimuler les étudiants à formuler et à tester des hypothèses liées à la biochimie et à la physiologie.
La première partie du protocole montre son applicabilité à l’analyse qualitative et quantitative de la teneur en glycogène dans le modèle10 de C. elegans. Le but de la deuxième partie du protocole est d’évaluer l’intégrité de l’intestin de C. elegans. Cette technique permet de suivre le vieillissement de C. elegans en évaluant l’intégrité des membranes intestinales. De plus, il permet d’évaluer si une substance accélère ou retarde le vieillissement et si des substances ont un potentiel toxique sur la barrière intestinale19.
La souche de C. elegans utilisée pour la présente étude était de type sauvage Bristol N2. Cependant, la procédure peut être reproduite en utilisant des souches qui présentent des taux de croissance comparables, ou la méthode doit être ajustée en fonction de la nécessité de remplacer l’équipement, étant donné qu’elles ont une fonction identique ou similaire, ou en fonction de la souche utilisée, car certaines souches ont des exigences spécifiques en matière d’entretien et/ou de sensibilité ; ces informations peuvent être obtenues auprès du Centre de génétique Caenorhabditis (CGC) ou du site Web WormBase. Ces modifications ne devraient pas avoir d’impact sur la reproductibilité de la méthode.
REMARQUE : La bactérie Escherichia coli OP50 (E. coli OP50) et les souches sauvages de Bristol N2 peuvent être obtenues auprès du CGC, Université du Minnesota, États-Unis, ou grâce à un don d’un laboratoire de C. elegans . Pour la sécurité des chercheurs, il est impératif d’utiliser des équipements de protection individuelle. Bien que les concentrations de réactifs comme l’hypochlorite et l’hydroxyde de sodium soient faibles, il est essentiel de porter l’EPI recommandé, comme souligné dans le manuscrit, afin de minimiser les risques potentiels associés à ces produits chimiques.
1. Teneur en glycogène
Figure 1 : Schéma de dosage de la teneur globale en glycogène chez C. elegans. Un schéma de l’expérience réalisée ici pour réaliser le dosage de la teneur en glycogène. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
2. Évaluation de la perméabilité intestinale
Figure 2 : Schéma du test de perméabilité intestinale globale chez C. elegans. (A) Préparation de C. elegans. (B) Coloration au sel disodique d’érioglaucine. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Le dosage de la teneur en glycogène fournit une méthode robuste et rapide pour cribler diverses conditions d’essai, telles que des études comparatives de différentes souches susceptibles d’influencer la synthèse ou la dégradation du glycogène. Dans cette étude, les vers L4 ont été soumis à trois conditions de test distinctes : le jeûne, l’alimentation et les groupes enrichis en glucose. Le test a été effectué trois fois, chaque condition étant reproduite deux fois d...
En résumé, ce protocole fournit une évaluation qualitative de la teneur en glycogène chez les vers C. elegans individuels à l’aide de la coloration Lugol : un test simple, robuste et rapide. La coloration Lugol est une approche sans marquage et non invasive qui facilite l’acquisition de données moléculaires à des résolutions subcellulaires, permettant de surveiller les fluctuations de la teneur en glycogène au sein d’un seul ver10. De plus...
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
D.S.A prend acte du financement de Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento (CNPq/Brésil), numéro de subvention #301808/2018-0, #313117/2019-5, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul (FAPERGS/Brésil), numéro de subvention, 21/2551-0001963-8, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES, Code des finances 001 pour N.S.J et A.C.S)
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.5 mL microtubes | Local suppliers | - | |
37-degree incubator | KS 4000i | 97014-816 | |
50 mL conical tube | Local suppliers | - | |
6 cm Petri plates | Local suppliers | - | |
Agar bacteriological | Dinâmica Química Contemporânea Ltda. | 9002-18-0 | |
C. elegans Bristol N2 (wild type) | Caenorhabditis elegans Genetic Center (CGC, Minnesota, USA) | - | |
CaCL2 | Dinâmica Química Contemporânea Ltda. | 10035-04-8 | |
Cholesterol | Sigma-Aldrich Brasil Ltda | 57-88-5 | |
D-(+)-Glucose anhydrous | Neon | 50-99-7 | |
Distilled H2O | Local suppliers | - | |
Erioglaucine disodium salt | Sigma-Aldrich Brasil Ltda | 3844-45-9 | |
Escherichia coli OP50 | Caenorhabditis elegans Genetic Center (CGC, Minnesota, USA) | - | |
Flow hood | Mylabor | ||
Incubator | Panasonic Healthcare company of North America, MIR-254-PA. | - | |
KH2PO4 | Dinâmica Química Contemporânea Ltda. | 7778-77-0 | |
Levamisole hydrochloride | RIPERCOL L 150F | - | |
Lugol solution | Sigma-Aldrich Brasil Ltda | L6146 | |
MgSO4 | Synth | S1063-01-AH | |
Microcentrifuge | Centrifuge 5425R Eppendorf SE, Germany | ||
Na2HPO4 | Dinâmica Química Contemporânea Ltda. | 7558-79-4 | |
NaCl | Dinâmica Química Contemporânea Ltda. | 7647-14-5 | |
Nystatin | Sigma-Aldrich Brasil Ltda | N6261 | |
Peptone bacteriological | êxodo científica | 91079-38-8 | |
Stereomicroscope | Leica S8 Apo Stereomicroscope (São Paulo, Brazil) | ||
Streptomycin Sulfate | Estreptomax | - |
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