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この記事について

  • 要約
  • 要約
  • 概要
  • プロトコル
  • 代表的な結果
  • ディスカッション
  • 開示事項
  • 謝辞
  • 資料
  • 参考文献
  • 転載および許可

要約

ここでは、ドッグフード寒天培地を用いて線虫を一括培養し、線虫の集団行動を研究するシステムについて報告する。このシステムにより、研究者は多数のダウアーワームを繁殖させることができ、 Caenorhabditis elegans やその他の近縁種に適用できます。

要約

動物は、鳥の群れ、魚の群れ、人間の群れで観察されるように、ダイナミックな集団行動を示します。動物の集団行動は、生物学と物理学の両分野で研究されてきました。研究室では、約100年前からショウジョウバエやゼブラフィッシュなど様々なモデル動物を用いてきましたが、これらの遺伝的に扱いやすいモデル動物が司令する大規模で複雑な集団行動を研究することは大きな課題でした。この論文は、 Caenorhabditisエレガンスの集団行動の実験システムを作成するためのプロトコルを提示します。繁殖した線虫はペトリプレートの蓋に登り、集団的な群れ行動を示します。また、このシステムは、湿度と光刺激を変化させることで、線虫の相互作用と行動を制御します。このシステムにより、環境条件を変化させることで集団行動のメカニズムを調べたり、個体レベルの移動が集団行動に及ぼす影響を変異体を用いて調べたりすることができます。したがって、このシステムは、物理学と生物学の両方の将来の研究に役立ちます。

概要

非科学者も科学者も、鳥の群れや魚の群れなど、動物の集団行動に魅了されています。集団行動は、物理学、生物学、数学、ロボット工学など幅広い分野で解析されています。特に、鳥の群れ、魚の群れ、運動性細菌のバイオフィルム、活性分子からなる細胞骨格、自走コロイド群などの自走系、すなわち散逸系に着目した研究分野として、アクティブマター物理学が発展しています。アクティブマター物理学の理論では、個体の振る舞いがいかに複雑であっても、膨大な数の生物の集団運動は少数の単純な規則によって支配されていると主張しています。例えば、自走式粒子の集団運動の統一的記述の候補であるヴィクセックモデルは、動物の群れのように、2次元で偏心揺らぎを伴う長距離の秩序相を形成するためには、移動する物体の短距離整列相互作用が必要であると予測している1。アクティブマターの物理学に関するトップダウンの実験的アプローチは急速に発展しています。以前の実験では、大腸菌2の長距離秩序相の形成が確認されました。他の最近の研究では、細胞3,4、細菌5、運動性コロイド6、または移動するタンパク質7,8が用....

プロトコル

1.ワームの準備

注:集団行動の観察および光遺伝学的実験のために、野生型N2ブリストル株12 およびZX899株(lite-1(ce314); ljIs123[mec-4p::ChR2, unc-122p::RFP])13 をそれぞれ調製する。ZX899ひずみを暗所で維持します。

  1. 14 mLの線虫増殖培地(NGM)を含む60 mmプレートに、4匹の十分に摂餌された成虫を寒天培地とともに堆積させ、 大腸菌 OP5012を播種します。
  2. F1線虫をNGMプレート内で23°Cで7日間飢餓状態まで増殖させます。この時点で、F1 ワームの収量は約 100 ウォーム/プレートです。線虫の段階は、ダウアー幼虫と飢餓状態のL1幼虫の混合集団で構成されています。

2.ドッグフード寒天(DFA)培地プレートの調製

  1. 粉末ドッグフード2gと1%寒天培地5mLを入れたガラス瓶をオートクレーブし、室温まで冷却します(図1A)。
    注:この実験では、さまざまなメーカーの他のド....

代表的な結果

ここでは、野生型のダウアーワームを集団行動の観察に用いた。線虫を23°Cで約10〜14日間培養し、DFA培地プレートの蓋の内面まで登った。実験当日は、蓋のみを大 腸菌 とDFA培地を含まない新しいNGMプレートに移しました。このペトリプレートの底部は、ペルチェシステムを用いて最初に23°Cに保たれ、その後、その温度を26°Cに上げました。 顕微鏡で動画を撮影しました。

ディスカッション

本研究では、線虫の大規模集団行動のためのシステムを実験室で準備するためのプロトコルを示します。DFA法は、もともと非モデル動物であるCaenorhabditis japonica14Neoaplectana carpocapsae Weiser15で確立されました。しかし、この方法は集団行動の調査には適用されませんでした。C.エレガンスは遺伝的に扱いやすいモデル動物

開示事項

著者は、宣言すべき利益相反を持っていません。

謝辞

この研究で使用した菌株を提供してくれた Caenorhabditis Genetics Centerに感謝します。本論文の発行は、日本学術振興会科学研究費助成事業基盤研究(B)(課題番号JP21H02532)、日本学術振興会科学研究費助成事業「ソフトロボットの科学」プロジェクト(課題番号JP18H05474)、科研費学術変革領域B(課題番号JP23H03845)、国立研究開発法人日本医療研究開発機構PRIME(課題番号JP22gm6110022h9904)、JST-MIRAIプログラム(課題番号JPMJMI22G3)、 JST-FORESTプログラム(助成金番号JPMJFR214R)。

....

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
Escherichia coli and C. elegans strains
E. coli OP50Caenorhabditis Genetics CenterOP50Food for C. elegans. Uracil auxotroph. E. coli B.
lite-1(ce314); ljIs123[mec-4p::ChR2, unc-122p::RFP]authorZX899lite-1(ce314) mutant carrying the genes expressing ChR2 and RFP under the control of the mec-4 and unc-122 promoter, respectively
N2 BristrolCaenorhabditis Genetics CenterWild-type C. elegans strain
For worm cultivation
Agar purified, powderNakarai tesque01162-15For preparation of NGM plates
All-trans retinalSigma-AldrichR2500For optogenetics
Bacto peptonBecton Dickinson211677For preparation of NGM plates
Calcium chlorideWako036-00485For preparation of NGM plates
CholesterolWako034-03002For preparation of NGM plates
di-Photassium hydrogenphosphateNakarai tesque28727-95For preparation of NGM plates
Dog foodNihon Pet FoodVITA-ONEFor preparation of dog food agar medium
LB broth, LennoxNakarai tesque20066-95For culture of E. coli OP50
Magnesium sulfate anhydrousTGIM1890For preparation of NGM plates
Petri dishes (60 mm)Nunc150270For preparation of NGM plates
Potassium DihydrogenphosphateNakarai tesque28720-65For preparation of NGM plates
Sodium ChlorideNakarai tesque31320-05For preparation of NGM plates
Observation
ComputerCT solutionCS6229Windows10 Pro with Intel Xeon Gold 6238R CPU and 768 GB of RAM
CMOS CameraHamamatsu photonics ORCA-Lightning C14120-20PFor data acquisition
CMOS CameraOlympusDP74For data acquisition
Microscope with SZX-MGFP setOlympusMVX10For data acquisition
x2 Objective lensOlympusMV PLAPO 2XCWorking distance 20 mm and numerical aperture 0.5
Shutter control
ShutterOptoSigmaBSH2-RIXFor controlling temporal pattern of  light illumination
Shutter controllerOptoSigmaSSH-C2B-AFor controlling temporal pattern of  light illumination
Temperature control
Peltier temperature controller unitVICSWLVPU-30For controlling humidity inside a Petri plate
UNI-THEMO CONTROLLERAmpereUTC-100For controlling humidity inside a Petri plate
Data acquisition software
HCImageHamamatsu photonicsFor data acquisition

参考文献

  1. 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).
  2. Nishiguchi, D., Nagai, K. H., Chaté, H., Sano, M.

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198 Caenorhabditis elegans

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