의 재배<em&gt; 예쁜 꼬마 선충</em&gt; 실험실에서 세 가지 차원에서

요약

우리는 NGT-3D 및 NGB-3D라는 3D 선충 재배 시스템을 구축하는 간단한 방법을 제시한다. 이러한 표준 2D 실험실 C. elegans의 배양 플레이트보다 자연 예쁜 꼬마 선충 서식지에 더 유사 서식지에서 선충의 체력과 행동을 연구하는 데 사용할 수 있습니다.

초록

The use of genetic model organisms such as Caenorhabditis elegans has led to seminal discoveries in biology over the last five decades. Most of what we know about C. elegans is limited to laboratory cultivation of the nematodes that may not necessarily reflect the environments they normally inhabit in nature. Cultivation of C. elegans in a 3D habitat that is more similar to the 3D matrix that worms encounter in rotten fruits and vegetative compost in nature could reveal novel phenotypes and behaviors not observed in 2D. In addition, experiments in 3D can address how phenotypes we observe in 2D are relevant for the worm in nature. Here, a new method in which C. elegans grows and reproduces normally in three dimensions is presented. Cultivation of C. elegans in Nematode Growth Tube-3D (NGT-3D) can allow us to measure the reproductive fitness of C. elegans strains or different conditions in a 3D environment. We also present a novel method, termed Nematode Growth Bottle-3D (NGB-3D), to cultivate C. elegans in 3D for microscopic analysis. These methods allow scientists to study C. elegans biology in conditions that are more reflective of the environments they encounter in nature. These can help us to understand the overlying evolutionary relevance of the physiology and behavior of C. elegans we observe in the laboratory.

서문

The study of the nematode Caenorhabditis elegans in the laboratory has led to seminal discoveries in the field of biology over the last five decades¹. C. elegans was the first multicellular organism to have its genome sequenced in 1998², and it has been invaluable in understanding the contributions of individual genes to the development, physiology, and behavior of a whole organism. Scientists now are looking to further understand how these genes may contribute to the survival and reproductive fitness of organisms in their natural environments, asking questions about ecology and evolution at the genetic level^3-5.

C. elegans once again can provide an excellent system to answer these questions. However, little is known about C. elegans biology in natural nematode habitats, and there are no current methods to simulate controlled natural conditions of C. elegans in the laboratory. In the lab, C. elegans is cultivated on the surface of agar plates seeded with E. coli bacteria⁶. In nature, however, C. elegans and related nematodes can be found sparsely inhabiting soils throughout the globe, but they are specifically found thriving in rotting fruits and vegetative matter^7,8. These three-dimensional (3D) complex environments are quite different from the simple 2D environments to which worms are exposed to in the laboratory.

To begin to answer questions about the biology of nematodes in a more natural 3D setting, we have designed a 3D habitat for laboratory cultivation of nematodes we called Nematode Growth Tube 3D or NGT-3D for short⁹. The goal was to design a 3D growth system that allows for comparable growth, development, and fertility to the standard 2D Nematode Growth Media (NGM) plates¹⁰. This system supports the growth of bacteria and nematodes over their entire life cycles in 3D, allows worms to move and behave freely in three dimensions, and is easy and inexpensive to manufacture and employ.

In the current study, we provide a step-by-step method to manufacture NGT-3D and evaluate worm development and fertility. In addition to assessing worm fitness in 3D, we sought to image, video, and assess worm behavior and physiology in 3D cultivation. Thus, in addition to NGT-3D, we present here an alternate method called Nematode Growth Bottle 3D or NGB-3D, for the microscopic imaging of C. elegans during 3D cultivation. This will be especially important for the study of known behaviors identified in 2D, and the identification of novel behaviors unique to 3D cultivation.

프로토콜

1. NGT-3D 및 NGB-3D를위한 솔루션을 준비

1. 다음 멸균 솔루션을 준비 : 0.1454 M NaCl 용액 1 L, 1 M _CaCl2를, 1 M _황산 1 L 1 L, 원성 국물 (LB), KH _2의 1 M KPO ₄ 버퍼 (108.3 g 1 L PO ₄ 및 K ₂ 35.6 g HPO _4, H ₂ O 기입 L 1). 이러한 솔루션을 사용 NGM의 제조 이전 프로토콜 ^(10)에서 찾을 수있다.
2. 121 ° C, 15 분에서 오토 클레이브 솔루션을 제공합니다.
3. 멸균 5 ㎎ / ㎖ 콜레스테롤 용액 50 ㎖를 준비합니다. 한 50㎖ 원추형 튜브에 콜레스테롤의 0.25 g 및 99.99 % 에탄올 50ml를 혼합하고 잘 혼합한다. 오토 클레이브하지 마십시오. 0.45 μm의 주사기 필터로 50 mL를 주사기를 사용하여 콜레스테롤을 살균 용액. 이것은 또한 어떤 용해되지 않은 콜레스테롤을 제거합니다.
4. 2'- 데 옥시 -5- fluorouridine (FUdR) 주식의 150 mM의 10 ㎖를 준비합니다 (선택 사항). 15 ml의 원추형 튜브에, 0.3693 g을 혼합FUdR 증류수 10 ㎖의. 잘 흔들어.

2. NGT-3D 및 NGB-3D에 대한 박테리아 문화를 준비합니다

1. 박테리아 10 ml의 LB 배지에 접종. 공급 C. elegans의 사용되는 표준 박테리아는 대장균 OP50이다.
2. 문화 밤새 진탕 배양기에서 37 ° C에서 세균 접종.
3. 일련의 희석에 대비, 멸균 15 ML 원뿔 튜브에 NaCl 용액의 나누어지는 9 ml의. 예를 들어, 7 개의 튜브에 분취 9 ml의 OP50 균주 E. 콜라이의 ^10-7 희석을한다.
4. NaCl 용액의 9 ml의 멸균 새로운 튜브에 멸균 1,000 μL 피펫, 피펫 세균 배양 1 ml의 희석 세균 배양를 사용하여 잘 10 ml의 혼합물을 소용돌이. 원하는 박테리아 희석에 도달 할 때까지 반복합니다.
   주 : 원하는 박테리아 희석 종류 및 조건 세균뿐만 아니라 정확한 실험 조건에 의존한다.예를 들어, ^10-6 - 6.5 ml의 NGT-3D 튜브 당 200 세균성 식민지 - OP50 변형 대장균의 ^10-8 희석는 1 생산하기에 충분했다. 웜 확실 개발 콜로니 수 × ^10-6의 희석에서 발생하는 60 때 정상적으로 재생 - ^10-7. NGB-3D를 들어, ^10-8의 희석을 사용합니다.

3. 만들기 NGT-3D 및 NGB-3D (200 ㎖)

1. 박테리아 배양을 제조 한 후, 0.6 g의 NaCl 1 g의 과립 한천, 및 500 mL의 플라스크에서, 0.5 g 펩톤 섞는다. 플라스크에 자기 교반 막대를 삽입합니다.
2. 195 ml의에게 증류수를 추가하고 알루미늄 호일로 플라스크의 입 커버.
3. 15 분 동안 오토 클레이브에서 121 ° C.
4. 저어 접시에 뜨거운 멸균 플라스크를 놓고, 적어도 2 시간 동안 적당한 속도로 교반한다. 40 ° C까지 플라스크를 냉각. 완성 된 한천의 흐리게 될 수 있습니다 여기에 고온에서 지속적으로 충분히 냉각해야합니다.그러나, 낮은 온도는 한천의 조기 경화의 원인이 될 수 있습니다.
   1. (선택 사항), 냉각 프로세스의 속도를 저어 접시에 배치하기 전에 40 ° C의 물 목욕 15 분에 플라스크를 배치합니다.
5. 한천 매체의 온도가 40 ℃에 도달하면, 용액은 교반 계속되고, 200 ㎕의 1 M _CaCl2를 5 ㎎ / ㎖ 콜레스테롤 용액 200 ㎕를 200 ㎕의 1 M _황산 5 mL의 1 M KPO ₄ 버퍼를 추가 1 mM의 염화칼슘 _2, 5 μg의 / ㎖ 콜레스테롤, 1 mM의 _황산, 1 mM의 KPO _4의 최종 농도.
   1. NGT-3D 수명 분석을 위해 (선택 사항) 120 μM ^(12)의 최종 농도 150 mM의 FUdR의 80 μl를 추가합니다.
6. 직접 플라스크에 단계 2.4에서 박테리아 문화를 희석하여 10 ml의 6 ML을 추가합니다.
   1. , NGT-3D (선택 사항) 단계 3.6 전에 한천 미디어의 6 mL로 분리하여 따로 따뜻한 유지. 이 매체는 사용할 수없는 것이다 세균최상층.
7. 무균 절차를 이용하여, 무균 배양 챔버에 미디어 분배. 확인 챔버의 커버가 단단히 종료합니다.
   1. (선택 사항), 한천의 표면에 형성되는 세균성 식민지를 방지 3.7 완전히 경화 단계에서 용지 전에 상단에 단계 3.6.1에서 박테리아가없는 한천 미디어의 층을 확인하십시오. 이 NGT-3D의 상단에 박테리아가없는 영역을 생성합니다.
   2. NGT-3D를 들어, 박테리아 한천 층을 조심스럽게 얇은 세균 -을 만들기 위해 반경 화 3D 미디어의 상단에있는 박테리아가없는 미디어 200 μl를 분배하는 8 ml의 투명한 플라스틱 시험관에 6.5 ml의 미디어를 부어 상단에 자유 층.
   3. NGB-3D를 들어, 25cm ² 투명한 플라스틱 세포 배양 병에 미디어 65 ml에 붓는다. 이 금액은 25cm ² 세포 배양 병의 본문을 작성해야합니다.
8. 박테리아 콜로니가 성장하도록 일주일 수직 상온 챔버 남기기적어도 1mm 직경의 상당한 크기.
   1. NGT-3D의 수명 분석을 위해 (선택 사항), 알루미늄 호일 커버 챔버 FUdR의 빛 저하를 방지 할 수있다.

NGT-3D (상대 브루드 크기 분석)에 대한 웜 인구의 4 측정 휘트니스

1. 선택과 세균이없는 NGM 접시에 전송 백금 와이어를 사용하여 L4 무대 웜을 선택합니다. 웜은 자유롭게 몸에 부착 된 세균을 제거하는 몇 분 동안 이동할 수 있습니다.
2. 단계 4.1를 반복하고 웜이 박테리아에서 무료로 있는지 확인하십시오. 일반적으로, 4.1이 반복 충분하다.
3. 조심 백금선 픽업과 3D 매체의 표면에 깨끗한 웜 놓는다. 이 웜은 결국 3D 한천 행렬에 한천을 입력해야합니다.
4. 커버 느슨하게 일부 공기가 튜브로 얻을 수 있지만, 한천 매체 건조 방지습니다.
5. 20 ° C에서 96 시간 동안 품어.
6. 사일 후 단단히 뚜껑을 닫고 두는88 ° C의 물을 욕조에 NGT-3D 문화 챔버는 한천을 녹여합니다. 열은 벌레를 죽이는 그러나 그들의 몸은 그대로 유지됩니다.
   참고 : NGT-3D에 8 ㎖의 튜브 사용은 20 - 30 분 배양은 일반적으로 충분합니다.
7. 유리 피펫을 사용하여 9cm 플라스틱 페트리 접시에 용융 미디어 옮긴다. 벌레가 자주에 충실 수있는 플라스틱 피펫은 권장되지 않습니다.
8. 송신 스테레오 해부 현미경을 사용하여, L3, L4에 웜 및 성체 단계의 개수를 카운트. F1을하고 F2 세대가 여기에 혼동 될 수 있으므로, L2 단계 이하이다 벌레를 계산하지 마십시오. 따라서, 이러한 분석은 상대 브루 크기 분석보다는 전체 브루 크기 분석이다.

5. 이미지 및 기록 웜 동작 NGB-3D에

1. 백금 와이어를 사용하여 L4 무대 웜 선택 선택하고 박테리아가없는 NGM 판에 전송하고 자유롭게 몇 분 동안 이동할 수 있도록하여 표면에 붙어있는 박테리아를 제거합니다.
2. 단계를 반복 5.1 하시다 확인하십시오RM은 박테리아에서 무료입니다.
3. 조심스럽게 백금 와이어 픽와 병의 목 근처 NGB-3D의 한천 표면의 중심에 클린 웜을 배치합니다. 이 웜은 결국 3D 한천 행렬에 한천을 입력해야합니다.
4. 한천 미디어의 건조를 방지하면서 덮개가 느슨하게, 약간의 공기가 튜브에 들어갈 수 있도록 닫습니다.
5. 이미지 또는 전송 스테레오 해부 현미경 벌레를 기록합니다. 웜은 3D 매트릭스를 통해 이동으로 초점을 조절합니다.

결과

NGT도 3d의 구조는 한천 (도 1a)에 걸쳐 이격 된 작은 박테리아 콜로니 한천 채워진 시험관 결과 단순하고 간단한 프로토콜이다. 웜 자유롭게 세균성 식민지를 발견하고 소비, 한천 매트릭스를 통해 이동할 수 있습니다. C. elegans의 재현과 NGT-3D 정상적으로 성장할 수 있는지 여부를 확인하기 위해, 우리는 다산과 표준 2D NGM 플레이트와 3D의 애벌레 개발을 ?...

토론

고전 선충류 성장 미디어 판을 사용하여 선충의 실험 재배가 제공 한 C. elegans의에서 연구 중요한 발견의 수백에 매우 중요했다. 여기, 우리는 더 정확하게 자연 입체 서식지를 반영하는 환경에서 C. 엘레을 육성하기 위해 새로운 방법을 제시한다. 다른 방법 3D ¹³ C. 엘레을 관찰하기 위해 사용되었지만, 이는 고체 차원 매트릭스 웜의 재배를 허용하는 제 1 프로토?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
LB broth, Miller (Luria-Bertani)	Difco	224620
Sodium chloride	DAEJUNG	7548-4400	58.44 MW
Agar, Granulated	Difco	214530
Peptone	Bacto	211677
Calcium chloride, dihydrate	Bio Basic	CD0050	2*H2O; 147.02 MW
Cholesterol	Bio Basic	CD0122	386.67 MW
Ethyl alcohol	B&J	RP090-1	99.99%; 46.07 MW
Magnesium sulfate, anhydrous	Bio Basic	MN1988	120.37 MW
Potassium phosphate, monobasic, anhydrous	Bio Basic	PB0445	136.09 MW
2'-Deoxy-5-fluorouridine	Tokyo Chemical Industry	D2235	246.19 MW
Potassium phosphate, dibasic, anhydrous	Bio Basic	PB0447	174.18 MW
Multi-Purpose Test Tubes	Stockwell Scientific	ST.8570	8 ml
Test Tube Closures	Stockwell Scientific	ST.8575
Cell Culture Flask	SPL Lifescience	70125	25 cm2
Research Stereo Microscope	Nikon	SMZ18
High-Definition Color Camera Head	Nikon	DS-Fi2
PC-Based Control Unit	Nikon	DS-U3
NIS-Elements Basic Research, Microscope Imaging Software	Nikon	MQS32000