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Method Article
생물학을 가르치는 것은 실험을 통해 학생들에게 더 자극을 줄 수 있습니다. 이 원고는 학생들이 고칼로리 다이어트, 굶주림 및 노화와 관련된 가설을 공식화하고 테스트하도록 장려하기 위해 교실에서 사용할 수 있는 두 가지 다르지만 보완적인 프로토콜을 제시합니다.
예쁜꼬마선충(C. elegans )은 생물학이 간단하여 투명하고 기생충이 없는 선충으로, 세포 또는 세포의 분자 함량을 염색하여 생물학 교육에 유용한 도구입니다. Lugol 염료(요오드-요오드화 칼륨 용액)는 글리코겐 저장을 염색하기 위해 생화학에서 널리 사용되었습니다. 이러한 맥락에서 다른 식단 및 산소 수치와 같은 다른 조건의 영향 외에도 먹이를 먹은 동물과 굶주린 동물 간의 차이를 관찰할 수 있습니다. 에리오글라우신(Erioglaucine)은 장 장벽의 손실을 나타내는 파란색 염료입니다. 장 장벽이 손상되지 않으면 파란색 염료가 내강 내부에 얼룩이 생깁니다. 그러나 이러한 무결성이 파괴되면 염료가 체강 내로 누출됩니다. 교사는 실체현미경이나 현미경을 사용하여 생리학적 및 생화학적 변화를 시연하거나 학생들이 과학적 질문을 하고 이러한 분석을 사용하여 가설을 세우고 테스트하도록 유도할 수 있습니다. 본 프로토콜은 예쁜꼬마선충(C. elegans )에서 학생들이 쉽게 수행할 수 있는 두 가지 염색 기법을 설명합니다.
고등학교에서 생물학을 가르치는 것은 끊임없는 도전입니다. 주목할 만한 점은, 기술의 접근과 사용은 교수-학습 과정에 중요한 발전을 가져왔지만, 인공 지능 챗봇과 같은 도구는 쉽게(때로는 부정확한) 응답을 얻기 때문에 합리화하고 증거를 찾는 것을 더 어렵게 만듭니다1. 그렇기 때문에 교실에서 탐구 기반 접근 방식에서 실제 실험과 함께 과학적 방법을 사용하는 것은 학생들의 비판적 사고, 창의성 및 기술적 기술을 개발하거나 자극하는 중요한 전략입니다2.
이러한 맥락에서, 자유로운 살아있는 선충 Caenorhabditis elegans 는 다음과 같은 특별한장점 때문에 교육 목적3을 위한 실험에 성공적으로 사용되어 왔다: 그것은 기생충이 아니며 먹이에 사용되는 대장균 은 생물안전 레벨 1이므로 생물학적 위험을 거의 0에 가깝게 줄인다. 그것은 우아하고 정량화 가능한 운동 움직임을 가지고 있어 학생들이 관찰하는 것이 흥미롭습니다. 그리고 투명하여 장기 관찰이 가능하지만 생체 분자의 존재 또는 생리적 변화의 발생을 나타낼 수 있는 색소로 염색할 수도 있습니다4. 따라서 생화학 및 노화와 같은 생리적 변화와 관련된 간단한 가정을 교실에서 가설을 세우고 테스트할 수 있습니다.
글리코겐은 (1→4)-α 글리코시드 선형 결합과 (1→6)-α 글리코시드 결합을 가진 글루코실 잔기에 의해 형성된 포도당 분자의 길고 분지된 사슬에 의해 형성된 저장 탄수화물이며, 근육 수축, 세포 분화 및 혈당 유지에 특히 중요하다5. 글리코겐은 글리코겐 합성효소의 인슐린 활성화로 인해 수유 후 합성됩니다. 운동이나 단식 중에는 에피네프린 또는 글루카곤이 각각 글리코겐 인산화효소를 활성화하여 다당류를 분해하여 근육 세포에 포도당-6-인산을 제공하거나 유리 포도당을 방출하여 저혈당을 회피합니다 6,7. 글리코겐 수준의 변화는 암을 포함한 다양한 생리학적 및 병태생리학적 조건에서 세포 분화, 신호전달, 산화 환원 조절 및 줄기에 영향을 미친다8. 예쁜꼬마선충(C. elegans)에서 글리코겐은 주로 식도 근육, 피하, 장, 뉴런 및 주로 체벽 근육에서 발견된다9. 글리코겐 함량은 요오드가 요오드-글리코겐 복합체를 형성하는 나선형 코일에 결합하여 눈에 띄는 선명한 청색-검정색 또는 갈색-검정색을 제공하기 때문에 Lugol의 요오드 용액을 사용하여 측정할 수 있으며, 이는 예쁜꼬마선충10에서 글리코겐 함량을 입증하는 데 성공적으로 사용되었습니다. 높은 포도당 공급으로 인한 글리코겐 축적은 벌레의 수명을 단축시켜 노화 과정을 가속화 할 수 있음이 입증되었습니다11,12. 또한 대사 장애, 기타 호르몬 및 생체 이물(xenobiotics)에 대한 노출은 글리코겐 대사를 변화시킬 수 있습니다13,14. 따라서 예쁜꼬마선충의 글리코겐 함량에 대한 실험은 다양한 요인이 신진대사를 방해할 수 있고 운동, 식이요법, 질병 및 노화와 같은 횡단적 주제와 관련된 기본 생화학에 대한 수업 중 토론을 자극할 수 있기 때문에 매우 흥미롭습니다.
노화는 세포 손상으로 인한 시간에 따른 기능 저하입니다. 이러한 손상은 산화 스트레스, 텔로미어 감소, 단백질 소실, 염증 및 심지어 불용성 다원체(polyglucosan body)15의 축적과 관련될 수 있습니다. 노화의 특징 중 하나는 유기체의 일생 동안 발생하는 여러 만성 질환과 관련된 장 무결성의 감소입니다16. 장 항상성의 유지는 장 상피의 무결성에 달려 있으며, 이는 물리적 장벽을 형성하고 인접한 상피 세포를 연결하는 접합 단백질에 의해 지원됩니다. 이 상피에 손상이 있을 때, 간질로의 발광 함량의 누출이 발생한다17. 이 메커니즘에 기초하여, 스머프 테스트는 이 청색 염료 Erioglaucine disodium salt가 장막을 통과하지 않고 내강18에 남아 있기 때문에 여러 동물 모델에서 장 무결성을 확인하는 데 사용되었습니다. 지렁이가 병원체에 감염되고 일부 독성 물질이나 노화에 오염되어 틈새 무결성이 변경되면 염료가 장벽을 통과하여 지렁이 전체에 퍼져 온통 파란색으로 변합니다. 이 분석을 통해 노화의 생리학에 대해 논의하고 웜을 다양한 조건에 노출시킴으로써 이 과정을 가속화하거나 지연시킬 수 있는 요인에 대해 실험할 수 있습니다. 여기의 프로토콜은 학생들이 생화학 및 생리학과 관련된 가설을 공식화하고 테스트하도록 선동하고 자극하기 위해 수업에서 쉽게 수행할 수 있는 이 두 가지 염료 기반 방법을 자세히 설명합니다.
프로토콜의 첫 번째 부분은 예쁜꼬마선충 모델10의 글리코겐 함량을 정성적 및 정량적으로 분석할 수 있는 적용 가능성을 보여줍니다. 프로토콜의 두 번째 부분의 목적은 예쁜꼬마선충(C. elegans) 장의 무결성을 평가하는 것입니다. 이 기술을 사용하면 예쁜꼬마선충(C. elegans)의 노화를 모니터링할 수 있으며, 장막의 무결성을 평가할 수 있습니다. 또한, 물질이 노화를 가속화하거나 지연시키는지, 그리고 어떤 물질이 장 장벽에 독성 잠재력을 가지고 있는지 여부를 평가할 수 있다(19).
본 연구에 사용된 예쁜꼬마선충(C. elegans ) 균주는 브리스톨 N2 야생형이었다. 그러나 유사한 성장률을 보이는 균주를 사용하여 절차를 복제할 수 있으며, 동일하거나 유사한 기능을 갖는 것을 고려하여 장비 교체의 필요성에 따라 또는 특정 균주에는 특정 유지 및/또는 민감도 요구 사항이 있으므로 사용되는 균주에 따라 방법을 조정해야 합니다. 이 정보는 Caenorhabditis Genetics Center (CGC) 또는 WormBase 웹 사이트에서 얻을 수 있습니다. 이러한 변경은 분석법의 재현성에 영향을 미치지 않아야 합니다.
참고 : 대장균 OP50 (E. coli OP50) 박테리아 및 Bristol N2 야생형 균주는 CGC, University of Minnesota, USA 또는 C. elegans 실험실의 기증을 통해 얻을 수 있습니다. 연구자의 안전을 위해 개인 보호 장비를 사용하는 것이 필수적입니다. 차아염소산염 및 수산화나트륨과 같은 시약의 농도는 낮지만 이러한 화학 물질과 관련된 잠재적 위험을 최소화하기 위해 원고에서 강조한 대로 권장되는 PPE를 착용하는 것이 중요합니다.
1. 글리코겐 함량
그림 1: 예쁜꼬마선충(C. elegans)의 전체 글리코겐 함량 분석 개략도. 글리코겐 함량 분석을 수행하기 위해 여기에서 수행된 실험의 개략도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
2. 장 투과성 평가
그림 2: 예쁜꼬마선충(C. elegans)의 전체 장 투과성 분석 개략도. (A) 예쁜꼬마선충 준비. (B) Erioglaucine disodium salt로 염색. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
글리코겐 함량 분석은 글리코겐 합성 또는 분해에 영향을 줄 수 있는 다양한 균주에 대한 비교 연구와 같은 다양한 테스트 조건을 스크리닝하기 위한 강력하고 신속한 방법을 제공합니다. 이 연구에서 L4 웜은 단식, 섭식, 포도당이 풍부한 그룹의 세 가지 뚜렷한 테스트 조건을 받았습니다. 분석은 세 번 수행되었으며 각 분석에서 각 조건이 두 번 복제되었습니다. 대표 이...
요약하면, 이 프로토콜은 Lugol 염색을 사용하여 개별 예쁜꼬마선충(C. elegans worms)의 글리코겐 함량에 대한 정성적 평가를 제공합니다: 간단하고 강력하며 신속한 분석법입니다. Lugol 염색은 세포 내 해상도에서 분자 데이터의 획득을 용이하게 하는 무표지 및 비침습적 접근 방식으로, 단일 웜 내에서 글리코겐 함량 변동을 모니터링할 수 있습니다(10
저자는 밝힐 것이 없습니다.
D.S.A는 Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento(CNPq/브라질), 보조금 번호 #301808/2018-0, #313117/2019-5, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul(FAPERGS/Brazil), 보조금 번호, 21/2551-0001963-8, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior(CAPES, N.S.J 및 A.C.S의 경우 금융 코드 001)의 자금 지원을 인정합니다.
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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