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Method Article
* Estes autores contribuíram igualmente
A maioria dos organismos fotoautotróficos da natação apresentam alterações comportamentais induzidas por foto (comportamento fotográfico). O presente protocolo observa o referido comportamento fotográfico no organismo modelo Chlamydomonas reinhardtii.
Para a sobrevivência dos microrganismos fototróficos motile, estar sob condições adequadas de luz é crucial. Consequentemente, eles mostram comportamentos induzidos por foto (ou comportamento fotográfico) e alteram sua direção de movimento em resposta à luz. Os comportamentos típicos de fotobehtos incluem resposta fotofóbica (ou fotofóbica) e fototaxis. Photoshock é uma resposta a uma mudança repentina na intensidade da luz (por exemplo, iluminação de flash), onde organismos param de se mover ou se movem para trás. Durante a fototaxis, os organismos se movem em direção à fonte de luz ou na direção oposta (chamada fototáxi positiva ou negativa, respectivamente). A alga verde unicelular Chlamydomonas reinhardtii é um excelente organismo para estudar o comportamento fotográfico porque muda rapidamente seu padrão de natação modulando a batida de cílios (também conhecido como flagela) após a fotorrecepção. Aqui, vários métodos simples são mostrados para observar os comportamentos fotofoitos em C. reinhardtii. Pesquisas sobre os comportamentos fotográficos de C. reinhardtii levaram à descoberta de mecanismos regulatórios comuns entre cílios eucarióticos e channelrhodopsins, o que pode contribuir para uma melhor compreensão das ciliopatias e o desenvolvimento de novos métodos optogenéticos.
A luz é uma fonte de energia indispensável para organismos fotossintéticos, mas muita luz pode causar danos foto-oxidativos. Assim, os organismos fototróficos precisam sobreviver sob luz de intensidade moderada, onde podem fotossintestar, mas não sofrer danos foto-oxidativos1. Em plantas terrestres, cloroplastos não podem sair da folha e mostrar movimentos fotográficos na célula; cloroplastos se movem para a periferia da célula sob alta luz e a superfície celular sob baixa luz2, enquanto muitas algas motile mostram comportamentos fotográficos que lhes permitem encontrar condições adequadas de luz para fotossíntese e, assim, facilitam sua sobrevivência3.
Clamídoonas reinhardtii é uma alga verde unicelular considerada como um organismo modelo em campos de pesquisa como cílio (também conhecido como flagela), fotossíntese e comportamento fotográfico. C. reinhardtii apresenta uma mancha operária e duas cílias por célula, usadas para fotorecepção e natação, respectivamente. A mancha olenta tem dois componentes: canalrhodopsinas (ChRs), canais de íons com a luz na membrana plasmática, e as camadas de grânulo ricas em carotenoides localizadas logo atrás dos ChRs. A mancha olhenta atua como um receptor de luz direcional, uma vez que as camadas de grânulo ricas em carotenoides funcionam como um refletor de luz 4,5.
As RS foram inicialmente identificadas como fotorreceptores causando comportamentos fotográficos em C. reinhardtii 6,7,8,9. Embora dois isoformes, ChR1 e ChR2, sejam encontrados na mancha obentou, experimentos de knock-down mostraram que ChR1 é o principal fotorreceptor para fotobehaviors10. Apesar disso, o ChR2 tem recebido mais atenção e desempenhado um papel central no desenvolvimento da optogenética, uma técnica para controlar a excitação celular pela luz11. Portanto, estudar os mecanismos regulatórios que regem os comportamentos fotográficos em C. reinhardtii irá promover a compreensão da função chr e melhorar a optogenética.
Após a fotorrecepção, as células C. reinhardtii mostram dois tipos de comportamentos fotográficos: fototaxis e resposta ao choquede fotos 12. Fototaxis é o comportamento das células nadando na direção da fonte de luz ou na direção oposta, chamada fototáxi positiva ou negativa, respectivamente. Resposta de photoshock é um comportamento que as células mostram depois de sentir uma mudança repentina na intensidade da luz, como quando iluminada por um flash. As células param de nadar ou nadam para trás (ou seja, nadando com o corpo celular para a frente) por um curto período, normalmente <1 s.
Movimentos ciliares em C. reinhardtii estão envolvidos em seus comportamentos fotográficos. Dois cílios geralmente batem como nado de peito de um humano, e isso é modulado para fotofossores. Para fototaxis, as forças geradas pelas duas cílios são desequilibrados pela modulação da frequência de batida e pela amplitude de forma de onda de cada círio13. O cílio mais próximo da mancha é chamado cílio cis, e o outro é chamado de trans cilium. Estes dois cilia diferem em vários pontos. Por exemplo, a frequência de batimentos ciliar de trans cilium in vitro é 30%-40% maior14. Além disso, sua sensibilidade ca2+ é diferente. A reativação dos modelos de células demembradas15 mostrou que o círio cis bate mais fortemente do que o cilium trans para Ca2+ <1 x 10-8 M, enquanto o oposto é verdadeiro para Ca2+ >1 x 10-7 M. Essa assimetria na sensibilidade ca2+ é possivelmente importante para as curvas fototáticas, uma vez que mutantes sem essa assimetria não exibem fototaxis normais16,17. Por outro lado, a conversão de forma de onda é necessária para o choque de fotos. A forma de onda ciliar se transforma da forma de onda assimétrica na natação dianteira para a forma de onda simétrica na natação retrógrada. Esta conversão de forma de onda também é regulada por Ca2+, em um limiar de 1 x 10-4 M18,19. Uma vez que os defeitos na regulação dos movimentos ciliares causam diskinesia ciliar primária em humanos, estudar comportamentos fotográficos em C. reinhardtii pode ajudar na melhor compreensão dessas doenças e desenvolvimentos terapêuticos20.
Aqui, são demonstrados quatro métodos simples para observar os comportamentos fotográficos em C. reinhardtii . Primeiro, um ensaio de fototaxis usando placas de Petri é mostrado, e segundo, um ensaio de fototaxis contra gotículas de suspensão celular. O fenômeno observado em ambos os casos não é estritamente fototaxis, mas o acúmulo de fotos, onde as células tendem a se acumular perto do lado da fonte de luz ou do lado oposto. Em C. reinhardtii, o acúmulo de fotos é causado principalmente por fototaxis de uma forma que pode ser usada como aproximação à fototaxis. Em terceiro lugar, um ensaio mais rigoroso para fototátega sob um microscópio é mostrado, e por último é um ensaio de fotoshock sob um microscópio.
No presente estudo, foi utilizada uma cepa de Clamídonas reinhardtii, uma prole da cruz CC-124 x CC-125 com agg1+mt-,21. CC-124 e CC-125 foram obtidos do Centro de Recursos Clamídonas (ver Tabela de Materiais) e mantidos em um Tris-acetato-fosfato (TAP)22, 1,5% de agarose médio a 20-25 °C. Qualquer cepa motile pode ser usada para este protocolo.
1. Cultura celular
Figura 1: Cultura líquida após 2 dias de cultivo. A partir de uma placa de ágar TAP-1,5%, um pedaço de células do tipo selvagem que preenchem o laço de platina foi inoculado em ~150 mL de meio líquido TAP em um frasco. A densidade celular após 2 dias de cultura foi ~5,0 x 106 células/mL. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
2. Pré-tratamento das células
Figura 2: Suspensão celular sob luz vermelha. Uma luz branca fluorescente regular coberta com uma folha de celofane vermelho. Um tubo contendo a suspensão celular é colocado sob ~10 μmol fótons·m−2·s−1 luz vermelha. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
3. Ensaio de fototaxis usando a placa de Petri (o chamado "ensaio de pratos")
Figura 3: Iluminação lateral para ensaio de placa de fototaxis. (A) Uma placa de Petri contendo uma suspensão celular colocada em uma caixa de luz em uma sala escura de desktop. Luz verde (placa LED de 525 nm, ~100 fótons μmol·m−2·s−1) iluminados do lado. (B) Método de iluminação alternativa. Um LED tipo bala de canhão de 5 mm. (C) Para bloquear a luz do lado de fora, uma caixa com um pano preto no interior pode ser usada em vez de uma sala escura de desktop. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Exemplo de fototaxis negativas após 5 min de iluminação lateral. (A) Suspensão celular tipo selvagem em uma placa de Petri iluminada por 5 minutos. A maioria das células se acumulou no lado oposto da fonte de luz. Esses dados podem ser interpretados como fototaxis negativas. (B) Imagem do prato de cima. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Quantificação do ensaio de fototáxi do prato. Um exemplo de células que mostram fototáxis negativas (a fonte de luz está no lado direito). A imagem colorida é convertida em uma escala de cinza (Passo 3.5.) e depois invertida (Passo 3.6.). Regiões de interesse (ROI), todo o prato (Passo 3.7.), e a metade do lado da fonte leve do prato (Passo 3.8.) foram delimitados. A densidade de cada ROI foi medida (Passo 3.9.). Neste caso, o índice fototático (PI) é de cerca de 0,18 ([1.512 x 11.671] / [2.970 x 26.077]). Pi é 1 ou 0 quando todas as células apresentam fototáxis positivas ou negativas, respectivamente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
4. Ensaio de fototaxis usando gotículas de cultura celular
Figura 6: Ensaio de fototáxi de gotícula. (A) Nove gotículas de uma suspensão celular de 25 μL colocadas em uma folha de plástico branca e iluminadas do lado por um LED verde. (B) Após 3 min de iluminação. Em cada gotícula, as células se acumulavam no lado da fonte de luz (fototáxi positiva), acumuladas no lado oposto (fototáxi negativa) ou difundidas na gotícula (sem fototaxis). Barra de escala = 1 cm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
5. Ensaio de fototaxis sob um microscópio
Figura 7: Fazer espaçadores nas bordas do deslizamento de tampa. (A) Uma fina camada de vaselina foi aplicada na palma da mão. Uma pequena quantidade de petróleo branco foi raspada com a borda de uma mancha de cobertura. (B) Um espaçador na borda de uma mancha de cobertura. (C) Outro espaçador na borda oposta. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8: Iluminação lateral sob um microscópio. (A) Configuração de um LED verde. Um LED verde do tipo bala de canhão é fixado no muff e fixado no suporte ao lado do microscópio. As células foram observadas sob um microscópio de campo escuro com um filtro de corte afiado (λ > 630 nm). (B) Iluminação lateral pelo LED verde. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Filme 1: Ensaio de fototaxis sob um microscópio. Luz verde iluminada a ~0 s da direita. Naquele momento, as células tendiam a nadar em uma direção aleatória. Após 0 s no contador de tempo, as células nadavam para a direita ou para a esquerda, mostrando fototaxis positivas ou negativas. A luz foi desligada em ~15 s quando as células começaram a nadar em uma direção aleatória novamente. Barra de escala = 100 μm. Clique aqui para baixar este Filme.
6. Rastreamento de células fototáticas e desenho de histograma polar
7. Ensaio de resposta de choque de fotos sob um microscópio
Filme 2: Iluminação de choque de fotos por um flash de câmera. O flash da câmera foi mantido até o estágio do microscópio e ligado. Clique aqui para baixar este Filme.
Filme 3: Resposta de choque de fotos causada por um flash sob um microscópio. As células foram observadas sob luz vermelha fraca. Um flash foi emitido a ~0 s. Quase todas as células pararam na natação, nadaram para trás por um curto período, e se recuperaram na natação para a frente. Barra de escala = 100 μm. Clique aqui para baixar este Filme.
Filme 4: Resposta de choque de fotos causada pela remoção de um filtro vermelho sob um microscópio. As células foram observadas sob luz vermelha fraca. O filtro vermelho foi removido em ~5 s. Quase todas as células pararam na natação, nadaram para trás por um curto período, e se recuperaram na natação para a frente. Barra de escala = 100 μm. Clique aqui para baixar este Filme.
Filme 5: Removendo um filtro vermelho. Remoção rápida de um filtro vermelho definido no caminho da luz para entregar o choque de fotos. Clique aqui para baixar este Filme.
Típicos ensaios de fototáxi c. reinhardtii e fotoshock são mostrados aqui. Após a estimativa de densidade celular, a cultura celular do tipo selvagem (uma prole da cruz CC-124 × CC-125 com agg1+ mt -)23 foi lavada com solução experimental fotobehportora para o ensaio do prato fototaxis. A suspensão celular foi colocada sob luz vermelha fraca por ~1 h. Uma suspensão de célula de 2 mL foi colocada em uma placa de Petri de 3,5 cm. A placa de Petri foi sacudida suavemente, colocada ...
O presente protocolo é fácil e não demorado. Se um mutante C. reinhardtii é suspeito de apresentar defeitos em fotorrecepção ou movimento ciliar, este método pode servir como análise fenotípica primária.
No entanto, existem alguns passos críticos. Uma delas é usar células no experimento na fase inicial e intermediária de crescimento do registro. Após a cultivo por longos períodos, as células tornam-se menos motile, menos sensíveis à luz, e até mesmo formam palmello...
Os autores não têm nada a revelar.
Este estudo foi apoiado por bolsas da Japan Society for the Promotion of Science KAKENHI (https://www.jsps.go.jp/english/index.html) para NU (19K23758, 21K06295), TH (16H06556) e KW (19H03242, 20K21420, 21H00420), da Ohsumi Frontier Science Foundation (https://www.ofsf.or.jp/en/) à KW, e da Aliança Dinâmica para Inovação Aberta Conectando Humanos, Ambientais e Materiais (http://alliance.tagen.tohoku.ac.jp/english/) à NU, TH e KW.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
15 mL conical tube | SARSTEDT | 62.554.502 | |
5 mm Cannonball green LED | Optosupply | OSPG5161P | |
50 mL conical tube | SARSTEDT | 62.547.254 | |
AC adaptor for the light box | ATTO | 2196161 | |
Auto cell counter | DeNovix | CellDrop BF | |
CaCl2 | Nakalai tesque | 06731-05 | |
Camera flash | NEWWER | TT560 | |
Centrifuge | KUBOTA | 2800 | |
Chlamydomonas strains CC-124 and CC-125 | Chlamydomonas Resource Center | https://www.chlamycollection.org/ | |
C-mout CCD camera | Wraymer | 1129HMN1/3 | |
Desktop darkroom | Scientex | B-S8 | |
Digital still camera | SONY | RX100II | |
EGTA | Dojindo | G002 | |
Fiji | https://fiji.sc/ | ||
Green LED plate | CCS | ISLM-150X150-GG | |
HCl | Fujifilm WAKO | 080-01066 | |
HEPES | Dojindo | GB70 | |
KCl | Nakalai tesque | 238514-75 | |
Lightbox (Flat viewer) | ATTO | 2196160 | |
Microscope | Olympus | BX-53 | |
Petri dish (φ3.5 cm) | IWAKI | 1000-035 | |
Pottasium acetate | Nakalai tesque | 28434-25 | |
Power supply for the green LED plate | CCS | ISC-201-2 | |
Red filter | Shibuya Optical | S-RG630 |
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