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Method Article
Caenorhabditis elegans é um modelo poderoso para examinar os determinantes moleculares que conduzem as interações hospedeiro-microbioma. Apresentamos um pipeline de alto rendimento traçando o perfil dos níveis de colonização do microbioma intestinal em um único animal, juntamente com os principais aspectos da fisiologia de C. elegans.
A composição do microbioma intestinal pode ter um impacto dramático na fisiologia do hospedeiro ao longo do desenvolvimento e da vida do animal. Medir as mudanças composicionais no microbioma é crucial para identificar as relações funcionais entre essas mudanças fisiológicas. Caenorhabditis elegans emergiu como um poderoso sistema hospedeiro para examinar os drivers moleculares das interações hospedeiro-microbioma. Com seu plano corporal transparente e micróbios naturais marcados com fluorescência, os níveis relativos de micróbios dentro do microbioma intestinal de um animal de C. elegans individual podem ser facilmente quantificados usando um grande classificador de partículas. Aqui descrevemos os procedimentos para o arranjo experimental de um microbioma, coleta e análise de populações de C. elegans no estágio de vida desejado, operação e manutenção do classificador, e análises estatísticas dos conjuntos de dados resultantes. Também discutimos considerações para otimizar as configurações de classificação com base nos micróbios de interesse, o desenvolvimento de estratégias de confinamento eficazes para os estágios de vida de C. elegans e como utilizar as capacidades de classificação para enriquecer as populações animais com base na composição do microbioma intestinal. Exemplos de aplicações potenciais serão apresentados como parte do protocolo, incluindo o potencial de escalabilidade para aplicativos de alto rendimento.
A evolução animal está sob constante influência microbiana1. A partir de diversos micróbios no ambiente, os hospedeiros animais adquirem parceiros específicos2 que ampliam as capacidades do hospedeiro e impulsionam sua fisiologia e suscetibilidade a doenças3. Por exemplo, análises metagenômicas do microbioma intestinal descobriram classes metabólicas enriquecidas de genes microbianos que podem conferir maior colheita e armazenamento de energia em camundongos obesos4, muitos dos quais também são encontrados no microbioma intestinal humano5. Ainda há uma grande necessidade de estabelecer relações causais e identificar os determinantes moleculares do impacto do microbioma, embora o progresso tenha sido prejudicado pelas complexidades do microbioma e pela tratabilidade dos sistemas hospedeiros para triagem em larga escala.
O organismo modelo C. elegans fornece uma plataforma para avançar a compreensão molecular das ligações entre o microbioma e a fisiologia do hospedeiro. C. elegans possui 20 células intestinais com camada mucosa e estruturas vilosidades. Essas células são equipadas com abundantes genes quimiorreceptores que detectam produtos microbianos e produzem moléculas antimicrobianas que potencialmente regulam seus colonizadores intestinais 6,7. Essa biologia conservada de C. elegans levou a um grande número de descobertas na sinalização do hospedeiro que regula micróbios intestinais, incluindo sinalização de insulina, TGF-beta e MAP quinase 8,9,10.
C. elegans utilizam micróbios como sua dieta para o crescimento durante o desenvolvimento e microbioma como adultos. Com a velhice, alguns micróbios podem se acumular em excesso no lúmen intestinal e a relação hospedeiro-micróbio muda da simbiose para a patogênese11. Em seus habitats naturais, C. elegans encontra uma grande variedade de espécies bacterianas12,13. O sequenciamento do 16S rDNA a partir de amostras representativas coletadas em habitats naturais (frutos podres, caule de plantas e vetores animais) revelou que o microbioma natural de C. elegans é dominado por quatro filos bacterianos: Proteobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes e Actinobacteria. Dentro dessas divisões encontra-se grande variação na diversidade e riqueza de bactérias com base no habitat12,13,14,15. Várias comunidades definidas foram estabelecidas, incluindo as coleções de 63 membros (BIGbiome)16 e 12 membros (CeMbio) representando os principais gêneros de microbioma criados para a comunidade de pesquisa de C. elegans 17. Tanto os microbiomas quanto as linhagens componentes podem ter um impacto diverso na fisiologia de C. elegans, como tamanho corporal, taxas de crescimento e respostas ao estresse 9,16,17. Esses estudos fornecem recursos e exemplos para estabelecer C. elegans como um modelo para a pesquisa do microbioma.
Aqui é apresentado um fluxo de trabalho baseado em grandes classificadores de partículas (LPS) (Figura 1) que utiliza o sistema C. elegans para medir simultaneamente a composição do microbioma e medidas básicas da fisiologia do hospedeiro em escala populacional. Do lado microbiano, o fluxo de trabalho é adaptável para montar um microbioma definido ou micróbios únicos para testar a robustez e plasticidade da comunidade com interações microbianas crescentes. Do lado do hospedeiro, o fluxo de trabalho permite ensaios de alto rendimento para medir os níveis de colonização de micróbios fluorescentes no microbioma e leitura fisiológica do hospedeiro em termos de desenvolvimento, tamanho do corpo e reprodução. Em conjunto, o modelo do microbioma de C. elegans permite que telas de alto rendimento identifiquem os determinantes metabólicos e genéticos que modulam a fisiologia do hospedeiro.
1. Preparação da mistura do microbioma
2. Preparação de C. elegans sincronizados para crescimento no microbioma
3. Coleta de população de vermes para análises do microbioma intestinal
4. Configuração do classificador de partículas grandes e do amostrador automático
5. Análise das características de C. elegans e dos níveis de microbioma intestinal por animal
6. Classificação de animais de C. elegans por características do microbioma intestinal
Definição de portões populacionais de adultos e larvas
Aqui, C. elegans L1s sincronizados foram cultivados em uma placa NGM semeada com E. coli OP50 (Eco), uma dieta padrão de laboratório. Populações de C. elegans foram coletadas para análise de LPS após 96 h ou 120 h de crescimento a 20 °C (Figura 2A). Um gráfico de pontos de extinção (EXT, um proxy de densidade corporal) versus tempo de voo (TOF, um proxy de comprimento do corpo) ...
A vermimetria de fluxo tem sido utilizada para caracterizar genes e vias de C. elegans contra a colonização e toxicidade de patógenos em diversos estudos21,22. Aqui, uma abordagem de alto rendimento é apresentada que usa C. elegans para investigar como os microbiomas intestinais modulam sua fisiologia hospedeira. Em comparação com os métodos existentes que utilizam unidades formadoras de colônias (UFC) ou sequenciamento do amplicon de 16...
Os autores declaram não haver conflitos de interesse.
Este trabalho foi apoiado por subsídios do NIH DP2DK116645 (para B.S.S.), Dunn Foundation prêmio piloto e NASA grant 80NSSC22K0250 (para B.S.S.). Este projeto também foi apoiado pelo Cytometry and Cell Sorting Core no Baylor College of Medicine com financiamento do CPRIT Core Facility Support Award (CPRIT-RP180672), do NIH (S10 OD025251, CA125123 e RR024574), e da assistência de Joel M. Sederstrom, além de uma concessão de instrumentação para a concessão LPS NIH (S10 OD025251). Algumas cepas foram fornecidas pelo CGC, que é financiado pelo NIH Office of Research Infrastructure Programs (P40 OD010440).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
15 mL conical bottom centrifuge tubes | VWR | 10026-076 | |
96 deep-well plates (1 mL) | Axygen | P-DW-11-C | |
96 deep-well plates (2 mL) | Axygen | P-DW-20-C | |
96-well Costar plate | Corning | 3694 | |
Agar | Millipore Sigma | Standard bacteriology agar is also sufficient. | |
Aspirating manifold | V&P scientific | VP1171A | |
Bleach | Clorox | ||
Bleach solution | Mix Bleach with 5M Sodium hypochlorite 2:1 (v/v) | ||
Cell Imaging Multimode Reader | Biotek | Cytation 5 | Bacterial OD measurement |
Centrifuge | Thermo scientific | Sorvall Legend XTR | For 96 well plate and conical tubes |
Fluorescent Microscope | Nikon | TiE | |
ggplot: Various R Programming Tools for Plotting Data. | R package | Version 3.3.2 | |
Large Particle Autosampler | Union Biometrica | LP Sampler | |
Large Particle Sorter | Union Biometrica | COPAS Biosorter | |
Levamisole | Fisher | AC187870100 | |
Lysogeny Broth (LB) | RPI | L24066 | Standard LB home-made recipes using Bacto-tryptone, yeast extract, and NaCl are also sufficient. |
M9 solution | 22 mM KH2PO4 monobasic, 42.3 mM Na2HPO4, 85.6 mM NaCl, 1 mM MgSO4 | ||
Nematode Growth Medium | RPI | N81800-1000.0 | 1 mM CaCl2, 25 mM KPO4 pH 6.0, 1 mM MgSO4 added after autoclaving. |
RStudio | GNU | Version 1.3.1093 | |
Sodium hypochlorite | Sigma-Aldrich | 5M NaOH | |
Stereo Microscope | Nikon | SMZ745 | |
Sterile 10 cm diameter petri dishes | Corning | 351029 | |
Sterile 12-well plates | VWR | 10062-894 | |
Sterile 24-well plates | VWR | 10062-896 | |
Sterile 6 cm diameter petri dishes | Corning | 351007 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 |
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