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Method Article
* Estes autores contribuíram igualmente
O ensino de ciências biológicas pode ser mais estimulante para os alunos por meio do uso da experimentação. Este manuscrito apresenta dois protocolos diferentes, porém complementares, que podem ser utilizados em sala de aula para incentivar os alunos a formular e testar hipóteses relacionadas a dietas hipercalóricas, fome e envelhecimento.
Caenorhabditis elegans (C. elegans) é um nematóide transparente, não parasita, com uma biologia simples, o que o torna uma ótima ferramenta para o ensino de ciências biológicas através da coloração das células ou de seu conteúdo molecular. O corante Lugol (solução de iodo-iodeto de potássio) tem sido amplamente utilizado em bioquímica para manchar os estoques de glicogênio. Nesse contexto, é possível observar diferenças entre animais alimentados e famintos, além dos efeitos de diferentes condições, como diferentes dietas e níveis de oxigênio. A erioglaucina é um corante azul que indica a perda da barreira intestinal. Quando a barreira intestinal está intacta, o corante azul mancha dentro do lúmen; no entanto, quando essa integridade é interrompida, o corante vaza para a cavidade do corpo. Usando um estereomicroscópio ou um microscópio, os professores podem demonstrar alterações fisiológicas e bioquímicas, ou podem instigar os alunos a fazer uma pergunta científica e hipotetizar e testar suas hipóteses usando esses ensaios. O presente protocolo descreve duas técnicas de coloração em C. elegans que podem ser facilmente realizadas pelos alunos.
O ensino de ciências biológicas no ensino médio é um desafio contínuo. Notadamente, o acesso e o uso da tecnologia trouxeram avanços importantes no processo de ensino-aprendizagem, no entanto, ferramentas como os chatbots de inteligência artificial dificultam a racionalização e a busca de evidências devido às respostas fáceis (e às vezes incorretas) obtidas1. Por isso, o uso de um método científico com experimentação prática em uma abordagem baseada em investigação em sala de aula é uma estratégia importante para desenvolver ou estimular o pensamento crítico, a criatividade e as habilidades técnicas dos alunos2.
Nesse contexto, o nematóide de vida livre Caenorhabditis elegans tem sido usado com sucesso em experimentação para fins didáticos3 devido às suas vantagens particulares: Não é um parasita e a Escherichia coli usada para alimentação é de nível de biossegurança 1, reduzindo assim quase zero o risco biológico; tem um movimento de locomoção elegante e quantificável, que é interessante para os alunos observarem; e é transparente, o que permite a observação do órgão, mas também a coloração com pigmentos que podem indicar a presença de biomoléculas ou a ocorrência de alterações fisiológicas4. Portanto, é possível hipotetizar e testar em sala de aula postulações simples relacionadas à bioquímica e às alterações fisiológicas como o envelhecimento.
O glicogênio é um carboidrato de armazenamento, formado por uma cadeia longa e ramificada de moléculas de glicose formadas por resíduos de glicosil com ligações lineares glicosídicas (1→4)-α e ligações glicosídicas (1→6)-α em pontos de ramificação e é particularmente importante para a contração muscular, diferenciação celular e manutenção da glicemia5. O glicogênio é sintetizado após a alimentação devido à ativação da enzima glicogênio-sintase pela insulina. Durante o exercício ou jejum, a epinefrina ou o glucagon, respectivamente, ativam a glicogênio fosforilase e, portanto, quebram o polissacarídeo para fornecer glicose-6-fosfato às células musculares ou liberam glicose livre para contornar a hipoglicemia 6,7. Alterações nos níveis de glicogênio afetam a diferenciação celular, sinalização, regulação redox e estaminalidade sob várias condições fisiológicas e fisiopatológicas, incluindo câncer8. Em C. elegans, o glicogênio é encontrado principalmente no músculo esofágico, hipoderme, intestino, neurônios e principalmente nos músculos da parede corporal9. O conteúdo de glicogênio pode ser medido usando a solução de iodo de Lugol, uma vez que o iodo se liga às bobinas helicoidais formando um complexo iodo-glicogênio, dando uma cor azul-preta ou marrom-preta nítida visível, que tem sido usada com sucesso para demonstrar o conteúdo de glicogênio em C. elegans10. Foi demonstrado que o acúmulo de glicogênio causado pela alimentação com alto teor de glicose pode reduzir a vida útil do verme, acelerando o processo de envelhecimento11,12. Além disso, distúrbios metabólicos, outros hormônios e exposição a xenobióticos também podem alterar o metabolismo do glicogênio 13,14. Portanto, a experimentação sobre o conteúdo de glicogênio em C. elegans é bastante interessante, uma vez que diversos fatores podem perturbar seu metabolismo e podem estimular uma discussão em sala de aula sobre bioquímica básica associada a temas transversais como exercício, dietas, doenças e envelhecimento.
O envelhecimento é um declínio funcional dependente do tempo causado por danos celulares. Esse dano pode estar associado ao estresse oxidativo, ao desgaste dos telômeros, à perda de proteostase, à inflamação e até mesmo ao acúmulo de corpos insolúveis de poliglucosano15, apenas para citar alguns. Uma das marcas do envelhecimento é a redução da integridade intestinal, associada a diversas condições crônicas que ocorrem durante a vida de um organismo16. A manutenção da homeostase intestinal depende da integridade do epitélio intestinal, que é sustentado por proteínas juncionais que formam uma barreira física e conectam as células epiteliais adjacentes. Quando há dano a esse epitélio, ocorre vazamento de conteúdo luminal para o interstício17. Com base nesse mecanismo, o teste smurf tem sido utilizado para verificar a integridade intestinal em diversos modelos animais, uma vez que esse corante azul sal dissódico de Erioglaucina não atravessa a membrana intestinal, permanecendo no lúmen18. Quando os vermes são infectados com um patógeno, contaminados com alguns tóxicos ou idade, alterando a integridade intersticial, o corante atravessa a barreira e se espalha por todo o verme, que fica todo azul. Este ensaio permite discutir sobre a fisiologia do envelhecimento e experimentar fatores que podem acelerar ou retardar esse processo, expondo vermes a diferentes condições. Os protocolos aqui descreverão em detalhes esses dois métodos baseados em corantes que podem ser facilmente feitos em sala de aula para instigar e estimular os alunos a formular e testar hipóteses relacionadas à bioquímica e fisiologia.
A primeira parte do protocolo mostra sua aplicabilidade para analisar qualitativa e quantitativamente o conteúdo de glicogênio no modelo 10 de C. elegans. O objetivo da segunda parte do protocolo é avaliar a integridade do intestino de C. elegans. Esta técnica permite o monitoramento do envelhecimento de C. elegans avaliando a integridade das membranas intestinais. Além disso, permite avaliar se uma substância acelera ou retarda o envelhecimento e se alguma substância tem potencial tóxico na barreira intestinal19.
A cepa de C. elegans utilizada para o presente estudo foi Bristol N2 tipo selvagem. No entanto, o procedimento pode ser replicado utilizando cepas que apresentem taxas de crescimento comparáveis, ou o método deve ser ajustado com base na necessidade de substituição do equipamento, considerando que têm função igual ou semelhante, ou dependendo da cepa utilizada, pois certas cepas possuem requisitos específicos de manutenção e/ou sensibilidade; essas informações podem ser obtidas no Caenorhabditis Genetics Center (CGC) ou no site da WormBase. Essas alterações não devem afetar a reprodutibilidade do método.
NOTA: A bactéria Escherichia coli OP50 (E. coli OP50) e as cepas do tipo selvagem Bristol N2 podem ser obtidas no CGC, Universidade de Minnesota, EUA ou por doação de um laboratório de C. elegans . Para a segurança dos pesquisadores, é imprescindível o uso de Equipamentos de Proteção Individual. Embora as concentrações de reagentes como hipoclorito e hidróxido de sódio sejam baixas, é essencial usar o EPI recomendado, conforme destacado no manuscrito, para minimizar quaisquer riscos potenciais associados a esses produtos químicos.
1. Conteúdo de glicogênio
Figura 1: Esquema geral do ensaio de conteúdo de glicogênio em C. elegans. Um esquema do experimental realizado aqui para realizar o ensaio de conteúdo de glicogênio. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
2. Avaliação da permeabilidade intestinal
Figura 2: Esquema geral do ensaio de permeabilidade intestinal em C. elegans. (A) Preparação de C. elegans . (B) Coloração com sal dissódico de eriogalacina. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
O ensaio de conteúdo de glicogênio fornece um método robusto e rápido para rastrear várias condições de teste, como estudos comparativos de diferentes cepas que podem influenciar a síntese ou degradação de glicogênio. Neste estudo, os vermes L4 foram submetidos a três condições de teste distintas: grupos em jejum, alimentação e enriquecidos com glicose. O ensaio foi realizado três vezes, com cada condição replicada duas vezes em cada ensaio; uma imagem representativa ?...
Em resumo, este protocolo fornece uma avaliação qualitativa do conteúdo de glicogênio em vermes individuais de C. elegans usando a coloração de Lugol: um ensaio simples, robusto e rápido. A coloração de Lugol é uma abordagem sem marcação e não invasiva que facilita a aquisição de dados moleculares em resoluções subcelulares, permitindo o monitoramento das flutuações do conteúdo de glicogênio em vermes individuais10. Além disso, o ens...
Os autores não têm nada a divulgar.
D.S.A reconhece financiamento do Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento (CNPq/Brasil), processo nº #301808/2018-0, #313117/2019-5, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul (FAPERGS/Brasil), processo número, 21/2551-0001963-8, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
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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