Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
* Эти авторы внесли равный вклад
Преподавание биологических наук может быть более стимулирующим для студентов за счет использования экспериментов. В этой рукописи представлены два различных, но взаимодополняющих протокола, которые могут быть использованы в классе, чтобы побудить студентов формулировать и проверять гипотезы, связанные с высококалорийными диетами, голоданием и старением.
Caenorhabditis elegans (C. elegans) - это прозрачная, непаразитическая нематода с простой биологией, что делает ее отличным инструментом для преподавания биологических наук путем окрашивания клеток или их молекулярного содержимого. Краситель Люголя (раствор йода-йодида калия) широко используется в биохимии для окрашивания запасов гликогена. В этом контексте можно наблюдать различия между кормящими и голодными животными, помимо эффектов различных условий, таких как разный рацион и уровень кислорода. Эриоглауцин – это синий краситель, который указывает на потерю кишечного барьера. Когда кишечный барьер не поврежден, синий краситель окрашивается внутри просвета; Однако, когда эта целостность нарушается, краситель просачивается в полость тела. Используя стереомикроскоп или микроскоп, учителя могут продемонстрировать физиологические и биохимические изменения или побудить учащихся задать научный вопрос, выдвинуть гипотезу и проверить свою гипотезу с помощью этих анализов. В настоящем протоколе описаны два метода окрашивания у C. elegans , которые могут быть легко выполнены студентами.
Преподавание биологических наук в старших классах – это постоянная задача. Примечательно, что доступ к технологиям и их использование привели к важным достижениям в процессе преподавания и обучения, однако такие инструменты, как чат-боты с искусственным интеллектом, затрудняют рационализацию и поиск доказательств из-за простых (и иногда неправильных) полученных ответов. В связи с этим использование научного метода с практическими экспериментами в рамках исследовательского подхода в классе является важной стратегией для развития или стимулирования критического мышления, творчества и технических навыкову учащихся.
В этом контексте свободноживущая нематода Caenorhabditis elegans была успешно использована в экспериментах в учебных целях3 благодаря своим особым преимуществам: она не является паразитом, а кишечная палочка , используемая для кормления, имеет уровень биобезопасности-1, что снижает биологическую опасность почти до нуля; Он имеет элегантное и количественно измеримое движение передвижения, за которым студентам интересно наблюдать; и он прозрачный, что позволяет не только наблюдать за органами, но и окрашивать пигментами, которые могут указывать на наличие биомолекул или возникновение физиологических изменений4. Таким образом, можно выдвигать гипотезы и проверять в классе простые постулаты, связанные с биохимией и физиологическими изменениями, такими как старение.
Гликоген представляет собой запасной углевод, образованный длинной и разветвленной цепью молекул глюкозы, образованных глюкозильными остатками с (1→4)-α гликозидными линейными связями и (1→6)-α гликозидными связями в точках ветвления, и особенно важен для сокращения мышц, дифференцировки клеток и поддержания гликемии. Гликоген синтезируется после кормления за счет активации инсулином фермента гликоген-синтазы. Во время физических упражнений или голодания адреналин или глюкагон, соответственно, активируют гликогенфосфорилазу и, следовательно, расщепляют полисахарид для обеспечения глюкозо-6-фосфата мышечными клетками или высвобождают свободную глюкозу для обхода гипогликемии 6,7. Изменения уровня гликогена влияют на клеточную дифференцировку, передачу сигналов, окислительно-восстановительную регуляцию и стволовость при различных физиологических и патофизиологических условиях, включая рак8. У C. elegans гликоген в основном содержится в мышцах пищевода, гиподерме, кишечнике, нейронах и главным образом в мышцах стенок тела9. Содержание гликогена можно измерить с помощью раствора йода Люголя, поскольку йод связывается со спиральными спиралями, образуя йод-гликогеновый комплекс, придавая видимый резкий сине-черный или коричнево-черный цвет, который был успешно использован для демонстрации содержания гликогена в C. elegans10. Было продемонстрировано, что накопление гликогена, вызванное высоким содержанием глюкозы, может сократить продолжительность жизни червя, тем самым ускоряя процесс старения11,12. Кроме того, метаболические нарушения, другие гормоны и воздействие ксенобиотиков также могут изменить метаболизм гликогена13,14. Таким образом, эксперименты по содержанию гликогена в C. elegans весьма интересны, поскольку различные факторы могут нарушить его метаболизм и стимулировать обсуждение в классе основных биохимических процессов, связанных с такими сквозными темами, как физические упражнения, диеты, болезни и старение.
Старение — это зависящее от времени функциональное снижение, вызванное повреждением клеток. Это повреждение может быть связано с окислительным стрессом, истощением теломер, потерей протеостаза, воспалением и даже накоплением нерастворимых полиглюкозановых тел15, и это лишь некоторые из них. Одним из признаков старения является снижение целостности кишечника, связанное с несколькими хроническими состояниями, возникающими в течение жизниорганизма. Поддержание гомеостаза кишечника зависит от целостности кишечного эпителия, который поддерживается соединительными белками, образующими физический барьер и соединяющими соседние эпителиальные клетки. При повреждении этого эпителия происходит утечка содержимого люминала в интерстиций17. Основываясь на этом механизме, тест на смурф был использован для проверки целостности кишечника на нескольких животных моделях, поскольку этот синий краситель Erioglaucine disodium salt не пересекает кишечную мембрану, оставаясь в просвете18. Когда черви заражаются патогеном, контаминируются какими-либо токсикантами или стареют, изменяя целостность интерстициальных поверхностей, краситель пересекает барьер и распространяется по всему червю, который становится полностью синим. Этот анализ позволяет обсудить физиологию старения и экспериментировать с факторами, которые могут ускорить или замедлить этот процесс, подвергая червей воздействию различных условий. В приведенных здесь протоколах будут подробно описаны эти два метода, основанных на красителях, которые можно легко использовать в классе, чтобы побудить и стимулировать учащихся к формулированию и проверке гипотез, связанных с биохимией и физиологией.
Первая часть протокола показывает его применимость для качественного и количественного анализа содержания гликогена в модели C. elegans 10. Целью второй части протокола является оценка целостности кишечника C. elegans. Этот метод позволяет проводить мониторинг старения C. elegans путем оценки целостности кишечных оболочек. Кроме того, это позволяет оценить, ускоряет или замедляет старение вещество и обладают ли какие-либо вещества токсическим потенциалом на кишечном барьере.
Штамм C. elegans , использованный для настоящего исследования, был бристольским N2 дикого типа. Тем не менее, процедура может быть воспроизведена с использованием штаммов, которые демонстрируют сопоставимые темпы роста, или метод должен быть скорректирован в зависимости от потребности в замене оборудования, учитывая, что они имеют одинаковую или сходную функцию, или в зависимости от используемого штамма, поскольку определенные штаммы имеют специфические требования к обслуживанию и/или чувствительности; эту информацию можно получить в Центре генетики Caenorhabditis (CGC) или на веб-сайте WormBase. Эти изменения не должны влиять на воспроизводимость метода.
ПРИМЕЧАНИЕ: Бактерии Escherichia coli OP50 (E. coli OP50) и штаммы дикого типа Bristol N2 могут быть получены от CGC, Университет Миннесоты, США или за счет пожертвования в лаборатории C. elegans . Для безопасности исследователей крайне важно использовать средства индивидуальной защиты. Несмотря на то, что концентрации таких реагентов, как гипохлорит и гидроксид натрия, низкие, важно носить рекомендованные СИЗ, как указано в рукописи, чтобы свести к минимуму любые потенциальные риски, связанные с этими химическими веществами.
1. Содержание гликогена
Рисунок 1: Схема анализа общего содержания гликогена у C. elegans. Приведена схема выполненного здесь эксперимента по проведению анализа содержания гликогена. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
2. Оценка проницаемости кишечника
Рисунок 2: Схема анализа общей проницаемости кишечника у C. elegans. (А) Препарат C. elegans . (Б) Окрашивание солью динатрия эриоглауцина. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Анализ содержания гликогена обеспечивает надежный и быстрый метод скрининга различных условий тестирования, таких как сравнительные исследования различных штаммов, которые могут влиять на синтез или деградацию гликогена. В этом исследовании черви L4 подвергались т?...
Таким образом, этот протокол обеспечивает качественную оценку содержания гликогена в отдельных червях C. elegans с использованием окрашивания по Люголю: прямой, надежный и быстрый анализ. Окрашивание по методу Люголя представляет собой безметочный и неинвазивный п?...
Авторам нечего раскрывать.
D.S.A выражает благодарность за финансирование от Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento (CNPq/Brazil), номер гранта #301808/2018-0, #313117/2019-5, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul (FAPERGS/Brazil), номер гранта, 21/2551-0001963-8, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES, Финансовый код 001 для N.S.J и A.C.S)
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 | - |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены