Name: fourier-based diffraction analysis of live caenorhabditis elegans
Uploaded: 2017-09-13T14:00:00
Duration: 8 min 24 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fourier-Based Diffraction Analysis of Live Caenorhabditis elegans at JoVE.com

Vi takker Juan Vasquez for hans beregningsmæssige bidrag med dette projekt. Vi er taknemmelige for støtte fra Vassar College bachelor forskning Summer Institute (URSI), Lucy Maynard laks forskningsfond og NSF award No. 1058385.

1. C. elegans vækst og vedligeholdelse <ol><li>Forbered ødelægge kultur retter.
	<ol><li>Fylde Petriskålene med en agar løsning og overlade dem til at størkne, så frø med en E. coli kultur af OP50 stamme 9 , 10.</li>
	</ol></li> <li>Forberede en start befolkning af voksen nematoder på hver plade ved at flytte flere voksne orme til frisk petriskåle med agar-fyldt med en E. coli patch. Opretholde de ødelægge kulturer ved 20 ° C i en inkubator. 
	Bemærk: Ødelægge stammer kan fås fra Caenorhabditis elegans genom Center. For denne undersøgelse, vildtype, N2, stamme og OH7547 (otls199 [kat-2::GFP + rgel-1 (F25B3.3):: dsRed + rol-6(su1006)]) stamme, som udviser en rulle fænotype, blev udnyttet.</li>
	<li>Verfør orme for fremtidige kulturer.
	<ol><li>Fjern Petri parabol indeholdende C. elegans og en ubrugt levesteder petriskål fra den temperatur-kontrolleret inkubator. Placer dem på scenen i et dissekere mikroskop.</li>
		<li>Lys til bunsenbrænder og sterilisere platin ødelægge pick ved at placere metal ind i flammen, indtil det lyser rødt. Tillad pluk afkøle til stuetemperatur. Fastsat pick eller lad pick kommer i kontakt med forurenende stoffer ikke.</li>
		<li>Blidt røre spidsen af pluk til kanten af kredsen af bakterier. Dette stof er klæbrig og vil gøre plukke enkelte voksne nematoder lettere.</li>
		<li>Overføre op til 4 fælderne nematoder til en Nematode vækst Medium (NGM) agar-fyldt Petri plade og inkuberes ved 20 ° C. Ormene vil lægge æg, der bliver modne i fire dage.</li>
		<li>Vende tilbage de resterende nematoder til rugemaskine efter flytning fire voksne nematoder.</li>
	</ol></li></ol> 2. Optisk Setup ( figur 1) <ol><li>Secure helium-neon laser nær tilbage til venstre i den optiske workbench og slutte den til en strømkilde. 
	Bemærk: Laseren &#39; s beam skal opfylde kravene til oversampling. C. elegans er ca 1 mm lange, laserstrålen bør derfor have en diameter større end 2 mm mens hændelse på fyrretræsnematoden, men ikke større end 5 mm, således at diffraktionsmønster ikke er svært at lokalisere.</li>
	<li>Placer et filter med neutral tæthed mellem helium-neon-laser og prøven, således at laserstrålen rejser gennem filteret før prøven.</li>
	<li>Brug af to forreste overflade aluminium styretøj spejle, opbygge et periskop ved at sikre den første spejl efter neutralfiltre. Sikre den anden spejl ca 10 cm under den første spejl til at give plads til at styre laserstrålen og indsætte kuvette mellem spejlene. Justere laserstråle og kuvette, så laserstrålen rejser lodret gennem kuvette. 
	NOTE: Afstand fra den diffracting organisme til en fotodiode skal være meget større end organismen, selv at opnå langt-ager diffraktion. I dette eksperiment, afstanden fra kuvette til fotodiode er 20 cm.</li>
	<li>Sikre fotodiode direkte overfor den anden spejl med sin sensor mod spejlet. 
	Bemærk: Kuvette indeholdende fyrretræsnematoden placeres mellem de to spejle ved hjælp af kemi klemmer. Se afsnit 4 og 5.</li>
	<li>Placerer en vandfyldte kuvette på standen. Justere højden på standeren. Justere højder og vinkler af mirror 1 og spejl 2 således at laserstrålen rejser gennem kuvette nær, men ikke direkte en fotodiode.</li>
	<li>Brug en plan for at sikre formularen står en fladede overflade for kuvette. Eventuelt justere spejle yderligere.</li>
	<li>Tilsluttes digitalt oscilloskop ved hjælp af USB-kablet leveres med den digitale oscilloskop en fotodiode. Tilslut den digitale oscilloskop til den computer, der skal bruges til at optage og gemme data.</li>
</ol> 3. Oscilloskop Setup <ol><li>ved hjælp af software til oscilloskop på computeren, sæt samplingfrekvens til mindst 8 Hz at løse gennemdrøfte cyklus af ormen tilstrækkeligt. 
	Bemærk: Samplingfrekvens du vælger skal være mere end det dobbelte af de forventede prygl frekvenser af arter så Nyquist sætning 11 er tilfreds.</li>
</ol> 4. Forberede indsamling af Data orm og kuvette <ol><li>overføre fire voksne nematoder til en frisk NGM 10 agar-fyldt Petri plade ved hjælp af en tynd, flad platin wire pick (Se afsnit 1.3).</li>
	<li>Fjerne en engangs plast kuvette fra sin pakke, være omhyggelig med at kun røre kuvette på sin ridged sider.</li>
	<li>Brug en mikropipette til afpipetteres destilleret vand i en kuvette, indtil kuvette er ca 80% fyldt med destilleret vand. 
	Bemærk: Det er vigtigt at kun bruge destilleret vand eller ioniseret buffere som M9 10 eller fosfatbufferet saltopløsning (PBS) ved håndtering af nematoder, som postevand indeholder mikroorganisme-drab forbindelser.</li>
	<li>Placer petriskålen indeholdende C. elegans skal anvendes under et dissekere muligheder.</li>
	<li>Bruger platin pick, fjerne en moden C. elegans fra petriskålen og dykke pick i kuvette, bevæger sig til pluk i cirkler, hvis nødvendigt at løsne fyrretræsnematoden.</li>
	<li>At forhindre bobler danner i kuvette, fylde kuvette med vand indtil det lidt buler over kuvette &#39; s top. Fylde kuvette &#39; s cap helt med vand så hurtigt sætte hætten på kuvette.</li>
	<li>Bruger en optisk pudseklud til at fjerne vanddråber, der kan have spildt over og optisk rengøring papir for at rense enhver lille resterende dråber.</li>
</ol> 5. Real Time Data-erhvervelse af diffraktion mønster intensitet ændringer <ol><li>slå helium-neon laser og justere indstillingen frekvens/farve, så den producerer en rød bjælke. Drej på sensoren. 
	Forsigtighed: Bruge en lav-energi stråle på 632 nm, som C. elegans undgå højfrekvente (blå) lys 12.</li>
	<li>Find orm i kuvette. Holding kuvette på sine ridged sider, forsigtigt vippe kuvette indtil nematode er omtrent i midten af del af kuvette. 
	Bemærk: Ryste eller vippe kuvette voldsomt forårsager ormen til at kollidere med vægge af kuvette. Dette kan beskadige fyrretræsnematoden.
	<ol><li>Sted kuvette på standen i det optiske systems centrering orm inden for laser &#39; s beam reflekteres fra Mirror 1 spejl 2. Sørg for at fjerne omstrejfende lys.</li>
	</ol></li> <li>Center orm i laserstrålen.
	<ol><li>Placere fotodiode i diffraktionsmønster, så placeringen af en fotodiode og det centrale maksimale antal diffraktionsmønster ikke sammenfaldende.</li>
		<li>Justere neutral density filter for at forhindre mætning af en fotodiode. Roterende neutral density filter hjulet regulerer lysintensiteten.
		<ol><li>Roter neutral density filter således at spændingen output fra fotodiode stiger. 
			Bemærk: Spænding output er observeret ved hjælp af software til det digitale fotodiode. Fotodiode er mættet hvis spændingen ikke ændres. I så fald rotere neutralfiltre indtil spændingen reducerer uden udfladning på en minimum læsning. Sikre, at spænding signalet ikke flade på peak aflæsninger, der angiver mætning af en fotodiode. Reducere lysintensiteten af roterende neutral density filter hjul, hvis mætning er observeret.</li>
		</ol></li> <li>Når de bevægelige diffraktionsmønster er synlige, indsamle data med en fotodiode ved at klikke på startknappen på software kontrol oscilloskopet mens overvågningen ormen &#39; s bevægelse. Fortsætte med at tage målinger indtil ormen bevæger sig ud af laserstrålen og diffraction mønster forsvinder, som normalt tager ca 20 s.
		<ol><li>Stop data indsamling proces ved at klikke på stop-knappen på softwaren til oscilloskopet. Gem hver prøveversion &#39; Sørensen data i .csv- eller .txt-format.</li>
		</ol></li></ol></li> <li>Gentag trin 5.2 5.3 indtil mindst 50 datasæt er blevet opkrævet for hver fænotype. Bruge otte til ti dyr pr. retssag.</li>
	<li>Hvis kuvette er ridset disponere over det og den orm, og Gentag trin 4. Hvis ormen er skadet i overførslen, bortskaffe det og skyl kuvette med destilleret vand, før gentage trin 4 benytter den samme kuvette.</li>
	<li>Gentag trin 5 ved hjælp af OH7547 &#34; Roller &#34; stamme, være omhyggelig med at mærke data for at angive orm stammen.</li>
</ol> 6. Fourier spektrum af Data <ol><li>importdata erhvervet i et data analyse program kan udføre Diskret Fourier transformeringer 3.</li>
	<li>Udføre Fourier transformationer på hvert sæt ved hjælp af fast Fourier transform (FFT) mulighed for at softwaren.</li>
	<li>Gennemsnitlige frekvenser fra FFT resultater for hver amplitude for N2 vildtype orm.</li>
	<li>Gentag trin 6.3 bruger FFTs fra OH7547 &#34; roller &#34; orme.</li>
</ol> 7. Modellering af Fourier spektrum <ol><li>Program en binær model af fyrretræsnematoden bevægelse (Se program omfattede i de supplerende materialer). 
	Bemærk: Denne model er en grov tilnærmelse, som på første viser de fremtrædende egenskaber af ormen bevægelse. Modellen kan raffineres, som resultaterne sammenlignes med faktiske orme. Ormen figurer er tilnærmelsesvise beregninger ved hjælp af mikroskop billeder 13.
	<ol><li>Opret fortløbende rammer af den binære model bevæger sig gennem mindst to orm cyklusser ( figur 2a). Se videoerne i de supplerende materialer; C orm (CWorm.avi) og W orm video (WWorm.avi).</li>
	</ol></li> <li>Producere sekventielle diffraktion mønstre. Se videoerne i de supplerende materialer. C orm diffraktion (CWormDiff.avi) og W orm video (WWormDiff.avi).
	<ol><li>Fouriertransformation hver binær ramme af ormen billede. Jo større polstring af rammen omkring ormen, jo bedre opløsning af diffraktion billede vil være. 
		Bemærk: Den absolutte værdi af hver Fourier omdannet ramme er proportional med den tilsvarende diffraktionsmønster ( figur 2b).</li>
		<li>Tune kontrast af diffraktionsmønster ved at knytte intensiteterne af diffraktionsmønster til en logaritmisk skala. 
		Bemærk: Kameraer og øjne tendens til at fungere på en ikke-lineær skala. En logaritmisk skala kan simulere, hvordan et diffraktionsmønster er typisk opfattes af det menneskelige øje.</li>
	</ol></li> <li>Uddrag modellerede diffraktion signal.
	<ol><li>Vælge en off-center placering, der svarer til placeringen af fotodiode i diffraktionsmønster.</li>
		<li>Tilføje de nærliggende matrix elementer omkring placeringen af fotodiode til at simulere størrelsen af en fotodiode. Størrelsen af fotodiode er typisk 0,1% af det modellerede diffraktionsmønster.</li>
		<li>Post og plot sekvens af omfanget af diffraktion signaler. Kontroller, at signalet er fysisk rimelig (dvs. i tilfælde af periodiske prygl, signalet fra fotodiode bør periodisk samt).</li>
	</ol></li> <li>Fourier omdanne diffraktion signal fremstillet i 7.3 og sammenligne resultater med eksperimentelle data.</li>
	<li>Gentag for forskellige orm stammer og sammenligne.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Magnes, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+Freely+Swimming+C.+elegans+Using+Laser+Diffraction.">Analysis of Freely Swimming C. elegans Using Laser Diffraction.</a> Open J. Biophys. 2, 101-107 (2012).</li><li>Magnes, J., Raley-Susman, K. M., Eells, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+Locomotion+Study+of+Freely+Swimming+Micro-organisms+Using+Laser+Diffraction.">Quantitative Locomotion Study of Freely Swimming Micro-organisms Using Laser Diffraction.</a> J. Vis. Exp. (68), (2012).</li><li>James, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> A Student's Guide to Fourier Transforms with Applications in Physics and Engineering. , (1995).</li><li>Korta, J., Clark, D. A., Gabel, C. V., Mahadevan, L., Samuel, A. D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanosensation+and+mechanical+load+modulate+the+locomotory+gait+of+swimming+C.+elegans.">Mechanosensation and mechanical load modulate the locomotory gait of swimming C. elegans.</a> J. Exp. Biol. 210, (2007).</li><li>Martin-Garcia, J. M., Conrad, C. E., Coe, J., Roy-Chowdhury, S., Fromme, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Serial+femtosecond+crystallography:+A+revolution+in+structural+biology.">Serial femtosecond crystallography: A revolution in structural biology.</a> Arch. Biochem. Biophys. 602, 32-47 (2016).</li><li>Thibault, P., Rankenburg, I. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+diffraction+microscopy+in+a+teaching+laboratory.">Optical diffraction microscopy in a teaching laboratory.</a> Amer. J. Phys. 75 (9), 827-832 (2007).</li><li>Miao, J., Ishikawa, T., Anderson, E. H., Hodgson, K. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phase+retrieval+of+diffraction+patterns+from+non+crystalline+samples+using+the+oversampling+method.">Phase retrieval of diffraction patterns from non crystalline samples using the oversampling method.</a> Phys. Rev. B. 67, 174104 (2003).</li><li>Zhang, Y. P., Zhang, J. Q., Xu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Method+for+eliminating+zero-order+diffraction+in+lensless+Fourier+transform+digital+holography.">Method for eliminating zero-order diffraction in lensless Fourier transform digital holography.</a> Optik - International Journal for Light and Electron Optics. 124 (21), 4873-4875 (2013).</li><li>Brody, A. H., Chou, E., Gray, J. M., Pokrywka, N. J., Raley-Susman, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mancozeb-induced+behavioral+deficits+precede+structural+neural+degeneration.">Mancozeb-induced behavioral deficits precede structural neural degeneration.</a> NeuroToxicology. 34, 74-81 (2013).</li><li>Stiernagle, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Maintenance+of+C.+elegans.">Maintenance of C. elegans.</a> WormBook. , (2006).</li><li>Dasalukunte, D., &#214;wall, V., Rusek, F., Anderson, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Faster than Nyquist Signaling. Algorithms to Silicon. , (2014).</li><li>Edwards, S. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+molecular+solution+for+ultraviolet+light+detection+in+Caenorhabditis+elegans.">A novel molecular solution for ultraviolet light detection in Caenorhabditis elegans.</a> PLoS Biol. 6 (8), e198 (2008).</li><li>Bilbao, A., Wajnryb, E., Vanapalli, S. A., Blawzdziewicz, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nematode+Locomotion+in+Confined+and+Unconfined+Fluids.">Nematode Locomotion in Confined and Unconfined Fluids.</a> Phys. Fluids. 25, 081902 (2013).</li></ol>

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Herunder strækninger af data med inaktivitet vil forvrænge resultater, da kunstig lavere frekvenser vil være gennemsnit i resultaterne. Mætte fotodiode kan genkendes af flade toppe eller "cut off" toppe i de rå data. Dividere hvert rå datasæt med peak intensiteter vil hjælpe med regnskab for udsving i laser intensitet.
De højeste frekvenser er en indikator for samlet prygl frekvens; dog kompliceret bevægelse forårsager interferens på beat frekvenser i diffraktionsmønster og skal undersøges nøje.
Denne metode kan bruges til at undersøge bevægelse af andre nematoder. Miljøet kan ændres til et andet medium. Bølgelængder kan ændres så godt. Arbejder i det synlige spektrum af det elektromagnetiske spektrum er nemmeste og sikreste.
En mere raffineret model vil simulere diffraktion spectra mere realistisk i fremtiden. En fremtidig model kan omfatte en orm, der kan ændre retningslinjer, som ikke ville påvirke hyppigheden steder men relative toparealer. En mere realistisk model ville muliggøre en probabilistisk fordeling af prygl frekvenser, som ville udvide toppe i eksperimentelle data. Et opslag i frekvenser ville tegne sig for variationer i prygl frekvenser.
Den aktuelle orm figur er rå, især i regionen hoved og hale, der bør være mere tilspidset end i den nuværende model. Det kan være interessant at foretage en detaljeret analyse af tidsserier af signalet, da det kunne give fingerpeg om kompleksiteten af bevægelse i forskellige mutanter.
Det er værd at overveje den praktiske gennemførlighed af udvide denne teknik til kendetegner flere nematoder samtidigt. Denne metode bør forstås som en supplerende metode til eksisterende metoder ved hjælp af traditionelle mikroskoper. Denne metode har en fordel i der ikke kræver et mikroskop under dataopsamling, så ormen kan flytte ud af brændplanet. Gennemsnit frekvens spectra viser tydelige forskelle i orm bevægelse og kan kvantificeres ved de fremherskende frekvens toppe, som er en roman metode i kvantificere orm locomotion. Dataanalyse af diffraktion signaturer er i yderligere udvikling og forhåbentlig vil føre til en automatiseret identifikation flere mutanter og enkeltpersoner.

Denne metode sammenligner eksperimentelle og modellerede frekvens spektre af bevægelse af C. elegans ved hjælp af to stammer med meget forskelligt bevægelsesadfærd mønstre. Resultaterne viser, at frekvensspektret afhænger af tidsmæssige ændringer som fyrretræsnematoden svømmer i en vandsøjle, således at klare mikroskopiske billeder ikke er behov for analyse. Denne metode giver mulighed for kvantitative real-time analyse og giver supplerende oplysninger til billeder/videoer opnås med traditionelle mikroskoper. Fraunhofer diffraktion, også kaldet langt-ager diffraktion, danner grundlag for at opnå levende diffraktion data1,2. Lysintensiteten på et enkelt punkt i diffraktionsmønster er resultatet af sammenføje lys fra hvert punkt i omrids af nematodeprøveudtagning3. Som følge heraf bærer lysintensiteten indsamlet over tid information om bevægelse af fyrretræsnematoden. Analysere tidsafhængig diffraktion signal kan identificere den karakteristiske bevægelse af de tilsvarende mutant da analysere alle de frekvenser, der er involveret i bevægelse supplerer de traditionelle video analyse. I dette tilfælde bekræftes de karakteristiske forskelle mellem bevægelse "rulle" og vildtype C. elegans ved at sammenligne hyppighed spektrene for to forskellige stammer af fyrretræsnematoden.
Nogle tidligere egenskaber er blevet bekræftet ved hjælp af frekvens analyse af diffraktion signaler såsom svømning frekvenser2,4. Vigtigere er, kan denne metode bruges som en supplerende metode til traditionelle mikroskopi for at observere bevægelse i realtid på en computerskærm, som dataene indsamles. Frekvensspektrum af orme med særskilte bevægelsesadfærd mønstre kan kvantificeres ved at betragte Fourier omdannet signal af diffraktion signal.
Den tværfaglige natur af Fourier-baserede diffraktion i dette arbejde involverer inden for biologi og fysik. Diffraktion af under prøvetagning har længe været anvendt til at undersøge krystal strukturer i biologi5 og andre felter. I dette eksperiment skaber oversampling6,7 , langt-ager diffraktionsmønster, således at organismen er centreret i laserstrålen. Oversampling bruges typisk til linse-mindre billedbehandling8 sammenholdt med en fase hentning algoritme, der rekonstruerer et billede af det oprindelige objekt. Fase hentning er vanskelig at opnå, når scatterers er til stede som er tilfældet med en nematode. Den tidsmæssige diffraktion signatur er nok til at vurdere centrale frekvenser af ormen bevægelse. Denne metode er mindre beregningsmæssigt beskatning og giver en optisk måde at kvantificere locomotion. Denne teknik kan let tilpasses til analyse af mutationer eller miljømæssige forhold, der ændrer adfærd.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Tunable Helium-Neon laser</td>
			<td>Research Electro-Optics</td>
			<td>30602</td>
			<td>Four wavelengths can be selected between 543 nm and 633 nm.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2 Front Surface Aluminum Mirrors</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PF10-03-F01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photodiode: SI Amplified Detector</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PDA 100A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Quartz Cuvette</td>
			<td>Starna Cells</td>
			<td>21/G/5</td>
			<td>Plastic cells may be used as well.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MatLab (Software)</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td>R2016b (9.1.0.441655)</td>
			<td>Use the fft command to simulate diffraction</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Excel</td>
			<td>Microsoft</td>
			<td>14.7.1</td>
			<td>Used for data analysis of Fig. 4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Caenorhabditis elegans Roller</td>
			<td>University of Minnesota Caenorhabditis elegans Center (CGC)</td>
			<td>Strain: OH7547 
			Genotype: otIs199.</td>
			<td>https://cbs.umn.edu/cgc/home</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Caenorhabditis elegans Wild Type</td>
			<td>University of Minnesota Caenorhabditis elegans Center (CGC)</td>
			<td>Strain:N2 Genotype: C. elegans wild isolate</td>
			<td>https://cbs.umn.edu/cgc/home</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fourier-based diffraction analysis of live caenorhabditis elegans

Dette manuskript beskriver, hvordan du klassificere nematoder tidsmæssige langt-ager diffraktion signaturer. En enkelt C. elegans er suspenderet i en vandsøjle inde en optisk kuvette. En 632 nm kontinuert bølge HeNe laser er instrueret gennem kuvette ved hjælp af forreste overflade spejle. En væsentlig afstand på mindst 20-30 cm rejste efter lyset passerer gennem kuvette sikrer en nyttig langt-ager (Fraunhofer) diffraktionsmønster. Diffraktion mønster ændringer i realtid som fyrretræsnematoden svømmer i laserstrålen. Fotodiode er placeret off-center i diffraktionsmønster. Spænding signalet fra fotodiode er observeret i realtid og registreres ved hjælp af et digitalt oscilloskop. Denne proces gentages for 139 vildtype og 108 "roller" C. elegans. Vildtype orm udviser en hurtig svingning mønster i løsning. "Roller" orme har en mutation i et nøgleelement i hårstrået, der forstyrrer jævn bevægelse. Tidsintervaller, der ikke er fri af mætning og inaktivitet er kasseret. Det er praktisk at opdele hver gennemsnit af sin maksimale at sammenligne relative intensiteter. Signal for hver orm er Fourier ændret således at frekvens mønster for hver orm fremgår. Signal for hver type af ormen er gennemsnit. Gennemsnit Fourier spektrene for vilde og "roller" C. elegans er tydeligt forskellige og afslører, at figurerne dynamisk orm af de to forskellige orm stammer kan adskilles ved hjælp af Fourieranalyse. Fourier spektrene for hver orm stamme matche en tilnærmet model ved hjælp af to forskellige binære orm figurer, der svarer til bevægelsesadfærd øjeblikke. Kuvert af den gennemsnit hyppighed distribution til faktiske og modellerede orme bekræfter modellen svarer til dataene. Denne metode kan tjene som en baseline til Fourier analyse for mange mikroskopiske arter, som hver mikroorganisme får sin unikke Fourier spektrum.

Den optiske eksperimentel opsætning vist i figur 1 giver mulighed for undersøgelse af mikroorganismer uden at være bundet til en fokalplan. Gennemdrøfte signalet fra fotodiode kan observeres i realtid på computerskærmen, som dataene er indsamlet. Usædvanlige mønstre vil være synlige straks uden at skulle analysere en video i detaljer.
Eksempler på modellerede sekventielle orm bevægelse og tilsvarende diffraktion mønstre er vist i figur 2. Modellerede diffraktion mønstre kvalitativt ligner eksperimentelle mønstre1 og er en første indikation at simuleringerne held model fyrretræsnematoden.
En prøve tidsmæssige diffraktion underskrift af de to typer af C. elegans studerede her er vist i figur 3. Det kan ses kvalitativt at hver nematode gennemdrøfte på forskellige satser og amplituder. Nogle af forskellene kan kvantificeres gennem kurven montering som blev gjort i en tidligere publikation1. Den Diskret Fourier transform, afslører dog flere detaljer vedrørende indlejrede frekvenser:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56154/56154eq1.jpg">, (1)
hvor Fk er den digitale Fouriertransformation (FT) og fn er tidsafhængig rå diffraktion signal med den diskrete tid er variable Nielsen og diskrete frekvens variable k. Nielsen det samlede antal datapunkter. Den gennemsnitlige digital Fouriertransformation tillader nematode kan identificeres af amplituden af dens diffraktion frekvensspektret (figur 4). Vildtype spektrum er domineret af lavere frekvenser end roller bevægelse spektrum.
En model, der tilnærmer vildtype versus roller C. elegans noter vildtype tendens til thrash i en bølgelignende (W eller S form) motion (figur 2a) mens rullen tendens til at favorisere en side, der nogenlunde ligner en oscillerende C form ( Figur 5). Dette giver nogle forklaring på de forskellige spektre. Rullen vil for det meste danne en C til den ene side, mens W svingning kan opfattes som to modsatrettede C bevægelser. Af denne grund er W bevægelse mere kompleks, afslører flere sekundære lave frekvenser end C bevægelse. Dette resultat bekræftes i den beregningsmæssige model. Figuren W har en meget højere frekvens tæthed end C form (figur 6). Dette bekræftes i FFT i figur 4 hvor roller frekvenser er mere grupperet mens ikke helt diskret. Statistikken for valsen er skæv da rullen kan vende tilbage til wild type locomotion midlertidigt.
Glattede magt spektre af roller type C. elegans viser en bred peak på ~1.5 Hz, mens svømning vildtype C. elegans udstiller en multimodal spektrum (herunder toppe på ~1.0 Hz og 1,75 Hz). Fotodiode (PD) har en begrænset størrelse spredes over flere matrix elementer. Enkelte matrix elementer eller punkter på diffraktionsmønster varierer i intensitet da konstruktive og destruktive indgreb varierer; de frekvenser hvor intensiteten varierer er imidlertid den samme for alle matrix elementer, som kan ses i figur 7. I betragtning af tid afledt Eq. 1, kan det ses, at hyppigheden udsving ikke afhænger af matrixen fase men kun på det oprindelige objekt udsving:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56154/56154eq2.jpg">, (2).
Som PD spreder sig over flere matrix elementer, gennemsnitlig peak steder til en ensartet frekvens profil. Nogle variation kan forventes og kan give fingerpeg om orientering af ormen. Hyppighed distribution vil ændre som gangart af ormen ændringer. Den nuværende model er en simpel model, der kun giver mulighed for evaluering af peak steder snarere end relative toparealer. Forskellige bevægelsesadfærd mønstre vil gennemsnitligt til forskellige peak placeringer.

<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig1.jpg"> 
Figur 1. Eksperimentel opsætning. Lav effekt laser stråle rejser gennem filteret med neutral tæthed, afspejles af spejl M1 ned gennem den kuvette, der indeholder ormen på spejl M2, og rejser mod en fotodiode. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig1large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig2.jpg"> 
Figur 2. Sekventiel orm figurer og tilsvarende diffraktion mønstre. (en) nogle udvalgte sekventielle binære billeder af modellerede W form nematoder og (b) tilsvarende sekventielle diffraktion mønstre. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig2large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig3.jpg"> 
Figur 3. Eksperimentel prøve diffraktion signaturer. Diffraktion underskrifter for (en) OH7547 "roller" og (b) N2 vilde type C. elegans ved hjælp af en enkelt fotodiode i diffraktionsmønster. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig3large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig4.jpg"> 
Figur 4. Eksperimentelle gennemsnit magt spektre af Roller og vildtype Fraunhofer diffraktion serien. Spectra programmet frekvenserne, der er til stede i gennemsnit Fouriertransformation af tidsserierne optaget med en fotodiode. En Gaussisk filter standardafvigelse 0.075 Hz, afkortes efter 3 standardafvigelser, der anvendes til udjævning. Bemærk den brede spektrale peak på ~1.5 Hz i glattes roller spektrum, sammenlignet med den multimodale glattes vildtype spektrum (herunder toppe på ~1.0 og 1Forbindelse.75 Hz). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig4large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig5.jpg"> 
Figur 5. Diffraktion dannelse Illustration. Diffraktion mønstre kan modelleres af at tænke på hver linjesegment som en forsvindende lille lige linje (til venstre). Sammenføje disse linjer (til højre) viser opbygningen af langt-ager diffraktion mønstre genereret af et C formet fyrretræsnematoden. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig5large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig6.jpg"> 
Figur 6. Simuleret magt spektre af Roller og vildtype Fraunhofer diffraktion serien. (en) C form og (b) W form orme med en fotodiode centreret på matrix elementer 200 (lodret) og 175 (vandret). Figuren W viser en højere tæthed af frekvenser på grund af de mere komplekse locomotion. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig6large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56154/56154fig7.jpg"> 
Figur 7. Simuleret magt spektre af Roller og vildtype Fraunhofer diffraktion serier på forskellige fotodiode steder. (en) W form orm og ormen (b) C form for enkelt matrix elementer på forskellige steder, der simulerer forskellige placeringer af en fotodiode. Tophøjder varierer for forskellige steder; dog forbliver peak placeringer de samme for bestemte figurer. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56154/56154fig7large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Fourier-Based Diffraction Analysis of Live Caenorhabditis elegans at JoVE.com

Fourier-Based Diffraction Analysis of Live Caenorhabditis elegans

Dette manuskript beskriver hvordan man skelner forskellige nematoder langt-ager diffraktion signaturer. Vi sammenligner bevægelse af 139 vildtype og 108 "Roller" C. elegans af gennemsnit frekvenser tilknyttet den tidsmæssige Fraunhofer diffraktion underskrift på en enkelt placering ved hjælp af en kontinuerlig bølge laser.

Fourier-baserede diffraktion analyse af Live Caenorhabditis elegans

This manuscript describes how to classify nematodes using temporal far-field diffraction signatures. A single C. elegans is suspended in a water column ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Fourier-Based Diffraction Analysis of Live Caenorhabditis elegans

Analysis of Contact Interfaces for Single GaN Nanowire Devices

Analyse af kontaktflader til enlige GaN Nanotråd Devices

Single GaN nanowire (NW) devices fabricated on SiO2 can exhibit  a strong degradation after annealing due to the  occurrence of void formation at the ...

Single Wavelength Shadow Imaging of Caenorhabditis elegans Locomotion Including Force Estimates

Single Wavelength Shadow Imaging of Caenorhabditis elegans Locomotion Including Force Estimates

Enkelt bølgelængde Shadow Imaging af<em&gt; Caenorhabditis elegans</em&gt; Locomotion herunder force Skøn

This study demonstrates an inexpensive and straightforward technique that allows the measurement of physical properties such as position, velocity, ...

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

In Situ Neutron pulverdiffraktion Brug Skræddersyede lithium-ion batterier

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric ...

Failure Analysis of Batteries Using Synchrotron-based Hard X-ray Microtomography

Manglende Analyse af batterier Brug Synchrotronbestrålingscenter-baserede Hard røntgen Microtomography

Imaging morphological changes that occur during the lifetime of rechargeable batteries is necessary to understand how these devices fail. Since the advent ...

Quantification of Hydrogen Concentrations in Surface and Interface Layers and Bulk Materials through Depth Profiling with Nuclear Reaction Analysis

Kvantificering af Hydrogen Koncentrationer i Surface og Interface-Lag og Bulk Materials gennem Dybde Profilering med kernereaktion Analysis

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and ...

Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages

Brug synkrotronstråling Microtomography at undersøge Multi-skala Tre-dimensionelle Mikroelektroniske pakker

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data ...

Measuring Spray Droplet Size from Agricultural Nozzles Using Laser Diffraction

Måling Spray Droplet Størrelse fra Jordbrugsvidenskabelige Dyser Brug Laser Diffraktion

When making an application of any crop protection material such as an herbicide or pesticide, the applicator uses a variety of skills and information to ...

Characterization of Ultra-fine Grained and Nanocrystalline Materials Using Transmission Kikuchi Diffraction

Karakterisering af Ultra-finkornede og Nanokrystallinske Materialer Brug Transmission Kikuchi Diffraction

One of the challenges in microstructure analysis nowadays resides in the reliable and accurate characterization of ultra-fine grained (UFG) and ...

Femtosecond Laser Filaments for Use in Sub-Diffraction-Limited Imaging and Remote Sensing

Femtosekund Laser filamenter til brug i Sub Diffraction Limited Imaging og Remote Sensing

Probing remote matter with laser light is a ubiquitous technique used in circumstances as diverse as laser-induced breakdown spectroscopy and barcode ...