Name: macro-rheology characterization of gill raker mucus in the silver carp, hypophthalmichthys molitrix
Uploaded: 2020-07-10T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Macro-Rheology Characterization of Gill Raker Mucus in the Silver Carp, Hypophthalmichthys molitrix at JoVE.com

저자는 바이오미메틱스 및 바이오영감 엔지니어링 GW 센터의 지원과 자금을 인정합니다. 우리는 조지 워싱턴 대학의 생물 과학학과의 L. 패트리샤 에르난데스 교수에게 실버 잉어의 생리학에 대한 생물학적 전문 지식을 제공하고 점액 샘플을 제공, 조사 및 지속적인 협력을 고무. 우리는 학생들, 데이비드 팔룸보 씨, 칼리 코헨 씨, 씨 아이작 핀버그, 씨 도미닉 페트로시노, 씨 알렉시스 렌더로스, 씨 프리실라 바르게세, 카터 테겐씨와 씨 라그하브 파주르는 실험실에서 도움을 준 씨, 토마스 에반스씨와 TA 인스트루먼트의 씨. 토마스 토마스, 뉴 캐슬, 유지 보수 및 유지 보수 와 함께 DE. 그림 5A에 대한 이미지는, C는 조지 워싱턴 대학에서 생물 과학학과의 교수 L. 패트리샤 에르난데스에 의해 수행 해부 동안 촬영되었다.

1. 다양한 농도의 점액 솔루션 준비
참고: 점액 용액의 3개의 농도(400 mg/mL, 200 mg/mL 및 대략적인 부피를 가진 100 mg/mL, 각각 1mL, 1 mL 및 2 mL)이 실험에 대비하고 있습니다.
<ol><li>점액의 질량을 계산하려면 바이알의 평균 질량을측정합니다(점액이 있는 M; mg) 점액없이(M바이알; mg). 그런 다음 점액없이 점액으로 바이알의 질량을 빼는(...

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이 프로토콜을 개발하는 주요 목표 중 하나는 매우 작은 샘플 볼륨을 사용할 수 있을 때 GR 점액의 유변학적 특성화에 적합하다는 것을 확립하는 것입니다. 우리는 실버 잉어 의 학교에서 더 많은 샘플이 완전히 GR 점액의 유변학적 특성을 특성화하는 데 필요한 것을 인정하고 여기에 제시 된 데이터는 전체 은 잉어 인구에 걸쳐 일반화되지 않습니다. 우리의 기술은 작은 견본 볼륨의 유변학적 특성...

실버 잉어, Hypophthalmichthys molitrix는플랑크 필터 피더와 미국에서 여러 자연 수로에 침투 한 침략적인 종입니다. 이 종은 처음에 조류꽃1,2,3을제어하기 위해 상부 미시시피 강 유역에 도입되었다. 실버 잉어는 매우 효율적인 피더입니다. 전형적으로, 소모성 식품 입자 크기는 4에서 20 μm에서 약 80 μm3,4,5의더 큰 동물 플랑크톤에 구역 수색합니다. 이 종은 다른 토착 물고기를 능가하고 잠재적으로 사용 가능한자원1,2,6을제한하여 토착 수로에 엄청난 손상을 일으킬 수 있습니다. 따라서, 은잉어와 큰 머리 잉어와 같은 필터 먹이 물고기는 그레이트 레이크1,2,6,7,8에큰 위협이됩니다.
필터 먹이 물고기는 표면에 서있는 점액의 얇은 층과 길러 레이커 (GRs)라는 특별한 장기를 가지고 있습니다. 이러한 장기는 들어오는 유체에서 작은 입자의 여과 및 응집의 효율성을 향상시킵니다. 본 원에 제시된 프로토콜의 목적은 비뉴턴, 전단 숱이 물질 특성및 은잉어의 아가미 레이커의 내부 표면에서 획득한 GR 점액의 응력의 수율 응력의 특성화이다. 회전 류미터를 사용하여 확인된 GR-점액의 수율 응력의 가치는 이 연구에 관심이 있습니다. 측정된 수율 응력은 "명백한 수율 응력"이라고도 하는 것은 꾸준한 전단 속도 또는 동적 진동 균주 유형9,10과같은 테스트 방법에 따라 달라집니다. 전단 숱이 '수율 응력 유체'는 중요한 적용 응력9,11에서고체와 같은 동작에서 액체와 같은 동작으로의 전환을 겪습니다. 명백한 항복 응력은 흐름을 개시하는 데 필요한 최소 전단 응력또는 점액이 젤과 같은 재료에서 유체와 같은 재료로 전환될 때 돌이킬 수 없는 플라스틱 변형이 처음 관찰되는 것입니다. 이러한 동작은 구조화된 점탄성 물질에서 관찰될 수 있다. GEL-like에서 GR 점액의 유체와 같은 동작으로의 전환은 식품 미립자를 수집하는 접착제 역할과 미립자 전달 및 여과 공정을 지원하는 운송 차량 역할이라는 두 가지 기능을 수반합니다. 점액의 확장된 기능에는 질병 내성 및 호흡의 확산 장벽을 조성하고, 영양 적 인자의 통제 방출을 제공하고, 독성 성분 및 배설물을 제공하고, 먹이및 중첩을위한 대사 경로를 만들고, 포식자 보호에 도움, 운동 및 추진 효율을 향상시키는 경계 층 수정을 생성하는 것을 포함한다12,13,14.
간단한 유체와 달리 점액과 같은 복잡한 유체는 유량 조건에 따라 다양한 특성을 가지고 있으며 벌크 스케일 물리적 동작을 정의하기 위해 추가 측정 매개 변수가 필요합니다. GR 점액의 점도와 수율 응력모니터링을 위해 회전 계측기를 사용하여 유변 측정이 수행됩니다. 회전 계는 유체 샘플과 접촉하는 회전 디스크를 통해 꾸준하거나 진동적인 전단 응력 또는 변형을 적용하고 그 반응을 측정합니다. 이 계측기와 기술을 사용하는 것의 근거는 레오미터가 점도만으로는 정의할 수 없는 은잉어의 GR 점액의 재료 특성을 설명하기 위한 일련의 측정을 제공할 수 있다는 것입니다.
점액은 점탄성 물질이며 부과 된 변형에 대한 기계적 반응은 순수한 고체 (후크의 탄성의 법칙에 의해 지배) 및 순수한 액체 (점도의 뉴턴의 법칙에 의해 지배)15,16사이에 있다. 점액 내에 포함된 복잡한 거대 분자 네트워크는 외부 력 또는 변형에 대응하여 스트레칭및 방향을 조정할 수 있습니다. 회전 류미터는 도 1 및 도 2에 표시된 콘 형상 및 펠티에 플레이트로 구성됩니다(계측 사양의 표 1 참조). 이 연구의 목적은 GR 점액의 유변학적 특성을 결정하는 프로토콜을 개발하는 것이었습니다. 비스코머를 통해 회전 계의 장점은 작은 샘플 볼륨을 사용하여 동적 측정을 할 수있는 능력입니다. 이 연구에서 GR 점액 샘플 부피는 약 1.4 mL이었다. 반면에 바이스컴터는 일정한 전단 속도로 제한되며 대량의 시료량이 필요합니다.
점액의 유변학적 특성은 은잉어 해부학 내에서 크게 달라질 것으로 예상된다. 예를 들어, GR 표면에 서식하는 점액의 특성은 에피브랜치 오르간과 다를 수 있다. 물고기의 다른 영역에서 점액 특성의 잠재적 인 가변성을 고려하기 위해, 획득 된 GR 점액 샘플은 희석되었고, 3 개의 농도의 용액이 회전 류미터를 사용하여 생성및 테스트되었습니다. 프로토콜을 실행한 후 보고된 점액 유변학에 관한 데이터 및 결과는 측정 기술의 효능을 입증하였다. 이 논문에 제시된 예시데이터는 전체 은잉어 인구에 걸쳐 일반화될 수 있는 것이 아닙니다. 본 명세서에 제시된 프로토콜은 다른 가설을 테스트하기 위해 더 큰 샘플 세트에 걸쳐 점액 재학을 조사하기 위해 확장될 수 있다.
이 연구의 목적은 3개의 다른 점액 농도를 가진 GR 점액류학의 유변학적 특성의 변이를 입증하는 것입니다 (400 mg/mL, 200 mg/mL 및 100 mg/mL). 400 mg/mL 농도는 생선 GRs로부터 수확된 생 점액 샘플을 나타낸다. Deionized water(DI)는 원료 점액 샘플을 200 mg/mL 및 100 mg/mL 농도로 희석하는 데 사용되었다. 점액 샘플을 희석시키는 것은 GR 점액이 비 뉴턴 행동으로 전환하는 농도의 함수로서 전단 숱이 및 명백한 항복 응력의 정도를 평가할 수 있었습니다. 셰이커는 비균일성으로 인한 유변학적 데이터의 오류를 완화하기 위해 샘플에 있는 점액의 큰 덩어리를 분해하는 데 사용되었습니다.
물고기를 포함한 대부분의 척추동물에서, 우세한 점액 형성 거대 분자는 얽힘 또는 화학적 교차 연결에 의해 물에 팽창하는 경향이 있는 당단백질(mucins)이며 겔과 같은 물질을생성한다(12,13,17,18,19,20). 고분자- 분자, 겔 형성 거대 분자 및 높은 수분 함량은점액(13)의미끄러움을 반영한다. 대시분자 간 상호 작용의 높은 수준은 겔 형성으로 이어지는 반면, 중대분자 상호 작용 또는 깨진 결합의 낮은 수준은 고점도 유체21귀착됩니다.
필터 먹이 물고기의 식품 미립자 여과 과정은 접착력 및압정(22)의잠재력을 결정하는 응집력 및 점도와 같은 GR 점액 관련 특성에 의해 지원된다. 점액 계 접착강도는 특정 분자 간, 정전기 또는 소수성 상호작용(23)에따라 달라집니다. 샌더슨 외.24 그들은 점액 기반 접착에 대 한 증거를 발견 하는 블랙 피시에 현탁 액 수 연구를 실시. 그들은 점막 표면을 가진 중단된 음식 미립자의 접착이 그것에 작용하는 지시된 물 흐름에 의해 점액과 함께 결합된 입자의 응집된 덩어리의 수송에 선행된다는 것을 진술했습니다24. 물 흐름에서 생성 된 전단 균주 율에 노출 된 점액은 소화 기관에 식품 미립자의 전달을 용이하게합니다. 내시경 기술은 여과된입자(24)를관찰하는 데 사용되었다.
GR 점액의 유변학적 검사에서 전단 속도 및 실질적인 한계에 대한 문헌은 부족합니다. 따라서 위, 비강, 자궁경부 및 폐 점액, 연어 피부 점액, hagfish 점액 및 뼈 관절 표면 윤활유에 대한 유변학적 연구에서 지도를 모색하여 유변학적 특성화 및 비뉴턴 특성을 연구하였으며11,12,26,27,28, 29,30,30, 31. 최근에는 생선 피부 점액이 운동 및 추진 효율에 미치는 영향은 일정한 전단 속도 의 내장을 사용하여 연구되고 있습니다. 피부 점액 유변학 연구(희석 또는 균질화 없이)는 선조, 농어 및 빈약한에 관련되어 일반적으로 낮은 전단비율(14)에서비뉴턴의 행동을 입증하였다.  또 다른 관련 연구에서는, 세네갈 발바닥의 등쪽 및 복부 측에서 원시 피부 점액 샘플은32로간주된 모든 전단 비율에서 복부 점액의 더 높은 점도를 나타내는 비 뉴턴 의 행동을 나타내는 것으로 나타났습니다. 하이드로겔 스캐폴드 개발 및 상수 전단 속도 비스코머를 이용한 고농축 현탁액에 대한 다른 유변학적 프로토콜도문헌(33,34)에서보고되었다.
본 연구에서, GR 점액 특성은 복잡한 생물학적유체(25)에대한 유변학 실험에서 널리 사용되고 있는 변형률 조절, 회전 류미터를 사용하여 조사되었다. 뉴턴 유체의 경우, 명백한 점도는 일정하게 유지되며, 전단 속도-독립적이며 전단 응력은 전단 변형률(그림3A,B)으로선형적으로 다릅니다. 비 뉴턴 유체(예: 전단-숱이 유체)의 경우 점도는 전단 속도 의존성 또는 변형-역사에 의존한다(그림3A,B). 손실 계수(G")는 재료가 흐르는 경향에 저항하고 유체 점도(도4)를대표하는 정도를 나타낸다. 저장 계수(G')는 응력 유도 변형에 따른 원래 형상을 회복하는 재료의 경향을 나타내며 탄성(도4)과동일하다. 위상 각(δ) 또는 손실 접선 값은 G"/G의 역 접선에서 계산됩니다. 이는 에너지 손실과 저장 사이의 균형을 나타내며 점성탄성 물질(δ = 0°) 점성 액체의 경우 0°, 점성 액체의 경우 δ = 90°, 점성탄성 고체에 대한 δ < 45° 및 점성탄성 액체의 δ > 경우 45°)를 특성화하기 위한 일반적인 파라미터이다(그림4)25. 구조화 된 유체의 명백한 수율 응력 (σy)은정상 상태 스윕 및 동적 응력 스트레인 스윕(10)에서유변학적 데이터에서 관찰 될 수있는 상태의 변화를 나타낸다. 외부 가도 응력이 명백한 수율 응력보다 작으면 재료가 탄력적으로 변형됩니다. 응력이 명백한 수율 응력(도 3B의"평균 응력"으로 표시됨)을 초과하면 재료는 탄성에서 플라스틱 변형으로 전환되어 액체상태(35)에서흐르기 시작합니다. 진동 응력(또는 균주) 조건 하에서 점액 샘플에서 저장 계수(G') 및 손실 계수(G")를 측정하는 것은 젤과 같은 점성탄성 액체와 같은 동작으로 재료 상태의 변화를 정량화한다.
저장 계수(G'), 손실 계수(G") 및 명백한 점도(η)와 관련된 데이터를 모니터링하기 위해 수행된 레오미터 테스트의 유형이 여기에 설명되어 있습니다. 동적 진동 테스트(스트레인 스윕 및 주파수 스윕)는 콘 형상의 제어진동하에서 G'와 G를 모니터링했습니다. 동적 스트레인 스윕 테스트는 본질적인 재료반응(도 4)을모니터링하여 점액의 선형 점탄성 영역(LVR)을 결정하였다. 스트레인 스윕은 일정한 진동 주파수 및 온도에서 항복 거동을 결정하는 데 사용되었습니다. 동적 주파수 스윕 테스트는 일정한 진폭(변형 속도) 및 온도에서 증가하는 주파수(변형 속도)에 대한 재료 반응을 모니터링했습니다. 스트레인은 동적 주파수 스윕 테스트를 위해 선형 점탄성 영역(LVR)에서 유지되었다. 정상 상태 전단 속도 테스트는 원뿔 형상의 꾸준한 회전 하에서 명백한 점도(η)를 모니터링했습니다. GR 점액은 증분 응력 단계를 거쳤으며 명백한 점도(η, Pa.s)는 다양한 전단 속도(ý, 1/s)를 모니터링하였다.
이 논문에 제시된 프로토콜은 GR 점액을 특정 선형 점성탄성 반응 범위로 알 수 없는 점성탄성의 복잡한 구조화 물질로 취급합니다. 물고기 점액은 교수 L. 패트리샤 에르난데스에 의해 미주리 강의 하트 크릭 위치에서 낚시 탐험 하는 동안 은 잉어의 GRs에서 추출 되었다 (생물 과학의 학과, 조지 워싱턴 대학) 1,2,36.  실버 잉어의 입 안쪽에 있는 GRs의 배열은 도 5A에 표시되고 회로도 도면은 도 5B에제시됩니다. 절제된 GR은 도 5C에표시됩니다.  은잉어의 GR로부터 점액추출은 회로도, 도 5D,E의예로 제시된다. 모든 레오미터 시험은 22± 0.002°C의 상수, 제어 온도하에서 수행되었으며, 어장1,2,36에서기록된 온도.  각 점액 샘플은 레오미터를 사용하여 세 번 시험되었고, 평균 결과는 통계적 오차 막대와 함께 제시된다.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:888px;" width="887">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:191px;">Materials</td>
			<td style="width:245px;"></td>
			<td style="width:191px;"></td>
			<td style="width:261px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Kim Wipes</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">470224-038</td>
			<td style="width:261px;">To clean Sample from plate</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Gloves</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">89428-750</td>
			<td style="width:261px;">To prevent contamination of sample</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Pipette</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">89079-974</td>
			<td style="width:261px;">To transport sample from vial to rheometer</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Pipette Tips</td>
			<td style="width:245px;">Thermo Scientific</td>
			<td style="width:191px;">72830-042</td>
			<td style="width:261px;">To transport sample from vial to rheometer</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Shaker</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">89032-094</td>
			<td style="width:261px;">To homogenously mix sample of mucus</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Vials</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">66008-710</td>
			<td style="width:261px;">Contains measured sample volumes</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Weigh Scale</td>
			<td style="width:245px;">Ohaus</td>
			<td style="width:191px;">Scout &#8211;SPX Balances</td>
			<td style="width:261px;">To weigh mass of mucus samples</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Chemical Reagents</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:191px;">De-Ionized Water (H20)</td>
			<td style="width:245px;">-</td>
			<td style="width:191px;">-</td>
			<td style="width:261px;">Liquid</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Sterile 70% Isopropanol (C3H8O)</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">89108-162</td>
			<td style="width:261px;">Liquid</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">GR Mucus</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:191px;">100 mg/mL concentration, 2mL</td>
			<td style="width:245px;">-</td>
			<td style="width:191px;">-</td>
			<td style="width:261px;">Viscoelastic Material</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:191px;">400 mg/mL concentration, 1mL</td>
			<td style="width:245px;">-</td>
			<td style="width:191px;">-</td>
			<td style="width:261px;">Viscoelastic Material</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:191px;">200 mg/mL concentration, 1mL</td>
			<td style="width:245px;">-</td>
			<td style="width:191px;">-</td>
			<td style="width:261px;">Viscoelastic Material</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:191px;">Software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">MATLAB</td>
			<td style="width:245px;">Mathworks</td>
			<td style="width:191px;">R2017a</td>
			<td style="width:261px;">Data analysis, post-processing and graphical representation</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Trios</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td style="width:191px;">v4.5.042498</td>
			<td style="width:261px;">Rheometer instrument control and analysis software</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

macro-rheology characterization of gill raker mucus in the silver carp, hypophthalmichthys molitrix

실버 잉어, Hypophthalmichthys molitrix,때문에 매우 효율적인 필터 공급 메커니즘으로 인해 상부 미시시피 강 유역의 자연 수로를 감염 침략 플랑크티버 필터 피더 물고기입니다. 많은 필터 피더에서 발견되는 길 레이커 (GRs)라고 불리는 특징적인 장기는 크기가 몇 미크론인 식물 플랑크톤과 같은 식품 입자의 효율적인 여과를 용이하게합니다.
GR 점액의 유변학을 조사하는 동기는 은잉어의 필터 공급 과정을 돕는 역할을 이해하고자 하는 우리의 욕구에서 비롯됩니다. 점액이 풍부한 유체는 '두껍고 끈적끈적한' 상태에서 식품 미립자의 접착을 용이하게 할 수 있습니다. GR 멤브레인을 통한 투과 및 수송은 다양한 전단 변형률을 유도하는 외부 전단력의 작용에 의해 촉진된다. 따라서 점액 유변학은 필터 먹이 물고기 풀 내에서 은 잉어의 엄청난 경쟁 특성에 대한 중요한 단서를 제공 할 수 있습니다. 이를 바탕으로 GR 점액은 식품 입자에 접착제 기능을 제공하고 필터 공급 공정을 지원하는 운송 수단으로 작용할 수 있음을 양수하였다.
프로토콜의 주요 목적은 점액의 수율 응력, 돌이킬 수없는 플라스틱 변형이 먼저 구조화 점탄성 물질에 걸쳐 관찰되는 흐름을 시작하는 데 필요한 최소 전단 응력에 기인한다. 이에 따라, GR 점액, 즉 점도, 저장 및 손실 계열의 유변학적 특성은 회전 계를 사용하여 비뉴턴, 전단 숱이 있는 자연에 대해 조사되었다.
여기에 제시 된 프로토콜은 미주리 강의 하트 크릭 위치에서 물고기 실버 잉어의 길빛 레이커에서 추출 점액의 유변학적 특성을 분석하기 위해 사용된다. 이 프로토콜은 구조화 점탄성 물질로 가정된 점액의 유변학 테스트 및 물질 특성화를 위한 효과적인 전략을 개발하는 것을 목표로 합니다.

이 섹션에서는 원뿔 형상(직경 40mm, 1° 0' 11')과 펠티에 플레이트가 있는 회전 류미터를 사용하여 GR 점액에 대한 실험 결과를 제시합니다. 이 실험은 GR 점액의 비 뉴턴, 전단 숱이 있는 동작 및 점액전환을 묘사한 명백한 수율 응력의 특징을 젤과 같은 재료에서 유체와 같은 물질로 특성화하는 데 도움이 되었습니다. 대표적인 결과는 낮은 토크 제한에 대한 정량적 설명과 회전 류미터 계측기의 이?...

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Macro-Rheology Characterization of Gill Raker Mucus in the Silver Carp, Hypophthalmichthys molitrix

이 프로토콜은 은잉어의 길 레이커 (GRs)에 상주하는 점액의 유변학 특성화를 수행하는 방법을 제시한다. 점도, 저장 및 손실 계수를 측정하여 얻은 GR-점액의 점성탄성 특성은 GR의 필터 공급 메커니즘을 이해하기 위한 명백한 수율 응력에 대해 평가된다.

실버 잉어, 하이포팔미치티스 몰리트리스의 길 레이크머 점액의 매크로-리로지 특성화

The silver carp, Hypophthalmichthys molitrix, is an invasive planktivorous filter feeder fish that infested the natural waterways of the upper Mississippi ...

Research

JoVE Journal

Engineering

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