"تحليل حيود من العيش" على أساس فورييه ايليجانس كاينورهابديتيس
Summary
هذه المخطوطة يصف كيفية التمييز بين الحبليات مختلفة استخدام التواقيع حيود المتطرف الميدانية. قارنا الحركة من 139 من نوع البرية و 108 “الاسطوانة” C. ايليجانس بحساب متوسط ترددات المقترنة بالتوقيع حيود فراونهوفر الزمانية في مكان واحد باستخدام ليزر موجات مستمرة.
Abstract
هذه المخطوطة يصف كيفية تصنيف الديدان الخيطية استخدام التواقيع الزمني الأقصى حقل الحيود. هو تعليق واحد C. ايليجانس في عمود مياه داخل ومبومو ضوئية. يتم توجيه 632 نانومتر ليزر زناد موجات مستمرة من خلال ومبومو استخدام المرايا سطح الجبهة. ويضمن مسافة كبيرة من 20-30 سم على الأقل سافر بعد الضوء يمر عبر ومبومو نمط حيود (فراونهوفر) أقصى ميدان مفيدة. التغييرات نمط حيود في الوقت الحقيقي كما ديدان أسطوانية تسبح ضمن شعاع الليزر. الضوئي يوضع خارج المركز في نمط الحيود. إشارة الجهد من الضوئي ويلاحظ في الوقت الحقيقي وتسجيلها باستخدام الذبذبات رقمية. يتم تكرار هذه العملية لنوع البرية 139 و 108 “الاسطوانة” C. ايليجانس. الديدان نوع البرية يحمل نمط التذبذب سريع في الحل. وقد الديدان “الاسطوانة” طفرة في أحد مكونات رئيسية لبشرة الذي يتداخل مع انتقال سلس. يتم تجاهل الفواصل الزمنية التي لا تخلو من التشبع والخمول. أنها عملية قسمة كل المتوسط إلى الحد الأقصى لمقارنة الكثافات النسبية. الإشارة لكل دودة من تحويل فورييه حتى أن يظهر نمط التكرار لكل دودة. إشارة لكل نوع من الفيروس المتنقل هو في المتوسط. متوسط الأطياف فورييه لنوع البرية و “الاسطوانة” C. ايليجانس تختلف اختلافاً واضحا وتكشف عن أنه يمكن التمييز بين الأشكال دودة دينامية من سلالات مختلفة من دودة اثنين استخدام تحليل فورييه. طيف فورييه لكل سلالة دودة مطابقة نموذج تقريبي باستخدام اثنين من الأشكال دودة ثنائية مختلفة تتوافق مع لحظات مرضوا. ويؤكد المغلف لتوزيع تردد متوسط للديدان الفعلية وعلى غرار النموذج مطابقة البيانات. يمكن هذا الأسلوب بمثابة أساس لتحليل فورييه لكثير من الأنواع المجهرية، كما كل الكائنات الدقيقة سيكون لها طيف فورييه فريدة من نوعها.
Introduction
ويقارن هذا الأسلوب أطياف التردد التجريبية وعلى غرار الحركة من ايليجانس جيم- استخدام سلالات اثنين مع أنماط مرضوا مختلفة جداً. وتبين النتائج أن الطيف الترددي يعتمد على التغيرات الزمنية كما ديدان أسطوانية تسبح في عمود الماء حيث أن الصور المجهرية واضحة ليست هناك حاجة لتحليل. هذا الأسلوب يسمح للتحليل الكمي في الوقت الحقيقي ويوفر معلومات مكملة للصور/الفيديو التي تم الحصول عليها مع المجاهر التقليدية. حيود فراونهوفر، كما دعا حيود المتطرف الميدانية، يوفر الأساس للحصول على الحيود يعيش البيانات1،2. شدة الضوء في أي نقطة واحدة في نمط حيود هو نتيجة لفرض الضوء من كل نقطة في مخطط السلكية3. نتيجة لذلك شدة الضوء التي تم جمعها على مر الزمن يحمل معلومات عن الحركة ديدان أسطوانية. تحليل الإشارات حيود تعتمد على الوقت يمكن تحديد الحركة المميزة للمسخ المقابلة نظراً لتحليل جميع الترددات تشارك في الحركة ويكمل التحليل الفيديو التقليدية. وفي هذه الحالة، تأكدت الفروق المميزة بين الحركة من “الاسطوانة” والبرية نوع C. ايليجانس بمقارنة الأطياف تردد اثنين من سلالات مختلفة من ديدان أسطوانية.
وقد أكد بعض الخصائص السابقة استخدام تردد تحليل الإشارات حيود مثل السباحة الترددات2،4. الأهم من ذلك، يمكن استخدام هذا الأسلوب كوسيلة تكميلية للفحص المجهري التقليدي لمراقبة الحركة في الوقت الحقيقي على شاشة كمبيوتر، ويتم جمع البيانات. يمكن قياس الطيف الترددي من الديدان مع أنماط مرضوا متميزة بالنظر في تحويل فورييه إشارة الإشارات الحيود.
طبيعة متعددة التخصصات على أساس فورييه حيود في هذا العمل ينطوي على ميادين البيولوجيا والفيزياء. طالما استخدمت الحيود بإطار أخذ العينات للتحقيق في هياكل الكريستال في البيولوجيا5 وغيرها من المجالات. في هذه التجربة، بيد الإفراط6،7 ينشئ نمط حيود المتطرف الحقل حيث يتم توسيط الكائنات الحية في شعاع الليزر. الإفراط يستخدم عادة لأقل عدسة التصوير8 بالاقتران مع خوارزمية استرداد مرحلة التي يعيد بناء صورة للكائن الأصلي. استرجاع المرحلة من الصعب تحقيق عند عدسات موجودة كما الحال بالنسبة ديدان أسطوانية. توقيع حيود الزمانية ما يكفي لتقييم الترددات الرئيسية للاقتراح دودة. هذا الأسلوب هو أقل ضرائب حسابياً ويوفر وسيلة بصرية للتحديد الكمي للحركة. هذا الأسلوب يمكن سهولة تكييفها وفقا لتحليل الطفرات أو الظروف البيئية التي تغير السلوك.
Protocol
Representative Results
Discussion
بما في ذلك مساحات من البيانات مع الخمول سوف تحرف النتائج حيث سيكون متوسط ترددات أقل مصطنعة إلى النتائج. يمكن التعرف على تشبع الضوئي قمم مسطحة أو “قطع” قمم في البيانات الخام. تقسيم كل مجموعة البيانات الخام بشدة الذروة سوف يساعد مع المحاسبة للتقلبات في كثافة الليزر.
ترددات الذروة مؤشر لمجمل سحق التردد؛ بيد أن الحركة المعقدة يؤدي التدخل في ترددات فاز في نمط حيود وتحتاج إلى أن تدرس بعناية.
يمكن استخدام هذا الأسلوب للتحقيق في الحركة من الديدان الخيطية الأخرى. يمكن تغيير البيئة بأية وسيلة أخرى. قد يتم تغيير الأطوال الموجية كذلك. وتعمل في النطاق المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي أسهل وأكثر أماناً.
وسوف محاكاة نموذج أكثر دقة الأطياف الحيود أكثر واقعية في المستقبل. قد يتضمن نموذج مستقبلي دودة التي يمكن تغيير التوجهات، التي لن تؤثر على مواقع الترددات ولكن مرتفعات الذروة النسبية. يسمح نموذج أكثر واقعية لتوزيع احتمالي لسحق الترددات، التي من شأنها أن توسع على قمم كما هو الحال في البيانات التجريبية. وستمثل حيز في ترددات الاختلافات في ترددات سحق.
شكل دودة الحالي النفط الخام، خاصة في منطقة الرأس والذيل، الذي ينبغي أن يكون مدبب أكثر مما في الطراز الحالي. قد يكون من المثير للاهتمام أن إجراء تحليل مفصل للسلسلة الزمنية للإشارات نظراً لأنها يمكن أن تعطي أدلة حول الطابع المعقد للحركة في طفرات مختلفة.
يجدر النظر في إمكانية التطبيق العملي لتوسيع نطاق هذا الأسلوب في وصف الديدان الخيطية متعددة في وقت واحد. ينبغي أن يفهم هذا الأسلوب كطريقة مكملة للطرق القائمة باستخدام المجاهر التقليدية. يحتوي هذا الأسلوب ميزة في عدم اشتراط مجهر خلال–الحصول على البيانات حيث أن الدودة يمكن الخروج من الطائرة التنسيق. تظهر اختلافات واضحة في الحركة دودة أطياف التردد المتوسط ويمكن قياسها كمياً بقمم التردد السائدة، وهو أسلوب رواية في التحديد الكمي لانتقال الفيروس المتنقل. تحليل بيانات التواقيع حيود في مزيد من التنمية ونأمل أن تؤدي إلى عملية تحديد هوية الآلي عدة طفرات والأفراد.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونحن نشكر خوان فاسكيز لإسهاماته الحسابية مع هذا المشروع. ونحن ممتنون للدعم لكلية فاسار الجامعية البحثية الصيفية معهد (URSI)، وصندوق البحوث السلمون ماينارد لوسي وجبهة الخلاص الوطني جائزة رقم 1058385.
Materials
| Tunable Helium-Neon laser | Research Electro-Optics | 30602 | Four wavelengths can be selected between 543 nm and 633 nm. |
| 2 Front Surface Aluminum Mirrors | Thorlabs | PF10-03-F01 | |
| Photodiode: SI Amplified Detector | Thorlabs | PDA 100A | |
| Quartz Cuvette | Starna Cells | 21/G/5 | Plastic cells may be used as well. |
| MatLab (Software) | MathWorks | R2016b (9.1.0.441655) | Use the fft command to simulate diffraction |
| Excel | Microsoft | 14.7.1 | Used for data analysis of Fig. 4 |
| Caenorhabditis elegans Roller | University of Minnesota Caenorhabditis elegans Center (CGC) | Strain: OH7547 Genotype: otIs199. |
https://cbs.umn.edu/cgc/home |
| Caenorhabditis elegans Wild Type | University of Minnesota Caenorhabditis elegans Center (CGC) | Strain:N2 Genotype: C. elegans wild isolate | https://cbs.umn.edu/cgc/home |
References
- Magnes, J., et al. Analysis of Freely Swimming C. elegans Using Laser Diffraction. Open J. Biophys. 2, 101-107 (2012).
- Magnes, J., Raley-Susman, K. M., Eells, R. Quantitative Locomotion Study of Freely Swimming Micro-organisms Using Laser Diffraction. J. Vis. Exp. (68), (2012).
- James, J. F. . A Student’s Guide to Fourier Transforms with Applications in Physics and Engineering. , (1995).
- Korta, J., Clark, D. A., Gabel, C. V., Mahadevan, L., Samuel, A. D. T. Mechanosensation and mechanical load modulate the locomotory gait of swimming C. elegans. J. Exp. Biol. 210, (2007).
- Martin-Garcia, J. M., Conrad, C. E., Coe, J., Roy-Chowdhury, S., Fromme, P. Serial femtosecond crystallography: A revolution in structural biology. Arch. Biochem. Biophys. 602, 32-47 (2016).
- Thibault, P., Rankenburg, I. C. Optical diffraction microscopy in a teaching laboratory. Amer. J. Phys. 75 (9), 827-832 (2007).
- Miao, J., Ishikawa, T., Anderson, E. H., Hodgson, K. O. Phase retrieval of diffraction patterns from non crystalline samples using the oversampling method. Phys. Rev. B. 67, 174104 (2003).
- Zhang, Y. P., Zhang, J. Q., Xu, W. Method for eliminating zero-order diffraction in lensless Fourier transform digital holography. Optik – International Journal for Light and Electron Optics. 124 (21), 4873-4875 (2013).
- Brody, A. H., Chou, E., Gray, J. M., Pokrywka, N. J., Raley-Susman, K. M. Mancozeb-induced behavioral deficits precede structural neural degeneration. NeuroToxicology. 34, 74-81 (2013).
- Stiernagle, T. Maintenance of C. elegans. WormBook. , (2006).
- Dasalukunte, D., Öwall, V., Rusek, F., Anderson, J. B. . Faster than Nyquist Signaling. Algorithms to Silicon. , (2014).
- Edwards, S. L., et al. A novel molecular solution for ultraviolet light detection in Caenorhabditis elegans. PLoS Biol. 6 (8), e198 (2008).
- Bilbao, A., Wajnryb, E., Vanapalli, S. A., Blawzdziewicz, J. Nematode Locomotion in Confined and Unconfined Fluids. Phys. Fluids. 25, 081902 (2013).
