מבוסס-פורייה עקיפה ניתוח של חיים Caenorhabditis elegans
Summary
כתב יד זה מתאר כיצד להבחין בין נמטודות שונים באמצעות שדה רחוק עקיפה חתימות. אנו משווים את ומכניקה של 139 108 “רולר” C. elegans וסוג הפרוע מאת ממוצע של תדרים המשוייך לחתימה עקיפה פראונהופר טמפורלית במקום אחד באמצעות לייזר מתמשך wave.
Abstract
כתב יד זה מתאר כיצד לסווג נמטודות השימוש בחתימות עקיפה שדה רחוק טמפורלית. . יחיד C. elegans מושהה בעמודת המים בתוך cuvette אופטי. Nm 632 לייזר מתמשך wave הנה מכוונת דרך cuvette באמצעות מראות המשטח הקדמי. מרחק משמעותי של 20-30 ס מ לפחות נסע אחרי האור עובר דרך cuvette מבטיחה תבנית עקיפה שימושי רחוק-שדה (פראונהופר). השינויים תבנית עקיפה בזמן אמת כמו תולעים נימיות שוחה בתוך קרן הלייזר. פוטודיודה ממוקם מחוץ למרכז התבנית עקיפה. האיתות מתח פוטודיודה נצפית בזמן אמת והקליט באמצעות אוסצילוסקופ דיגיטלי. תהליך זה חוזר על עצמו עבור סוג הפרוע 139 ו- 108 “רולר” C. elegans. תולעים פראי סוג התערוכה דפוס תנודה מהירה בפתרון. התולעים “רולר” יש מוטציה במרכיב מרכזי של הקוטיקולה המפריע ומכניקה חלקה. מרווחי זמן לא חופשיים הרוויה ואת חוסר פעילות מתבטלים. זה מעשי לחלק כל ממוצע ב- המקסימאלית שלה כדי להשוות עוצמות היחסי. האות עבור כל תולעת היא שפורייה הפך כך התבנית תדירות עבור כל תולעת מתגלה. האות עבור כל סוג של תולעת הוא בממוצע. ספקטרום פורייה בממוצע עבור הסוג פרא ו- “רולר” C. elegans שונה במובהק, לחשוף את הצורות תולעת דינמי של זנים שונים תולעת שני ניתן להבחין באמצעות אנליזת פורייה. ספקטרום פורייה של כל זן תולעת תואם דגם משוער באמצעות שתי צורות תולעת בינאריים שונים התואמים רגעים locomotory. המעטפה של ההתפלגות תדירות בממוצע עבור תולעים בפועל, מעוצבת מאשר שהמודל תואם את הנתונים… בשיטה זו יכול לשמש בסיס עבור אנליזת פורייה עבור מינים רבים מיקרוסקופיים, כמו כל מיקרואורגניזם יש ספקטרום פורייה הייחודי שלה.
Introduction
שיטה זו משווה ניסיוני ותדירות modeled ספקטרה ומכניקה של C. elegans באמצעות שני זנים עם דפוסים שונים מאוד locomotory. התוצאות מציגות כי ספקטרום תדירות תלויה טמפורלית שינויים כמו תולעים נימיות שוחה בעמודת המים כך ברור מיקרוסקופיים תמונות לא נחוצים לצורך ניתוח. שיטה זו מאפשרת לניתוח כמותי בזמן אמת, מספק מידע משלים תמונות/סרטונים שהושג עם מיקרוסקופים מסורתיים. עקיפת פראונהופר, הנקראים גם שדות רחוק עקיפה, מספק את הבסיס עבור קבלת עקיפה בשידור חי-נתונים-1,–2. עוצמת האור בכל נקודה בודדת בתבנית עקיפה היא התוצאה של superimposing אור מכל נקודה בחלוקה לרמות של נמטודות3. כתוצאה מכך, עוצמת האור שנאספו לאורך זמן נושאת מידע אודות ומכניקה תולעים נימיות. ניתוח האות עקיפה תלויי-זמן יכול לזהות את התנועה האופייניות של המוטציה המתאימים מאז ניתוח כל התדרים מעורב גפיים משלים ניתוח וידאו מסורתיים. במקרה זה, ההבדלים האופיינית של גפיים של “רולר” לבין פראי סוג C. elegans מאושרות על-ידי השוואת ספקטרום תדירות של שני זנים שונים של תולעים נימיות.
כמה מאפיינים הקודם אושרו באמצעות ניתוח תדירות של עקיפה אותות כמו שחייה תדרים2,4. וחשוב מכך, שיטה זו יכול לשמש כשיטה המשלימה כדי מיקרוסקופ מסורתי להתבונן גפיים בזמן אמת על גבי מסך מחשב כמו הנתונים הנאספות. ניתן לכמת את ספקטרום תדירות של תולעים עם דפוסים ברורים locomotory על ידי שוקל שפורייה הפך אות לאות עקיפה.
מהות רב תחומיים מבוססי פורייה עקיפה בעבודה זו כרוכה בתחומי ביולוגיה ופיזיקה. עקיפה על ידי תחת דגימה שימש זמן לחקור מבנים קריסטל ביולוגיה5 ושדות אחרים. בניסוי זה, עם זאת, oversampling6,7 יוצר התבנית שדה רחוק עקיפה כך האורגניזם ממורכזת בתוך הקרן. Oversampling משמשת בדרך כלל עבור הדמיה עדשה-פחות8 בשילוב עם אלגוריתם אחזור שלב משחזר תמונה של האובייקט המקורי. אחזור שלב קשה להשיג כאשר קיימות scatterers כמו במקרה תולעים נימיות. החתימה עקיפה טמפורלית מספיקה כדי להעריך את התדרים מפתח של התנועה תולעת. שיטה זו נמצאת פחות שהמפתחות מפרכת, מספק דרך אופטי לכמת ומכניקה. טכניקה זו יכול בקלות להיות מותאם לניתוח של מוטציות או תנאים סביבתיים לשנות התנהגות.
Protocol
Representative Results
Discussion
כולל מתיחות של נתונים עם חוסר פעילות להטות את התוצאות מאז מלאכותי תדרים נמוכים ייכללו בממוצע לתוך התוצאות. קולח פוטודיודה ניתן לזהות על ידי פסגות שטוח או ‘נכרת’ פסגות ההרים הנתונים הגולמיים. חילוק כל ערכת נתונים גולמיים בעוצמות שיא יעזור עם להתווכח על תנודות בעוצמת לייזר.
התדרים שיא הן אינדיקטור של הכולל ומתפתלת תדירות; עם זאת, תנועה מורכבת גורם הפרעות בתדרים היכו תבנית עקיפה, עליך להיבדק בקפידה.
בשיטה זו ניתן לחקור את ומכניקה של נמטודות אחרים. ניתן לשנות את הסביבה באמצעי אחר. אורכי גל עשוי להשתנות גם כן. עובד בטווח הנראה של הספקטרום האלקטרומגנטי הוא הקלה והבטוחה.
מודל מעודנת יותר יחקה ספקטרום עקיפה יותר מציאותי בעתיד. דוגמנית בעתיד עשויים לכלול תולעת שיכולים לשנות כיוונים, אשר לא ישפיע על מיקומים תדירות אבל השיא היחסי הגולן. מודל מציאותי יותר יאפשר עבור התפלגות הסתברותית בהלקאה תדרים, אשר ירחיב את הפסגות כמו המידע מהניסוי. בכפולה בתדרים היה חשבון וריאציות בתדרים thrashing.
הצורה תולעת הנוכחית היא גסה, במיוחד באזור ראש ולא זנב, שאמור להיות מחודדות יותר מאשר במודל הנוכחי. זה עשוי להיות מעניין לערוך ניתוח מפורט של סדרת הזמן של האות מאז זה יכול לתת רמזים על המורכבות של גפיים במוטציות שונות.
. זה שווה לשקול את המעשיות של הרחבת טכניקה זו אל תוך אפיון נמטודות מרובים בו-זמנית. חשוב להבין שיטה זו כשיטת משלימה לשיטות הקיימות באמצעות מיקרוסקופים מסורתיים. בשיטה זו יש יתרון ב לא דורש מיקרוסקופ במהלך רכישת הנתונים כך התולעת עשויים לנוע מהמטוס מוקד. ספקטרום תדירות בממוצע להראות הבדלים ברורים בתנועה תולעת ולא ניתן לכמת באמצעות הפסגות תדירות שכיחה, שיטה ב לכימות תולעת ומכניקה. ניתוח נתונים החתימות עקיפה נמצא להמשך פיתוח, בתקווה יוביל תהליך זיהוי אוטומטי של מספר מוטציות ויחידים.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים חואן וואסקז על תרומותיו חישובית עם הפרויקט הזה. אנחנו אסירי תודה על התמיכה של וואסר קולג לתואר ראשון מחקר הקיץ המכון (URSI), קרן מחקר לוסי סלמון מיינארד, את ה-NSF פרס מס 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).
