На основе Фурье дифракции анализ Live Caenorhabditis elegans
Summary
Эта рукопись описывает как отличить различные нематод, с помощью подписи далекое поле дифракции. Мы сравниваем локомоции 139 дикого типа и 108 «ролик» C. elegans путем усреднения частоты, связанные с временной подпись дифракции Фраунгофера в одном месте с помощью непрерывная волна лазера.
Abstract
Эта рукопись описывает, как классифицировать нематод, с помощью временных далекое поле дифракции подписей. Один C. elegans приостанавливается в толще воды внутри Оптические кюветы. 632 Нм непрерывная волна HeNe лазер направляется через кювету с помощью передней поверхности зеркала. Значительное расстояние по крайней мере 20-30 см, путешествовал после того, как свет проходит через кювету обеспечивает полезный шаблон дифракции (Fraunhofer) дальнего поля. Дифракционная картина изменения в реальном времени как нематода плавает в лазерный луч. Фотодиода помещается-центр в дифракционной картины. Сигнал напряжения от фотодиода наблюдается в режиме реального времени и записаны с помощью цифровой осциллограф. Этот процесс повторяется для 139 дикого типа и 108 «ролик» C. elegans. Дикого типа червей экспонат шаблон быстрое колебание в растворе. «Ролик» червей имеют мутации в ключевой компонент кутикулы, что мешает гладкой локомоции. Интервалы времени, которые не являются свободными от насыщенности и бездействия, отбрасываются. Это практично делить каждый средний максимум для сравнения относительной интенсивности. Сигнал для каждого червь находится Фурье преобразован так, что возникает модель частоты для каждой червя. Сигнал для каждого типа червь усредняется. Усредненное спектров Фурье для дикого типа и «ролик» C. elegans совершенно разные и показывают, что динамический червь формы двух различных червь штаммов можно выделить с помощью анализ Фурье. Спектров Фурье каждого штамма червь матч приблизительную модель, используя две разные двоичные червь фигур, которые соответствуют опорно моменты. Конверт усредненной распределение частот для фактических и моделируется червей подтверждает, что модель соответствует данным. Этот метод может служить в качестве базовых для Фурье-анализ для многих видов микроскопических, каждый микроорганизм будет иметь свой уникальный спектр Фурье.
Introduction
Этот метод сравнивает экспериментальных и моделируется частотные спектры локомоции C. elegans с использованием двух штаммов с весьма различными узорами опорно-двигательного аппарата. Результаты показывают, что спектр частот зависит от временных изменений как нематода плавает в толще воды, чтобы очистить микроскопических изображений не требуются для анализа. Этот метод позволяет для количественного анализа в реальном времени и предоставляет дополнительную информацию для изображения/видео, полученные с традиционными микроскопы. Дифракция Фраунгофера, также называемый далекое поле дифракции, обеспечивает основу для получения живой дифракции данных1,2. Интенсивность света в любой одной точке дифракционной картины является результатом наложения свет от каждой точки в набросках нематоды3. В результате интенсивность света, собранные за время несет информацию о локомоции нематода. Анализируя сигнал время зависимых дифракции может идентифицировать характерные движения соответствующего мутанта после анализа всех частот, участвующих в локомоции дополняет традиционный анализ видео. В этом случае характерные отличия между локомоции «ролик» и дикого типа C. elegans подтверждаются, сравнивая частотные спектры двух различных штаммов нематод.
Некоторые предыдущие характеристики были подтверждены с помощью частотного анализа дифракции сигналов, таких как плавание частот2,4. Что еще более важно этот метод может использоваться как дополнительный метод традиционной микроскопии наблюдать передвижения в режиме реального времени на экране компьютера, как данные собираются. Частотный спектр червей с собственный опорно модели может быть определена количественно, рассматривая что Фурье преобразование сигнала сигнала дифракции.
Междисциплинарный характер на основе Фурье дифракции в этой работе включает в себя поля биологии и физики. Дифракции на основании выборки уже давно используется для изучения структуры кристалла в биологии5 и других областях. В этом эксперименте однако, передискретизации6,7 создает дальнего поля дифракционной картины, так что организм центрируется в лазерный луч. Передискретизация обычно используется для визуализации объектив менее8 в сочетании с фазы алгоритм поиска, который реконструирует изображение исходного объекта. Фазы поиска трудно добиться, когда рассеиватели присутствуют, равно как и в случае с нематода. Височной дифракции подпись является достаточно для оценки ключевых частоты движения червя. Этот метод менее вычислительно налогообложения и обеспечивает оптический способ количественно локомоции. Этот метод может быть легко адаптирован для анализа мутаций или экологических условий, которые изменяют поведение.
Protocol
Representative Results
Discussion
Включая участки данных с инертностью будут исказить результаты, так как искусственные низких частот будет усредняться в результаты. Насыщая фотодиода могут быть признаны плоские вершины или «отрезать» пиков в исходных данных. Разделив каждый сырой набор данных на пиковых значений силы поможет с учета колебаний интенсивности лазера.
Пик частоты являются показателем общего обмолота частоты; Однако сложные движения вызывает помехи на частотах, бить в дифракционной картины и должны быть тщательно изучены.
Этот метод может использоваться для изучения передвижения других нематод. Окружающей среды могут быть изменены на другой носитель. Также могут быть изменены длин волн. Работа в видимом диапазоне электромагнитного спектра, простой и безопасный.
Более изысканные модели будет имитировать дифракционные спектры более реалистично в будущем. Модель будущего может включать червь, который может изменить ориентации, которые бы не влияет на местах частоты, но пик относительной высоты. Более реалистичная модель позволит вероятностные распределения частот обмолота, которые расширят вершины как в экспериментальных данных. Распространение в частоты будет учитывать колебания частоты обмолота.
Текущий червь формы сырой нефти, особенно в регионе head и tail, которые должны быть более конические, чем в текущей модели. Это может быть интересно провести подробный анализ временных рядов сигнала, так как он может дать ключи о сложности передвижения в различных мутантов.
Стоит рассмотреть целесообразность расширения этой техники в характеристике множественные нематоды одновременно. Этот метод следует понимать как дополнительный метод для существующих методов, с помощью традиционных микроскопы. Этот метод имеет преимущество в не требующие микроскопом во время сбора данных, так что червь может перейти из плоскости фокуса. Усредненной частотные спектры показывают явные различия в червь движения и может быть определена количественно распространены частоты пиками, который является новый метод в количественном определении червь локомоции. Анализ данных подписей дифракции в дальнейшем развитии и мы надеемся, приведет к автоматической идентификации процесса нескольких мутантов и отдельных лиц.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим Хуана Васкез за его вычислительные вклад с этим проектом. Мы благодарны за поддержку Вассар Колледж Undergraduate исследований летний институт (URSI), Фонд исследований лосося Мейнард Люси и NSF премии № 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).
