Kırınım Analizi hayatın Caenorhabditis elegans Fourier tabanlı
Summary
Bu makale farklı nematodlar uzakta-tarla kırınım imza kullanma ayırmak nasıl açıklar. Biz hareket 139 vahşi türü ve 108 “Roller” C. elegans frekansları sürekli dalga bir lazer kullanarak tek bir yerde geçici Fraunhofer bükülmesi imzayla ilişkili sayı ortalaması alınarak karşılaştırın.
Abstract
Bu el yazması nematodlar zamansal uzakta-tarla kırınım imza kullanma sınıflandırmak açıklar. Tek C. elegans su sütunu bir optik küvet içinde bekletilir. 632 nm sürekli dalga Helene lazer açık yüzey aynalar kullanarak küvet yönlendirilir. Önemli bir mesafe en az 20-30 cm küvet ışık geçtikten sonra seyahat bir yararlı uzakta-tarla (Fraunhofer) kırınım deseni sağlar. Kırınım deseni değişiklikleri gerçek zamanlı olarak Yuvarlak solucanlar lazer ışını içinde yüzüyor. Fotodiyot Merkezi kapalı kırınım deseni içinde yer alıyor. Fotodiyot voltaj sinyalini gerçek zamanlı olarak görülmektedir ve dijital osiloskop kullanarak kaydedilen. Bu işlem 139 vahşi türü ve 108 “roller” C. elegansiçin yinelenir. Vahşi türü solucanlar çözüm hızlı salınım desende sergi. “Roller” solucanlar ile düzgün hareket engelleyen kütikül önemli bir bileşeni bir mutasyon var. Doygunluk ve hareketsizlik ücretsiz değildir zaman aralıkları atılır. Her ortalama göreli yoğunluklarda karşılaştırmak için maksimum tarafından bölmek pratiktir. Her solucan için dönüştürülmüş Fourier frekans desen her solucan için ortaya çıkıyor böylece sinyaldir. Sinyal solucan her türü için ortalama. Vahşi türü ve “roller” C. elegans için ortalama Fourier spectra belirgin farklı ve dinamik solucan şekillerin iki farklı solucan suşlarının Fourier analizi ile seçkin ortaya koyuyor. Fourier spectra her solucan baskı locomotory anları için karşılık gelen iki farklı ikili solucan şekilleri kullanarak yaklaşık bir modeli aynı. Ortalama frekans dağılımı gerçek ve modellenmiş solucanlar için zarf modeli eşleşen verileri doğruluyor. Her mikroorganizma kendi benzersiz Fourier spektrum olacak gibi bu yöntem birçok mikroskobik türler için Fourier analizi için bir temel olarak hizmet verebilir.
Introduction
Bu yöntem iki suşları ile çok farklı locomotory desen kullanarak C. elegans gezisidir deneysel ve modellenmiş frekans spectra karşılaştırır. Sonuçlar net mikroskobik görüntüleri analiz için gerekli değildir böylece su sütununda Yuvarlak solucanlar yüzer gibi frekans spektrumu geçici değişiklikler üzerinde bağlıdır gösterir. Bu yöntem için nicel gerçek zamanlı analiz sağlar ve fotoğraf/videoları ile geleneksel mikroskoplar elde tamamlayıcı bilgiler sağlar. Fraunhofer bükülmesi, uzakta-tarla kırınım, olarak da adlandırılan canlı kırınım veri1,2almak için temel sağlar. Kırınım deseni herhangi bir tek noktada ışık şiddeti nematodunun3ana hatları her noktasına gelen ışık superimposing sonucudur. Sonuç olarak, zaman içinde toplanan ışık şiddeti Yuvarlak solucanlar hareket hakkında bilgi taşır. Hareket içinde yer alan tüm frekanslarda analiz geleneksel video analiz tamamlar bu yana saat-bağımlı kırınım sinyal analiz karşılık gelen mutant karakteristik hareket tanımlayabilirsiniz. Bu durumda, “roller” hareket ve vahşi türü C. elegans karakteristik farklılıkları Yuvarlak solucanlar iki farklı soyu frekans spectra karşılaştırarak onaylanır.
Önceki bazı özellikleri frekans analizi kırınım sinyallerin frekansları2,4yüzme gibi kullanarak teyit edilmiştir. Daha da önemlisi, bu yöntem geleneksel mikroskopi için tamamlayıcı bir yöntem olarak hareket bir bilgisayar ekranında gerçek zamanlı verilerin toplanmakta olan olarak gözlemlemek için kullanılabilir. Frekans spektrumu Worms ayrı locomotory desenleri ile sinyal kırınım sinyal Fourier dönüşüm göz önünde bulundurarak sayılabilir.
Fourier tabanlı kırınım bu çalışmada multidisipliner doğa Biyoloji ve fizik alanlarında içerir. Örnekleme altında tarafından kırınım uzun kristal yapıları Biyoloji5 ve diğer alanları araştırmak için kullanılmıştır. Organizma lazer ışını ortalanacak şekilde bu deneyde, ancak,6,7 oversampling uzakta-tarla kırınım deseni oluşturur. Deπiµtirebilme genellikle objektif-az görüntüleme8 orijinal nesnenin görüntüsünü yeniden yapılandırır bir faz alma algoritması ile birlikte kullanılır. Faz alma bir yuvarlak solucanlar modelinde olduğu gibi scatterers bulunduğunda elde etmek zordur. Zamansal kırınım imza solucan hareket anahtar frekansları değerlendirmek için yeterli olacaktır. Bu yöntem daha az hesaplama açısından vergi ve hareket ölçmek için optik bir yol sağlar. Bu teknik kolayca mutasyonlar veya davranış değiştirme çevre koşulları analiz için adapte olabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Beri yapay düşük frekanslar sonuçlara ortalama veri menziller hareketsizlik ile dahil sonuçları çarpık. Fotodiyot doyurarak düz tepeler veya “kes” tepeler ham veri olarak kabul edilebilir. Her ham veri kümesi tarafından en yüksek yoğunluklarda bölen lazer şiddeti dalgalanmalar için muhasebe ile yardımcı olacaktır.
En yüksek frekansları genel bir göstergesidir dayak frekansı; Ancak, karmaşık hareket girişim beat frekanslarda kırınım deseni neden olur ve dikkatli bir şekilde incelenmesi gerekir.
Bu yöntem diğer nematodlar gezisidir araştırmak için kullanılabilir. Çevre başka bir orta olarak değiştirilebilir. Dalga boyu de değiştirilebilir. Elektromanyetik spektrum görünür aralığında çalışma en kolay ve en güvenli olduğunu.
Daha rafine bir model kırınım spectra gelecekte daha gerçekçi benzetimini yapmak. Gelecekteki manken frekans yerlerde ama göreli tepe yükseklikleri etkilemeyeceği yönlendirmeleri değiştirebilirsiniz bir solucan içerebilir. Daha gerçekçi bir model doruklarına deneysel veriler gibi genişletmek dayak Frekanslar, olasılıkçı dağıtımı için izin verecek. Formaya frekanslarda dayak frekanslarda çeşitleri için hesap olacaktır.
Geçerli solucan geçerli modelde daha konik olması gereken özellikle kafa ve kuyruk bölgesinde, ham, şekildir. Bu farklı mutantlar gezisidir karmaşıklığı hakkında ipuçları verebilir beri sinyal zaman dizi ayrıntılı bir analizini yapmak ilginç olabilir.
Sanki aynı anda birden fazla nematodlar karakterize içine bu teknik genişletme pratiklik dikkate değer. Bu yöntem mevcut yöntemler geleneksel mikroskoplar kullanarak için tamamlayıcı bir yöntem olarak anlaşılmalıdır. Bu yöntem solucan odak düzlem dışında hareket edebilir böylece mikroskop veri toplama sırasında gerektirmeyen bir avantajı vardır. Solucan hareket miktarının içinde bir roman yöntemi olan ortalama frekans spectra solucan hareket net farklılıklar gösterir ve yaygın frekans doruklarına tarafından sayılabilir. Veri analizi kırınım imzaları daha fazla geliştirme ve umut verici bir biçimde birden fazla mutantlar ve bireyler için bir Otomatik tanımlama süreci yol açacaktır.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Juan Vasquez bu proje ile hesaplama yaptığı katkılarından dolayı teşekkür ediyoruz. Vassar Koleji lisans araştırma yaz Enstitüsü (URSI), Lucy Maynard somon Araştırma Fonu ve NSF Ödülü No 1058385 destek için sana şükrediyoruz.
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).
