Um Caenorhabditis elegans (C. elegans) in der Omics-Forschung zu verwenden, wird eine Methode benötigt, um große Populationen von Würmern zu generieren, bei denen eine einzelne Probe plattformübergreifend für vergleichende Analysen gemessen werden kann. Hier wird eine Methode vorgestellt, um C. elegans Populationen auf großräumigen Kulturplatten (LSCPs) zu kulturieren und das Bevölkerungswachstum zu dokumentieren.
Caenorhabditis elegans (C. elegans) war und ist ein wertvoller Modellorganismus zur Untersuchung von Entwicklungsbiologie, Alterung, Neurobiologie und Genetik. Die umfangreiche Arbeit an C. elegans macht es zu einem idealen Kandidaten, um es in großpopulationige Ganztierstudien zu integrieren, um die komplexen biologischen Komponenten und ihre Beziehungen zu einem anderen Organismus zu sezieren. Um C. elegans in der kollaborativen -Omics-Forschung zu verwenden, wird eine Methode benötigt, um große Populationen von Tieren zu generieren, bei denen eine einzelne Probe auf verschiedene Plattformen für vergleichende Analysen aufgeteilt und analysiert werden kann.
Hier wird eine Methode zur Kultur und Sammlung einer reichlich vorhandenen C. elegans-Population im Mischstadium auf einer großräumigen Kulturplatte (LSCP) und anschließenden phänotypischen Daten vorgestellt. Diese Pipeline liefert eine ausreichende Anzahl von Tieren, um phänotypische und Populationsdaten zu sammeln, zusammen mit allen Daten, die für -Omics-Experimente benötigt werden (d. H. Genomik, Transkriptomik, Proteomik und Metabolomik). Darüber hinaus erfordert die LSCP-Methode eine minimale Manipulation der Tiere selbst, weniger Vorbereitungszeit für den Benutzer, bietet eine strenge Umweltkontrolle und stellt sicher, dass die Handhabung jeder Probe während der gesamten Studie konsistent ist, um die Reproduzierbarkeit insgesamt zu gewährleisten. Schließlich werden Methoden zur Dokumentation der Populationsgröße und Populationsverteilung von C. elegans Lebensstadien in einem gegebenen LSCP vorgestellt.
C. elegans ist ein kleiner freilebender Fadenwurm, der auf der ganzen Welt in einer Vielzahl von natürlichen Lebensräumen vorkommt1. Seine relative Leichtigkeit des Wachstums, schnelle Generationszeit, Reproduktionssystem und transparenter Körper machen es zu einem leistungsstarken Modellorganismus, der in entwicklungsbiologischer, alternder, neurobiologischer und genetik weit verbreiteter2,3untersucht wurde. Die umfangreichen Arbeiten zu C. elegans machen es zu einem Hauptkandidaten für -omics-Studien, um Phänotypen umfassend mit komplexen biologischen Komponenten und ihren Beziehungen in einem bestimmten Organismus zu verknüpfen.
Um C. elegans in der kollaborativen -Omics-Forschung zu verwenden, wird eine Methode benötigt, um große gemischtstufige Populationen von Tieren zu generieren, bei denen eine einzelne Probe aufgeteilt und über verschiedene Plattformen und Instrumente für vergleichende Analysen verwendet werden kann. Die Erstellung einer Pipeline zur Generierung einer solchen Stichprobe erfordert ein ausgeprägtes Bewusstsein für Ernährung, Umwelt, Stress, Bevölkerungsstruktur sowie Probenhandhabung und -sammlung. Daher ist es entscheidend, standardisierte und reproduzierbare Kultivierungsbedingungen in große Rohrleitungen zu integrieren. In der Forschung von C. elegans werden zwei traditionelle Methoden verwendet, um Würmer zu züchten – Agar-Petrischalen und Flüssigenkultur4.
Historisch gesehen, wenn große Mengen von C. elegans benötigt werden, werden sie in flüssiger Kultur angebaut4. Die Schritte, die an der Erzeugung einer großen Population von Würmern in flüssiger Kultur beteiligt sind, erfordern mehrere Handhabungsschritte, die oft eine Bleichsynchronisation beinhalten, um gravidierte erwachsene Nagelhaut zu reißen und Embryonen freizusetzen, um die gewünschte Populationsgröße zu erreichen. Wenn jedoch Bleichsynchronisation verwendet wird, hängt das Bevölkerungswachstum von der Größe der Beginnenden Volkszählung ab und wirkt sich daher auf das nachfolgende Wachstum und die Bevölkerungszahlen aus. Darüber hinaus variieren C. elegans-Stämme in ihrer Nagelhautempfindlichkeit, Expositionszeit und Stressreaktion auf Bleichmittelsynchronisation, was es schwierigmacht,viele Stämme gleichzeitig zu bestimmen5,6,7,8,9.
Darüber hinaus erfordert das Wurmwachstum in flüssiger Kultur ein paar Transferschritte, da es oft empfohlen wird, vor der Ernte nur eine Generation von Würmern anzubauen, da eine Überfüllung leicht auftreten kann, wenn sie über mehrere Generationen angebaut wird und trotz der Anwesenheit von Nahrung zu einer dauerhaften Bildung führt10. Dauerbildung erfolgt durch kleine Signalmoleküle wie Ascaroside, oft als “Dauerpheromone” bezeichnet11,12,13,14, werden in flüssige Medien freigesetzt und beeinflussen das Wachstum der Bevölkerung. Darüber hinaus führt das Wachstum großer Wurmpopulationen in flüssiger Kultur zu einer übermäßigen Bakterienansammlung in der Kultur, was zu Schwierigkeiten führt, wenn eine saubere Probe für nachgeschaltete phänotypische Assays benötigt wird. Schließlich, wenn eine flüssige Kultur kontaminiert wird, ist es schwieriger zu erhalten, da Pilzsporen oder Bakterienzellen leicht in den Medien verteilt werden15.
Die andere traditionelle Methode des Anbaus von C. elegans ist auf Agar Petrischalen. Kommerziell erhältliche Petrischalen ermöglichen es, problemlos mehrere Generationen von Würmern im gemischten Stadium zu züchten, ohne die schnellen Auswirkungen von Überfüllung und hoher Dauerbildung, wie sie in flüssigen Kulturen beobachtet werden. Ein Nachteil des Wurmwachstums auf herkömmlichen Agar-Petrischalen ist jedoch, dass die größte kommerziell erhältliche Petrischale keine großen Wurmpopulationen für eine -omics-Studie liefert, ohne einen Bleichmittelsynchronisationsschritt hinzuzufügen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kultivierung von Populationen von C. elegans im gemischten Stadium auf Agar-Petrischalen besser geeignet ist, um -omics-Daten zu sammeln, aber wir benötigten eine Methode, um sehr große Populationsgrößen ohne flüssige Kultivierung zu erzeugen.
Hier stellen wir eine Methode vor, um große C. elegans-Populationen im gemischten Stadium auf großräumigen Kulturplatten (LSCP) zu kulturieren und zu sammeln. Das Sammeln von Proben durch diese Pipeline liefert genügend Proben, um phänotypische und Populationsdaten zu sammeln, zusammen mit allen Daten, die für -Omics-Experimente benötigt werden(z. B.Genomik, Transkriptomik, Proteomik und Metabolomik). Darüber hinaus erfordert die LSCP-Methode eine minimale Manipulation der Tiere, weniger Vorbereitungszeit für den Benutzer, bietet eine strenge Umweltkontrolle und stellt sicher, dass die Handhabung jeder Probe während der gesamten Studie konsistent ist, um die Reproduzierbarkeit insgesamt zu gewährleisten.
Eine Vielzahl von Gefäßen kann als LSCP verwendet werden. In diesem Protokoll wurde eine Standard-Glasbackform verwendet. Die verwendeten LSPCs hatten Außenmaße von 35,56 x 20,32 cm, Innenmaße von 27,94 x 17,78 cm und ca. 4,45 cm Tiefe und wurden mit einem eingebauten Deckel geliefert. Daher wurde die Menge der hier verwendeten Bakterien für ein LSCP mit den oben genannten Abmessungen optimiert, um eine große Population von Mischwurmen zu erhalten. Bakterienvolumen und -konzentration können an die experimentellen Bedürfnisse angepasst werden.
Eine Kontamination durch Schimmelpilze, Pilze oder andere Bakterienquellen kann bei jedem Schritt der LSCP-Methode auftreten, also behandeln Sie proben mit Vorsicht. Bevor Sie mit einem Schritt im Protokoll beginnen, stellen Sie sicher, dass der Arbeitsbereich mit 70% Ethanol und 10% Bleichmittel gereinigt wird. Falls verfügbar, behandeln Sie gebrauchte Bereiche 30 Minuten lang mit UV-Licht und schalten Sie 30 Minuten vor Beginn jedes Schritts einen HEPA-Luftfilter ein.
Durch den Anbau des LSCP in einer kontrollierten Umgebung(d. h.in einem CT-Raum bei 20 °C) kann der Benutzer das Wachstum der Probe leichter verfolgen und eine mögliche Kontamination dokumentieren. Wenn die Oberfläche des LSCP kontaminiert wird, schneiden Sie entweder die Kontamination nach Möglichkeit aus und lassen Sie die Probe weiter wachsen oder entsorgen Sie die Probe, wenn die Kontamination nicht kontrolliert werden kann. Es ist unerlässlich, die Kontamination schnell anzugehen, um unerwünschtes Wachstum zu reduzieren und sicherzustellen, dass es nicht mit Würmern um Ressourcen übertrifft.
Diese Methode ist für diejenigen gedacht, die großflächige Mischkulturen von C. elegans anbauen möchten. Obwohl es möglich sein könnte, synchronisierte Populationen von Würmern auf dem LSCP zu züchten, wie es auf kommerziell erhältlichen Petrischalen und in flüssiger Kultur der Fall ist, haben die Autoren diese Option nicht getestet. Wenn Benutzer in einer bestimmten Stichprobe durchschnittlich mehr als etwa 2,4 Millionen Würmer züchten möchten, wird eine andere Methode empfohlen4. Der Wachstumserfolg hängt von der Sorte ab, die in der Pipeline verarbeitet wird. Die Autoren konnten erfolgreich Populationen von etwa 2,4 Millionen Würmern in mindestens fünf biologischen Replikaten von 15 C. elegans-Stämmen züchten, was darauf hindeutet, dass die Methode robust ist.
Bevor Sie mit dem Experiment beginnen, beachten Sie, dass das Alter und die Gesundheit eines bestimmten Wurms die Fruchtbarkeit und die anschließende Populationswachstumszeit beeinflussen können. Stellen Sie sicher, dass Würmer unter gesunden Bedingungen mit minimalem Stress gehalten werden, bevor sie in dieser Pipeline verwendet werden. Es wird davon ausgegangen, dass Stammproben erstellt, eingefroren und bei -80 °C gehalten wurden, um die genetische Drift im Laufe der Zeit zu reduzieren.
Abhängig von den Bedürfnissen eines bestimmten Experiments kann die Anzahl der beginnenden graviden Erwachsenen auf einem LSCP geändert werden. Die Änderung der Anzahl der beginnenden graviden Erwachsenen auf dem LSCP wird die Wachstumsrate und damit die Zeit bis zur Ernte verändern. Fünf gravidierte Erwachsene werden verwendet, um jeden LSCP aus folgenden Gründen zu säen: (1) Eine einfache, schnelle und effiziente Möglichkeit, viele C. elegans-Stämme gleichzeitig auf LSCPs zu säen, war erforderlich und (2) um die Altersunterschiede zwischen den ausgewählten graviden Erwachsenen zu reduzieren, die zu der Wachstumsheterogenität führen könnten.
Diese Methode ermöglicht es dem Benutzer, große Populationen von Würmern mit allen Lebenszyklusstadien zu ernten. Mit den derzeit verfügbaren Methoden erfordert das Sammeln von großräumigen Proben von C. elegans eine Bleichsynchronisation, um die Anzahl der Würmer zu erhalten, die für nachgelagerte Arbeiten gewünscht werden. Mit diesem Ansatz kann man jetzt so viele Würmer wie bisher in Fermentern oder großen Flüssigkulturen züchten, ohne die Schwierigkeiten, die mit der Bleichmittelsynchronisation und mehreren Handhabungsschritten verbunden sind. Unser Protokoll ermöglicht es, Stämme von Interesse effizient anzusprechen, minimale Handhabungszeit für das Wachstum der Probe selbst zu verwenden und Stadien von Würmern oder der Population nach Bedarf in nachgelagerten Pipelines zu isolieren.
Ein LPFC wurde als Werkzeug verwendet, um die Populationsverteilung und -größe in einem bestimmten LSCP zu dokumentieren. Das verwendete LPFC ist ein kontinuierliches Durchflusssystem, das Würmer basierend auf ihrer Größe (TOF) und optischen Dichte analysiert, sortiert und dosiert. Wenn ein bestimmter Wurm die Durchflusszelle passiert, erfasst der axiale Lichtverlustdetektor die Menge an Signallicht, die von einem 488-nm-Festkörperlaser blockiert wird, für die Dauer, die ein Wurm benötigt, um durchzufahren, und gibt dem Benutzer die TOF und optische Dichte des Wurms. Fluoreszenzsammeloptiken und -detektoren können auch verwendet werden, um die Fluoreszenzempfindlichkeit und -sammlung an jeder Probe zu maximieren. LpFC-Sammlungsparameter variieren je nach Instrument. Benutzer können eine Vielzahl von Plattformen verwenden, um die Wurmgröße zu erfassen, und sind nicht auf die Verwendung dieses Protokolls beschränkt, wenn kein LPFC verfügbar ist.
Die Autoren verwenden Proben, die in der hier beschriebenen Methode gezüchtet wurden, um unbekannte Metaboliten in verschiedenen Stämmen von C. elegans mittels Flüssigkeitschromatographie – Massenspektrometrie, NMR-Spektroskopie und RNA-Sequenzierung – zu identifizieren. Die Autoren planen, diese Methode weiterhin für das Wachstum von Proben in dieser Pipeline mit einer Vielzahl von C. elegans-Stämmen zu verwenden, da neue Stämme von Interesse mit dieser Pipeline leicht verarbeitet werden können.
The authors have nothing to disclose.
Wir danken den Mitgliedern des Edison Lab für hilfreiche Diskussionen und Rückmeldungen zu diesem Manuskript; insbesondere B.M. Garcia. Einige Stämme wurden vom CGC zur Verfügung gestellt, das vom NIH Office of Research Infrastructure Programs (P40 OD010440) finanziert wird, und ceNDR, das von NSF Living Collections CSBR 1930382 finanziert wird. Diese Arbeit wurde durch ein Stipendium des NIH (U2CES030167) unterstützt.
10 mL Sterile Serological Pipettes | VWR | 89130-898 | |
10 ul pipette tips | VWR | 89079-438 | |
100 ul pipette tips | VWR | 89079-442 | |
1000 mL Graduated Cylinder | VWR | 10124-380 | |
1000 ul pipette tips | VWR | 89079-488 | |
15 mL conical tubes | VWR | 89039-668 | |
190 Proof Ethanol | VWR | 89125-166 | |
2 L Wide Neck Erlenmeyer Flask | VWR | 75804-654 | |
50 mL conical tubes | VWR | 75874-294 | |
Agar | Sigma | 05040-100G | |
Agarose | Sigma | A9539-500G | |
BVC Control G Fluid Aspiration System | Vacuubrand | ||
Calcium Chloride | Sigma | 449709-10G | |
Cholesterol | Sigma | C3045-25G | |
Clorox Bleach | VWR | 89414-502 | |
Conviron Control Temperature Room | Conviron | https://www.conviron.com/environmental-rooms | |
Corning Low Volume 384 Well Black with Clear Flat Bottom Polystyrene TC-Treated Microplate | VWR | 89089-866 | |
Fisher Scientific Accuspin 3R | Fisher | ||
Flat-Bottom 24-Well Plate | VWR | 29443-952 | |
Honeywell True HEPA Purifier 465 sq ft. | Home Depot | 204390560 | |
HT115 E. coli (DE3) | CGC | HT115(DE3) | https://cgc.umn.edu/strain/HT115(DE3) |
Kimwipes | VWR | 470224-038 | |
Large Scale Culture Plate (LSCP) | Pyrex | 1090948 | Pyrex 2-quart Glass Baking Dish with Red Lid |
Magnesium Sulfate | Sigma | C86677-25G | |
MgSO4 | VWR | 97062-998 | |
Microscope Plain Slides | VWR | 16004-422 | |
Millipore Filter | Millipore | 1.11727.2500 | |
Molecular Devices ImageXpress | Molecular Devices | Model Number:IXMConfocal | https://www.moleculardevices.com/products/cellular-imaging-systems/high-content-imaging/imagexpress-micro-confocal#gref , Authors used MetaXpress Software Version 6.5.4.532 |
Nystatin (10mg/mL) | Sigma | N6261-25MU | |
Peptone | Sigma | P7750-100G | |
Petri Dishes (6 cm) | VWR | 25384-092 | |
Pipette Controller | VWR | 613-4180 | |
Potassium Chloride | Fisher | P217-3 | |
Potassium Phosphate Monobasic | VWR | 0781-500G | |
Potasssium Hydroxide | Fisher | P250-500 | |
Red Fluroscent Microspheres | Polysciences | 19507-5 | |
Sodium Chloride | Sigma | 746398-500G | |
Sodium Hydroxide | Fisher | 111357 | |
Sodium Phosphate Dibasic Anhydrous | Fisher | BP332-500 | |
Standard Gilson Pipette Set | Gilson | FA10002M, FA10004M, FA10006M | |
Streptomycin (100mg/mL) | Sigma | S6501-25G | |
Union Biometrica COPAS BioSorter | Union Biometrica | https://www.unionbio.com/biosorter/ , authors used: Flow Pilot software version 1.6.1.3. |