Para utilizar Caenorhabditis elegans (C. elegans) en la investigación ómica, se necesita un método para generar grandes poblaciones de gusanos donde se pueda medir una sola muestra a través de plataformas para análisis comparativos. Aquí, un método para cultivar las poblaciones de C. elegans en placas de cultivo a gran escala (LSCPs) y para documentar el crecimiento de la población se presenta.
Caenorhabditis elegans (C. elegans) ha sido y sigue siendo un valioso organismo modelo para estudiar la biología del desarrollo, el envejecimiento, la neurobiología y la genética. El gran cuerpo de trabajo sobre C. elegans lo convierte en un candidato ideal para integrarse en estudios de grandes poblaciones, en animales enteros, para diseccionar los componentes biológicos complejos y sus relaciones con otro organismo. Con el fin de utilizar C. elegans en la investigación ómica colaborativa, se necesita un método para generar grandes poblaciones de animales donde una sola muestra puede ser dividida y ensayada a través de diversas plataformas para análisis comparativos.
Aquí, un método para cultivar y recoger una población abundante de los elegans de la C. de la mezclado-etapa en una placa de cultivo en grande (LSCP) y los datos fenotípicos subsecuentes se presentan. Esta tubería produce un número suficiente de animales para recopilar datos fenotípicos y de población, junto con cualquier dato necesario para los experimentos -ómicos (es decir, genómica, transcriptómica, proteómica y metabolómica). Además, el método LSCP requiere una manipulación mínima de los propios animales, menos tiempo de preparación del usuario, proporciona un control ambiental estricto y garantiza que el manejo de cada muestra sea consistente a lo largo del estudio para la reproducibilidad general. Por último, se presentan métodos para documentar el tamaño de la población y la distribución de la población de las etapas de la vida de C. elegans en un LSCP dado.
C. elegans es un pequeño nematodo de vida libre que se encuentra en todo el mundo en una variedad de hábitats naturales1. Su relativa facilidad de crecimiento, el rápido tiempo de generación, el sistema de reproducción y el cuerpo transparente lo convierten en un poderoso organismo modelo que ha sido ampliamente estudiado en biología del desarrollo, envejecimiento, neurobiología y genética2,3. El copioso trabajo sobre C. elegans lo convierte en un candidato principal para usar en estudios ómicos para vincular exhaustivamente los fenotipos con componentes biológicos complejos y sus relaciones en un organismo dado.
Para utilizar C. elegans en la investigación ómica colaborativa, se necesita un método para generar grandes poblaciones de animales en etapas mixtas donde una sola muestra se pueda dividir y utilizar en diversas plataformas e instrumentos para análisis comparativos. La creación de una canalización para generar una muestra de este tipo requiere un gran conocimiento de la dieta, el medio ambiente, el estrés, la estructura de la población y el manejo y la recolección de muestras. Por lo tanto, es crucial tener condiciones de cultivo estándar y reproducibles integradas en tuberías a gran escala. En la investigación de C. elegans, se utilizan dos métodos tradicionales para cultivar gusanos: placas de Petri de agar y cultivo líquido4.
Históricamente, cuando se necesitan grandes cantidades de C. elegans, se cultivan en cultivo líquido4. Los pasos involucrados en la generación de una gran población de gusanos en cultivo líquido requieren múltiples pasos de manejo que a menudo incluyen la sincronización de la lejía para romper las cutículas adultas grávidas, liberando embriones para lograr el tamaño de población deseado. Sin embargo, cuando se utiliza la sincronización de la lejía, el crecimiento de la población depende del tamaño inicial del censo y, por lo tanto, afecta el crecimiento posterior y los números de población. Además, las cepas de C. elegans varían en su sensibilidad a la cutícula, el tiempo de exposición y la respuesta de estrés a la sincronización de la lejía, lo que dificulta el ensayo de muchas cepas a la vez5,6,7,8,9.
Además, el crecimiento de gusanos en el cultivo de líquidos requiere un par de pasos de transferencia, ya que a menudo se recomienda cultivar solo una generación de gusanos antes de la cosecha porque el hacinamiento puede ocurrir fácilmente si se cultiva durante varias generaciones y conducir a la formación de dauer a pesar de la presencia de alimentos10. La formación de Dauer se produce a través de pequeñas moléculas de señalización como los ascarósidos, a menudo denominados “feromonas dauer”11,12,13,14,se liberan en medios líquidos y afectan el crecimiento de la población. Además, el crecimiento de grandes poblaciones de gusanos en cultivo líquido conduce a un exceso de acumulación de bacterias en el cultivo, creando dificultades cuando se necesita una muestra limpia para ensayos fenotípicos aguas abajo. Por último, cuando un cultivo líquido se contamina, es más difícil de mantener ya que las esporas fúngicas o las células bacterianas se dispersan fácilmente por todo el medio15.
El otro método tradicional de cultivo de C. elegans es en placas de Petri de agar. Las placas de Petri disponibles comercialmente permiten cultivar fácilmente múltiples generaciones de gusanos de etapa mixta sin los rápidos efectos del hacinamiento y la formación de altos dauer como se ve en los cultivos líquidos. Sin embargo, una desventaja para el crecimiento de gusanos en las placas de Petri de agar tradicional es que la placa de Petri más grande disponible comercialmente no produce grandes poblaciones de gusanos para un estudio -omics sin agregar un paso de sincronización de lejía. En resumen, el cultivo de poblaciones de etapa mixta de C. elegans en placas de Petri de agar es más adecuado para la recolección de datos ómicos, pero se requiere un método para generar tamaños de población muy grandes sin cultivo líquido.
Aquí, presentamos un método para cultivar y recolectar grandes poblaciones de C. elegans de etapa mixta en placas de cultivo a gran escala (LSCP). La recolección de muestras a través de esta tubería produce suficiente muestra para recopilar datos fenotípicos y de población, junto con cualquier dato necesario para los experimentos de -ómica(es decir,genómica, transcriptómica, proteómica y metabolómica). Además, el método LSCP requiere una manipulación mínima de los animales, menos tiempo de preparación del usuario, proporciona un control ambiental estricto y garantiza que el manejo de cada muestra sea consistente a lo largo del estudio para la reproducibilidad general.
Una variedad de recipientes se pueden utilizar como LSCP. En este protocolo, un plato de la hornada de cristal estándar fue utilizado. Los LSPCs en uso tenían dimensiones exteriores de 35,56 x 20,32 cm, dimensiones interiores de 27,94 x 17,78 cm, y aproximadamente 4,45 cm de profundidad y venían con una tapa ajustada. Por lo tanto, la cantidad de bacterias utilizadas aquí se ha optimizado para un LSCP con las dimensiones anteriores para producir una gran población de gusanos de etapa mixta. El volumen bacteriano y la concentración se pueden ajustar para adaptarse a las necesidades experimentales.
La contaminación por moho, hongos u otras fuentes bacterianas puede ocurrir en cualquier paso del método LSCP, así que maneje las muestras con cuidado. Antes de comenzar cualquier paso en el protocolo, asegúrese de que el espacio de trabajo se limpie con 70% de etanol y 10% de lejía. Si está disponible, trate las áreas usadas con luz UV durante 30 minutos y encienda un filtro de aire HEPA 30 minutos antes de comenzar cada paso.
Al cultivar el LSCP en un entorno controlado(es decir,en una sala de TC establecida a 20 °C), el usuario puede rastrear más fácilmente el crecimiento de la muestra y documentar la contaminación potencial. Si la superficie del LSCP se contamina, corte la contaminación cuando sea posible y deje que la muestra continúe creciendo o deseche la muestra si la contaminación no es posible controlar. Es imperativo abordar la contaminación rápidamente para reducir el crecimiento no deseado y para asegurarse de que no está superando a los gusanos en cuanto a recursos.
Este método está destinado a aquellos que quieren cultivar cultivos de poblaciones mixtas a gran escala de C. elegans. Aunque puede ser posible cultivar poblaciones sincronizadas de gusanos en el LSCP como se hace en placas de Petri disponibles en el mercado y en cultivo líquido, los autores no han probado esta opción. Además, si los usuarios desean cultivar más de aproximadamente 2,4 millones de gusanos en promedio en una muestra dada, se recomienda un método diferente4. El éxito del crecimiento depende de la cepa que se está procesando en la tubería. Los autores fueron capaces de cultivar con éxito poblaciones de aproximadamente 2,4 millones de gusanos en al menos cinco réplicas biológicas de 15 cepas de C. elegans, lo que indica que el método es robusto.
Antes de comenzar el experimento, tenga en cuenta que la edad y la salud de un gusano determinado pueden influir en la fecundidad y el tiempo de crecimiento de la población posterior. Asegúrese de que los gusanos se mantienen en condiciones saludables con un estrés mínimo antes de ser utilizados en esta canalización. Se supone que las muestras de stock se han creado, congelado y mantenido a -80 °C para reducir la deriva genética con el tiempo.
Dependiendo de las necesidades de un experimento dado, el número de adultos grávidos iniciales en un LSCP puede ser cambiado. Alterar el número de adultos grávidos iniciales en el LSCP cambiará la tasa de crecimiento y, por lo tanto, el tiempo para cosechar. Cinco adultos grávidos se utilizan para sembrar cada LSCP por las siguientes razones: (1) Se necesitaba una forma simple, rápida y eficiente de sembrar muchas cepas de C. elegans en LSCP a la vez y (2) reducir las diferencias de edad entre los adultos grávidos recogidos que podrían conducir a la heterogeneidad del crecimiento.
Este método permite al usuario cosechar grandes poblaciones de gusanos con todas las etapas del ciclo de vida presentes. Con los métodos actuales disponibles, la recolección de muestras a gran escala de C. elegans requiere la sincronización de la lejía para obtener el número de gusanos deseados para el trabajo aguas abajo. Dado este enfoque, ahora se pueden cultivar tantos gusanos como antes fuera posible en fermentadores o cultivos de líquidos a gran escala sin las dificultades asociadas con la sincronización de la lejía y múltiples pasos de manejo. Nuestro protocolo permite apuntar a las cepas de interés de manera eficiente, utilizar un tiempo de manipulación mínimo en el cultivo de la muestra en sí, y aislar las etapas de los gusanos o la población según sea necesario en las tuberías aguas abajo.
Un LPFC fue utilizado como herramienta para documentar la distribución y el tamaño de la población en un LSCP dado. El LPFC utilizado es un sistema de flujo continuo que analiza, clasifica y dispensa gusanos en función de su tamaño (TOF) y densidad óptica. A medida que un gusano dado pasa a través de la celda de flujo, el detector de pérdida de luz axial captura la cantidad de luz de señal bloqueada por un láser de estado sólido de 488 nm durante el tiempo que tarda un gusano en pasar, dando al usuario el TOF y la densidad óptica del gusano. La óptica y los detectores de recolección de fluorescencia también se pueden utilizar para maximizar la sensibilidad a la fluorescencia y la recolección en cada muestra. Los parámetros de recolección de LPFC variarán según el instrumento. Los usuarios pueden emplear una variedad de plataformas para capturar el tamaño del gusano y no están limitados a utilizar este protocolo si un LPFC no está disponible.
Los autores están utilizando muestras cultivadas en el método descrito aquí para identificar metabolitos desconocidos en varias cepas de C. elegans a través de cromatografía líquida – espectrometría de masas, espectroscopia de RMN, y la secuenciación de ARN. Los autores planean continuar utilizando este método para el crecimiento de muestras en esta tubería con una variedad de cepas de C. elegans, ya que las nuevas cepas de interés se pueden procesar fácilmente utilizando esta tubería.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a los miembros del Laboratorio Edison por sus útiles discusiones y comentarios sobre este manuscrito; en particular, B.M. García. Algunas cepas fueron proporcionadas por el CGC, que es financiado por la Oficina de Programas de Infraestructura de Investigación de los NIH (P40 OD010440), y CeNDR, que es financiado por NSF Living Collections CSBR 1930382. Este trabajo fue apoyado por una subvención de los NIH (U2CES030167).
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. |