RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
Spanish
Menu
Menu
Menu
Menu
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Este protocolo se utiliza en el establecimiento y mantenimiento de cucarachas americanas gnotobióticas (Periplaneta americana) mediante la esterilización superficial de las cajas de huevos (ootecas) antes de la eclosión. Estos insectos gnotobióticos contienen sus endosimbiontes de Blattabacterium transmitidos verticalmente, pero tienen intestinos axénicos.
Los animales gnotobióticos son una herramienta poderosa para el estudio de los controles sobre la estructura y función del microbioma. Aquí se presenta un protocolo para el establecimiento y mantenimiento de cucarachas americanas gnotobióticas (Periplaneta americana). Este enfoque incluye comprobaciones de esterilidad incorporadas para el control de calidad continuo. Los insectos gnotobióticos se definen aquí como cucarachas que todavía contienen su endosimbionte transmitido verticalmente (Blattabacterium) pero carecen de otros microbios que normalmente residen en su superficie y en su tracto digestivo. Para este protocolo, las cajas de huevos (ootecas) se eliminan de una colonia de ganado (no esterilizada) y se esterilizan en la superficie. Una vez recolectadas y esterilizadas, las ootecas se incuban a 30 °C durante aproximadamente 4-6 semanas en agar infusión cerebro-corazón (BHI) hasta que eclosionan o se eliminan debido a la contaminación. Las ninfas eclosionadas se transfieren a un matraz de Erlenmeyer que contiene un piso de BHI, agua estéril y alimento estéril para ratas. Para asegurarse de que las ninfas no albergan microbios que no pueden crecer en BHI en las condiciones dadas, una medida de control de calidad adicional utiliza polimorfismo de longitud de fragmento de restricción (RFLP) para probar microbios no adosimbióticos. Las ninfas gnotobióticas generadas con este enfoque pueden inocularse con comunidades microbianas simples o complejas y utilizarse como herramienta en estudios de microbioma intestinal.
Los animales gnotobióticos han demostrado ser herramientas invaluables para los estudios de microbiomas1,2,3. Los animales libres de gérmenes y de flora definida han permitido la elucidación de las interacciones huésped-microbio, incluidas las respuestas inmunológicas del huésped, la maduración epitelial intestinal y el metabolismo del huésped1,4,5,6,7. Los animales gnotobióticos inoculados con una comunidad simplificada también han ayudado a una comprensión más completa de las interacciones microbio-microbio en una comunidad intestinal, específicamente en el desentrañamiento de la alimentación cruzada y las relaciones antagónicas8,9,10,11. El sistema modelo preferido actual para los estudios en el microbioma intestinal de los mamíferos es el modelo murino. Si bien este sistema ha sido vital en los descubrimientos descritos anteriormente, una deficiencia clave es el costo involucrado. El equipo especializado y los técnicos altamente entrenados son necesarios establecer y mantener una facilidad gnotobiotic. Esto, en combinación con el cuidado adicional que se debe dar a cada aspecto del mantenimiento animal gnotobiotic, hace que el animal gnotobiotic cueste diez a veinte veces más para criar que un modelo animal estándar12. Debido a los altos costos, muchos investigadores pueden ser incapaces de pagar un modelo murino gnotobiótico. Además, si bien los modelos murinos pueden ser la opción más ampliamente aceptada para los estudios que buscan traducirse a la salud humana, todavía hay muchas diferencias fisiológicas y morfológicas entre las tripas humanas y de ratón13. Claramente, ningún modelo singular es suficiente para responder al número cada vez mayor de preguntas sobre los muchos aspectos del microbioma intestinal.
Los modelos de insectos son una alternativa más barata debido a su menor costo de mantenimiento en comparación con las especies de mamíferos. La extensa investigación libre de gérmenes y gnotobióticos en una variedad de especies de insectos ha llevado al desarrollo de múltiples modelos de uso común. Los mosquitos y Drosophila son modelos comunes para el trabajo libre de gérmenes debido a su relevancia para las enfermedades globales y la tratabilidad genética14,15. Otro sistema modelo emergente es el de la abeja melífera (Apis mellifera), dada su importancia en la polinización y la investigación de la socialidad16. Sin embargo, muchos de estos insectos de uso común carecen de la complejidad taxonómica observada en las comunidades intestinales de mamíferos17,lo que limita su capacidad para modelar interacciones de orden superior. No sólo la diversidad total de microbios que se encuentran en el intestino de las cucarachas americanas es más similar a la de los mamíferos, sino que muchos de los microbios presentes en el intestino de las cucarachas pertenecen a familias y filos que se encuentran comúnmente en la microbiota intestinal de mamíferos y humanos18. El intestino posterior de la cucaracha también es funcionalmente análogo al intestino grueso de los mamíferos, ya que es una cámara de fermentación densamente llena de bacterias para ayudar en la extracción de nutrientes19,20. Finalmente, la naturaleza omnívora de las cucarachas permite una diversidad de regímenes de dieta que no serían posibles con los especialistas en dieta.
Las cucarachas americanas pueden ser un sistema modelo útil para comprender las comunidades microbianas intestinales en organismos superiores, pero el estado de la cucaracha como plaga también hace que este sistema sea relevante para el control de plagas21. Aprovechar el conocimiento fundamental de la influencia de la comunidad intestinal en la salud y la fisiología de las cucarachas ayuda a desarrollar nuevas técnicas para el manejo de plagas.
El objetivo de este método es esbozar una descripción completa del establecimiento y mantenimiento de cucarachas americanas gnotobióticas (Periplaneta americana), pero este protocolo podría ser utilizado para generar ninfas de cualquier cucaracha ovípara. Incluye un método para la recolección eficiente y no invasiva de ootecas maduras, y una técnica no destructiva para monitorear el estado gnotobiótico de los insectos22,23,24. Mientras que los métodos anteriores de lograr y mantener cucarachas gnotobióticas describen la colección de ootheca23,24,25,26,27,la madurez de la ooteca se interpreta en términos de señales específicas de la especie (en Blattella germanica22, 24,25),o no se describeexplícitamente 27, 28,lo que dificulta la implementación para aquellos que no están familiarizados con el sistema. Dado que el método descrito aquí utiliza ootecas caídas naturalmente, el error de eliminar los huevos prematuramente está ausente. Este protocolo contiene métodos de control de calidad tanto dependientes del cultivo como independientes del cultivo, y el método dependiente del cultivo no requiere sacrificar insectos. Finalmente, este método reúne información de múltiples estudios de cucarachas gnotobióticas para crear un protocolo integral con toda la información necesaria para lograr y mantener cucarachas gnotobióticas.
1. Preparación de materiales
2. Colección de ootecas
3. Limpieza de oothecae
4. Esterilización e incubación de ootecas
5. Mantenimiento de ninfas gnotobióticas
6. Control de calidad de la esterilidad
7. Seguimiento aséptico del crecimiento ninfal
Los tanques de almacenamiento se establecen como se muestra en la Figura 1. Las hembras "embarazadas" son identificadas por la ooteca unida al abdomen posterior, como se muestra en la Figura 2. La incubación de ootecas en el agar BHI permite el control de calidad gnotobiótico de una manera no destructiva. En algunos casos, la esterilización no tiene éxito, y el crecimiento aparece alrededor de las ootecas como en la Figura 3B. Estas ootecas deben eliminarse y desecharse. En nuestras manos, se observó una tasa de fracaso promedio del 10% para la esterilización (n = 51). Las ootecas eclosionan un promedio de 34 días después de la esterilización sin crecimiento en el medio, como se ve en la Figura 3A. Hemos observado tasas típicas de eclosión del 41% (n = 46) para las ootecas esterilizadas, no contaminadas, con un promedio de 11 ninfas por ooteca. Las ninfas más grandes se transfieren a frascos de BHI cubiertos de papel de aluminio, como en la Figura 4. La lámina evita la contaminación, y las ninfas tienen espacio para crecer. RFLP del ADNr 16S de una ninfa homogeneizada se utiliza para confirmar la situación gnotobiotic. Se ha observado que las ninfas gnotobióticas crecen a un ritmo más lento que sus contrapartes no estériles, como se representa en la Figura 5. La Figura 6 muestra los resultados de insectos gnotobióticos con éxito, así como ninfas estándar (no esterilistas).
Si bien esta prueba aún no ha identificado la contaminación en ausencia de un resultado positivo de cultivo, este paso se ha llevado a cabo de forma rutinaria durante experimentos críticos para descartar la presencia de microbios sensibles al oxígeno o fastidiosos contaminantes. Se ha observado un crecimiento más lento en las cucarachas gnotobióticas en comparación con los insectos estándar / no esterilistas.

Figura 1: Configuración de la cultura de stock de cucarachas.
Los tubos de cartón se pueden ver apilados en el otro extremo del tanque. Tanto la comida como el agua están cerca de la parte delantera del tanque. La cubierta de tela de algodón y la banda elástica se han eliminado para la visibilidad. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 2: Una cucaracha americana "embarazada".
La flecha indica la ooteca. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 3: Imágenes de ninfas gnotobióticas eclosionadas con éxito y esterilizadas sin éxito en las ootecas de BHI.
Oothecae fue esterilizado e incubado según lo descrito en este protocolo. (A) La falta de crecimiento microbiano en la inclinación del IMC indica que los insectos están libres de organismos cultivables. (B) Las ootecas en los slants que dan lugar a la formación de colonias deben desecharse como contaminadas. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 4: Aparato de cría gnotobiótico.
Los insectos se mantienen en frascos estériles cubiertos con una tapa de papel de aluminio para evitar la contaminación. El recipiente secundario (tapa verde) se esteriliza con blanqueador al 2% seguido de etanol al 70%. El flujo de aire no está restringido en el contenedor secundario. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 5: Datos representativos de la tasa de crecimiento que comparan las longitudes corporales de las ninfas gnotobióticas y no esterilistas. Ambos grupos de insectos fueron alimentados con dieta de roedores en autoclave. Los insectos gnotobióticos (aquí: n = 105) se mantienen en BHI como se describe. Los insectos no esterilizados (aquí: n = 50) viven en frascos con lecho de astilla de madera en autoclave con pequeños platos para el agua. Las ninfas no esterilistas crecen a una tasa promedio de 0,059 mm/día, mientras que las ninfas gnotobióticas crecen a 0,028 mm/día (p < 0,0001). Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 6: Una imagen de gel representativa de los resultados de RFLP para el control de calidad.
Los amplicons del gene Whole-16S fueron digeridos con RsaI. La DNA para la polimerización en cadena fue extraída de las ninfas homogeneizadas en 1x PBS. Los carriles de "ninfa G" corresponden a ninfas gnotobióticas, mientras que los carriles de "ninfa conv" corresponden a contrapartes convencionales no esterileñas. De acuerdo con el resumen virtual de la restricción, el endosymbiont (Blattabacterium) se espera que tenga vendas en los tamaños 402 bp, 206 bp, y 163 bp, con un borrón de transferencia de las vendas entre 163 bp y 148 bp. Un insecto gnotobiótico debe mostrar sólo el patrón de bandas de Blattabacterium. Se espera que una comunidad bacteriana mixta tenga un frotis de bandas con diferentes tamaños, etiquetados aquí como "otros fragmentos bacterianos 16S". Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
Los autores no tienen conflictos de intereses que revelar.
Este protocolo se utiliza en el establecimiento y mantenimiento de cucarachas americanas gnotobióticas (Periplaneta americana) mediante la esterilización superficial de las cajas de huevos (ootecas) antes de la eclosión. Estos insectos gnotobióticos contienen sus endosimbiontes de Blattabacterium transmitidos verticalmente, pero tienen intestinos axénicos.
Esta publicación fue apoyada por el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de los Institutos Nacionales de Salud bajo el número de premio R35GM133789. El contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente la opinión oficial de los Institutos Nacionales de Salud. A los autores les gustaría reconocer a Josey Dyer por rastrear las tasas de esterilización, las tasas de eclosión y las tasas de crecimiento de las cucarachas gnotobióticas.
| 2X mezcla maestra | New England BioLabs | M0482 | OneTaq MasterMix |
| Comida de rata esterilizable en autoclave | Zeigler | NIH-31 Kit de extracción de | ADN bacteriano automáticomodificado |
| Omega Bio-Tek | D-3350 | E.Z.N.A. Kit de ADN bacteriano; incluye lisozima, perlas de vidrio, proteinasa K, tampones (proteinasa K, unión, lavado, elución), columnas de ADN, | tampón de unión de tubo de recolección de 2 ml|
| Omega Bio-Tek | PD099 | incluido en el kit de extracción de ADN bacteriano (tampón "HBC") de Omega Biotek | |
| caldo de infusión cerebro-corazón (BHI) | Research Products International | B11000 | |
| Toallitas para tareas delicadas | KimWipe | JS-KCC-34155-PK | KimWipes |
| Kit de purificación de ADN | Omega Bio-Tek | D6492 | Kit E.Z.N.A. Cycle Pure; También se puede utilizar D6493; incluye tampones (purificador, lavado, elución) |
| tampón de elución | Omega Bio-Tek | PDR048 | incluido en el kit de extracción de ADN bacteriano de Omega Biotek |
| perlas de vidrio | Omega Bio-Tek | n/a | incluido en el kit de extracción de ADN bacteriano de Omega Biotek |
| Horno de hibridación | UVP | 95-0330-01 | utilizamos un horno de hibridación para precalentar el tampón de elución, pero probablemente también podría ser un baño de agua |
| cabina de seguridad biológica de flujo laminar usada | NuAire, Inc. | El protocoloNU-425-400 | se refiere a esto como "campana de flujo laminar" para abreviar: |
| lisozima | Omega Bio-Tek | n/a | incluido en el kit de extracción de ADN bacteriano de Omega Biotek |
| solución madre de ácido peracético (32%) | Sigma-Aldrich | 269336 | |
| vaselina | ,vaselina | n/a | |
| proteinasa, tampón K | ,Omega Bio-Tek | PD061 | incluido en el kit de extracción de ADN bacteriano de Omega Biotek ("tampón TL") |
| tampón purificador | Omega Bio-Tek | PDR042 | incluido en el kit CyclePure de Omega Biotek (tampón "CP") |
| RsaI | New England BioLabs | R0167 | Incluye tampón CutSmart (digestión) |
| Contenedor secundario | n/a | n/a | un recipiente de plástico con tapa (como un Kritter Keeper) funciona bien para esto (25 cm de largo x 15 cm de ancho x 22 cm de alto); debe ser lo suficientemente grande como para caber inclinaciones BHI y tubos de ensayo |
| espectrofotómetro | ThermoFisher | ND-2000 | La información del catálogo es para NanoDrop2000 |
| agitador térmico | Eppendorf | EP5386000028 | Thermomixer R |
| Tris-EDTA | Fisher | BP1338-1 | 10 nm Tris, 1 mM EDTA, pH 8 |
| tampón de lavado | Omega Bio-Tek | PDR044 | incluido en el kit de extracción de ADN bacteriano de Omega Biotek (tampón de "lavado de ADN") |
| Lecho de astillas de madera | P.J. Murphy Forest Products | Sani-Chips |