מערכת אוטונומית ומדויק עבור זיהוי דפוסי התגלות החרקים
9 בינואר 2019
מדידה של התגלות החרקים דפוסי דורש דיוק. מערכות קיימות הם רק חצי אוטומטיות וגודל דוגמה הוא מוגבל. אנחנו פתרנו בעיות אלה על-ידי עיצוב מערכת באמצעות בקרים למדוד בדיוק בזמן הופעתה של מספרים גדולים של חרקים המתעוררים.
שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום הכרונוביולוגיה ופיזיולוגיית הלחץ, כגון מה רמזים להשפיע על העיתוי של הופעת חרקים. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא אוטומטית, ו ניתן להשתמש בה כדי למדוד את הופעתם של מספר גדול של חרקים. החלקים הבאים נדרשים עבור כל ערוץ שנבנה.
סעפת אספן אחת, כובע קצה אחד, שישה תומך פלטפורמה, ארבע לוחות בסיס מתלה צינור, וארבעה לוחות פנים מתלה צינור. עם שלוש תמיכות פלטפורמה חתיכת 33 על 30 ס"מ של פלסטיק גלי, להשתמש דבק חם להרכיב שתי פלטפורמות ארון תקשורת צינור לכל ערוץ שנבנה. התקן אלקטרוניקה לתוך סעפת האספן על ידי הלחמה ראשונה נגד 120 אוהם לאנודה של פולט אינפרא אדום וגלאי אינפרא אדום ואורך חמישה סנטימטרים של חוט חשמלי 22-מד לשתי הקתודות.
הכנס בזהירות את הגלאי לשקע אחד של סעפת האספן, ואת המקרן לשקע השני. שני הרכיבים צריכים להתאים בנוחות. להאכיל את חוטי הגלאי דרך ערוץ הכבלים ולמשוך את שני החוטים דרך חור הגישה.
הלחם את כל ארבעת החוטים לשקע אתרנט RJ45 באמצעות שורת הפינים האחורית. יש לה הלחים את שתי האנודות לסיכה השמאלית ביותר, את הקתודה של המקרן לסיכה הימנית ביותר, ואת הקתודה של הגלאי לאף אחד מהסיכה המרכזית. אבטחו את שקע ה-RJ45 מעל חור הגישה לאספן עם דבק חם, והבטיחו שלא יהיו חוטים חשופים נוגעים בתוך הסעפת.
לאחר מכן, להתחיל בבניית המעבד המרכזי עבור המערכת על ידי הלחמה כותרות נקבה על חורים דרך שכותרתו עבור Arduino ננו, טמפ, שעון, מודול SD. כמו כן, הלחם כותרת נשית על חור 2 על 5 דרך ללא תריס בפינה השמאלית העליונה של לוח PCB עבור מסך LCD. הצמד והל הלחם שישה שקעי RJ45 לאורך הקצה התחתון של לוח PCB.
הלחמה שישה 470 קילו אוהם למשוך למטה נגדים לתוך אתרי חור דרך, ממוקם ממש מעל שקעי RJ45. התקן את ננו Arduino, טמפרטורת DHT חיישן לחות, שעון, מודול SD על לוח PCB. לבסוף, חבר חוט רצועת הכלים בן עשרה מחברים למחבר מסך ה- LCD של לוח ה- PCB.
לאחר שמערכת האיתור הורכבה, טען והצב שני ארונות תקשורת מיד לפני ביצוע ניסוי. ראשית, ודא שכל החורים בארון התקשורת מכילים צינור מיקרו-צנטריפוגה 0.5 מיליליטר עם המכסה הוסר, ושצינורות מתאימים בנוחות. ממלאים כל צינור בתא חרק אחד, מוודאים שהצד השטוח פונה לכיוון הפתח.
לאחר מכן מוסיפים גלולה רכה אוויר אחד, ולבסוף, BB מתכת אחת. לאחר מכן השתמש בברגים ניילון בגודל רבע אינץ' כדי להדביק את מתלה הצינור faceplate, עם הקצה מעוגל לכיוון החלק התחתון של המדף. ממקם את מתלי הצינור על רציף המדף. התחל עם הפתחים הפונים כלפי מעלה, ולאחר מכן בעדינות לסובב למקומו כדי להבטיח BBs מתכת לא שוחררו.
ארונות תקשורת צריך להיות ממוקם בקצה הפלטפורמה, כך BB מתכת יכול ליפול בחופשיות לתוך האספן מבלי להקפיץ נגד חלק אחר של המבנה. הכנס כרטיס SD למתאם ולאחר מכן הפעל את המעבד המרכזי על-ידי חיבור מחבר מיקרו-USB לארדוינו, ואת הקצה השני לכל מתאם USB מתאים. מסך ה-LCD יציג את המספרים 1 עד 6 כאשר הוא מוכן.
זרוק BB מתכת אחת לתוך אספן הכדור של כל ערוץ, ולצפות הספירה המתאימה להופיע על המסך, ועל הזמן הנכון כדי להציג בתחתית המסך. לאחר שכל החרקים הופיעו, תנתק את המנגנון על ידי ניתוק הרדוינו. ניתן לפרק ולנקות ארונות תקשורת לשימוש חוזר.
במהלך ניסוי הופעתה, נתונים מאוחסנים בכרטיס SD בקובץ מופרד באמצעות פסיקים. השתמש בכרטיס SD כדי להעביר נתונים למחשב, ו- RStudio כדי ליצור באופן אוטומטי התוויות בועות של הנתונים. הן נתוני אירועים והן נתוני טמפרטורה נשמרים באותו קובץ עבור תקינות נתונים.
לפני הניתוח, יבא את הקובץ המופרד באמצעות פסיקים לתוכנית גיליון אלקטרוני. עמודות I ו- J הן התאריך והשעה של הופעת ההתעוררות עבור ה bees. הפוך אותן לעמודות A ו- B על-ידי גזירה והדבקה של עמודות A עד E בגיליון אלקטרוני שני, ושמור כקובץ נפרד של נתוני טמפרטורה לניתוח נוסף.
נתון זה מציג את הופעת הדליות תחת תקופת תרמו של ארבע מעלות צלזיוס לאחר חשיפה ללחץ קר במהלך הפיתוח. איור זה מציג את אותה ערכת נתונים כפי שניתן לראות זהה, אך עם אחד מששת הערוצים סתומים ב- BBs, ויוצר את הבועה הגדולה בגרף כאשר חוסר האות נספר שוב ושוב. ניתן להסיר בצדק נתונים מערוץ זה מהניתוח.
בעת ניסיון לבצע הליך זה, חשוב לזכור לבדוק את כל החלקים שהוולדו כדי לוודא שהקשרים פועלים. לאחר התפתחותה, טכניקה זו סללה את הדרך לחוקרים בתחום הכרונוביולוגיה ופיזיולוגיית הלחץ כדי לחקור אילו רמזים משפיעים על עיתוי הופעתן של עין בודדת.
סקירה כללית
מאמר זה מציג מערכת אוטומטית חדשנית שתוכננה למדידת דפוסי הבקיעה של חרקים בדיוק גבוה. באמצעות שימוש בבקרים זעירים (microcontrollers), המערכת מתגברת על מגבלותיהם של שיטות חצי-אוטומטיות קיימות, ומאפשרת שימוש בגדלי מדגם גדולים יותר במחקרים של בקיעת חרקים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- כרונוביולוגיה
- פיזיולוגיה של סטרס
- התנהגות חרקים
רקע
- מערכות קיימות למדידת בקיעת חרקים הן חצי-אוטומטיות.
- גדלי מדגם מוגבלים מעכבים מחקר על דפוסי בקיעה.
- דיוק בתזמון הוא קריטי להבנת התנהגות חרקים.
- אוטומציה יכולה לשפר את יעילות איסוף הנתונים.
מטרת המחקר
- פיתוח מערכת אוטומטית מלאה למדידת בקיעת חרקים.
- מתן אפשרות למדגמים גדולים יותר במחקרי מחקר.
- בחינת הרמזים המשפיעים על עיתוי בקיעת החרקים.
שיטות שהשתמשו בהן
- בניית סעפת איסוף ופלטפורמות למערך מבחנות.
- שילוב רכיבים אלקטרוניים הכוללים פולטי וגלאי אינפרא-אדום.
- שימוש ב-Arduino nano לעיבוד נתונים.
- אחסון נתונים על כרטיס SD לצורך ניתוח מאוחר יותר.
תוצאות עיקריות
- המערכת מודדת בהצלחה את תזמון הופעת חרקים.
- שלמות הנתונים נשמרת באמצעות רישום סימולטני של אירועים ושל טמפרטורה.
- הושגה ספירה אוטומטית של אירועי הופעת חרקים.
- התוצאות מדגימות את השפעת התנאים הסביבתיים על תזמון ההופעה.
מסקנות
- המערכת שפותחה משפרת את חקר דפוסי הבקיעה של חרקים.
- היא מספקת שיטה מהימנה לחוקרים בתחומי הכרונוביולוגיה ופיזיולוגיה של עקה.
- מחקרים עתידיים יכולים להשתמש בטכניקה זו כדי לחקור לעומק את הגורמים המעוררים בקיעה.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למסמך סיכום
זיהוי אוטומטי של דפוסי בקיעת חרקים מאפשר ניתוח כמותי ובעל תפוקה גבוהה של תזמון ביולוגי ותגובות למעקה, ובכך תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים בשלבי הגילוי המוקדמים. יכולת ההרחבה והדיוק של המערכת מקלות על בדיקת השערות חסונה והשוואות בין תנאים שונים, דבר המשפיע ישירות על תיקוף מטרות ומחקר תרגומי בכרונוביולוגיה ובפיזיולוגיה של עקה. שילוב של לכידת נתונים ואנוויזואליזציה אוטומטיות מגביר את הביטחון החיזוי ואת קבלת ההחלטות בנוגע לתיק פיתוח עבור צוותי מו"פ החוקרים מודולציה סביבתית או גנטית של פנוטיפי בקיעה.
יישומים אסטרטגיים במו"פ של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר חקירה קפדנית של רמזים סביבתיים וגנטיים המשפיעים על עיתוי הבקיעה.
- תומך בתיקוף תפקודי של מסלולים מועמדים המעורבים בפיזיולוגיה של עקה.
- מסייע בהפחתת סיכונים מכניסטיים באמצעות אספקת נתוני בקיעה כמותיים ברזולוציה גבוהה.
- משפר את רמת הוודאות החזויה עבור היפותזות ביולוגיות המשך.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay)
- מכין מערכות ביולוגיות מתוקפות וניתנות להרחבה לצורך סריקת תרכובות או סריקה גנטית.
- מבצע סטנדרטיזציה של מדידת הנבטה בגידולי דגימות גדולים ובטיפולים מרובים.
- מספק תוצאות כמותיות הניתנות לשחזור ומתאימות לניתוח השוואתי.
- מאפשר הערכה סימולטנית של מספר תנאים ניסיוניים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מיישר פנוטיפים של הופעה (emergence phenotypes) עם מודלים של כרונוביולוגיה ומעמקים (stress) הרלוונטיים למחלה.
- תומך ברציפות משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני של סממנים ביולוגיים הקשורים לתזמון.
- מספק נתונים מותאמי סיכון לקידום התערבויות מועמדות המכוונות למקצבים ביולוגיים.
- משפר את הרלוונטיות התרגומית על ידי מתן אפשרות להתאמת המערכת באופן ספציפי למין.
שילוב תהליכי עבודה וקווי עיבוד
מערכת זו לגילוי אוטומטי של בקיעה משתלבת ברצף שבין הגילוי המוקדם לשלב הפרה-קליני, ותומכת בתהליכי בדיקת השערות, סריקה ומחקר תרגומי.
- ביולוגיה של גילוי: מאפשרת בדיקה מדויקת של השערת האפס והבהרת מסלולים עבור תזמון ההופעה.
- סריקה: מספקת פלטפורמות מדידה הניתנות לשחזור ומוכנות לבדיקה עבור מחקרים בסריקה רחבה (high-throughput).
- אנליטיקה: מייצרת פלטים וויזואליזציות כמותיות עם חותמת זמן עבור ניתוח סטטיסטי חסון.
- מחקר תרגומי: מקל על ההתאמה למודלים שונים של חרקים לצורך סנכרון של סממנים ביולוגיים.
- שימוש חוזר ארגוני: עיצוב מודולרי המודפס בתלת-ממד תומך בשימוש חוזר רחב ובהתאמה אישית לאורך תוכניות מו"פ.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי ומפחית עמימות מכניסטית במחקרי הופעה (emergence).
- ערך תפעולי: מספק איסוף נתונים סטנדרטי, ניתן להרחבה ואוטומטי עבור גדלי מדגמים גדולים.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות go/no-go ויעילות הון על ידי מתן אפשרות להשוואות חסונות בין תנאים שונים.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכון ובקידום תוכניות של כרונוביולוגיה ופיזיולוגיה של סטרס.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בהרכבת אלקטרוניקה ובניתוח נתונים באמצעות R או פלטפורמות דומות.
- נדרשת גישה להדפסה בתלת-ממד, בקרים זעירים מסוג Arduino ומכשור מעבדה סטנדרטי.
- דורש סטנדרטיזציה חוצת-צוותים של פורמטי נתונים ושל צינורות עיבוד (pipelines) לניתוח.
- מאפשר התאמה למיני חרקים שונים באמצעות תכנון חומרה מודולרי.
- קיים פוטנציאל לסתימה של תעלות או לתקלות בחומרה, דבר הדורש תיקוף שוטף ופתרון תקלות.
