La Drosophila melanogaster è stata introdotta nella comunità scientifica come organismo modello potenzialmente potente più di 100 anni fa. Questo potenziale è stato fermamente convalidato in diverse aree delle scienze biologiche e biomediche, come la genetica, l'evoluzione, la biologia dello sviluppo, la neurobiologia e la biologia molecolare e cellulare. Di conseguenza, sei premi Nobel per la medicina o la fisiologia sono stati assegnati a dieci ricercatori di Drosophila che hanno contribuito in modo sostanziale alla nostra comprensione dell'ereditarietà, della mutagenesi, dell'immunità innata, dei ritmi circadiani, dell'olfattoe dello sviluppo. Forse ancora più importante, D. melanogaster non ha smesso di fornirci nuovi modelli di biologia e malattie umane, poiché una rapida ricerca su PubMed rivela quasi 600 pubblicazioni negli ultimi 5 anni, utilizzando il termine di ricerca "modello drosophila" (2, a febbraio 2021). Negli Stati Uniti, dove la Drosophila è un organismo modello molto diffuso nella comunità biomedica, circa il 2,2% di tutti i premi di ricerca R01 assegnati dal NIH nel 2015 sono stati assegnatiai ricercatori di Drosophila. In Brasile, invece, una ricerca di progetti attualmente finanziati sul sito della Sao Paulo Research Foundation (FAPESP), la più importante agenzia di finanziamento per la ricerca in tutte le aree scientifiche nello stato di San Paolo, ha mostrato solo 24 grant e fellowship con la Drosophila come principale oggetto di studio4. Considerando tutti i 13205 progetti attualmente finanziati da FAPESP (5, a febbraio 2021), questi 24 progetti di Drosophila rappresentano un rapporto inferiore allo 0,2% del totale dei progetti, che è quasi 12 volte inferiore a quello del NIH. Se togliamo i progetti finanziati che mirano a studiare la Drosophila da un punto di vista ecologico e/o evolutivo, e assumiamo che i progetti rimanenti utilizzino questo organismo come modello per comprendere i processi biologici umani in salute e malattia, tale rapporto diminuisce a uno scioccante ~0,1%.
In effetti, un'indagine adeguata è giustificata per rivelare le ragioni per cui la ricerca sulla Drosophila in Brasile/San Paolo non sembra essere così significativa nel numero di progetti finanziati. Coltivare la Drosophila non è costoso 6,7,8 ed è relativamente semplice, poiché a differenza dei vertebrati, non è necessaria alcuna autorizzazione da parte di un comitato bioetico per la sperimentazione 9,10. Tuttavia, in Brasile11 è richiesta un'approvazione per lavorare con lenze da mosca geneticamente modificate, aggiungendo uno strato di burocrazia inerente a tutto il lavoro che coinvolge organismi geneticamente modificati. Tuttavia, questo probabilmente non impedirebbe ai ricercatori interessati di avviare un flylab. Ipotizziamo che la disinformazione sulla potenza del modello e sugli alti costi previsti associati alla creazione di un flylab e all'esecuzione di esperimenti significativi siano fattori importanti in questa decisione. Come per la maggior parte delle attrezzature e delle forniture scientifiche, gli apparati appropriati per eseguire la manutenzione generale delle mosche e le analisi comportamentali devono essere importati in Brasile dal Nord America, dall'Europa e/o da altri paesi, il che è un processo costoso ed estremamente dispendioso in termini di tempo12,13.
Recentemente, è emersa un'alternativa all'importazione di apparecchiature specializzate poiché le stampanti 3D sono diventate più convenienti e accessibili a qualsiasi persona, compresi i ricercatori di Drosophila nei paesi in via di sviluppo. La tecnologia di stampa 3D è stata ampiamente utilizzata negli ultimi 10 anni dai membri della "cultura maker", che si basa sull'idea di autosufficienza piuttosto che affidarsi esclusivamente ai prodotti fabbricati dall'azienda14. Un'idea del genere è sempre stata presente nei laboratori di ricerca accademica di tutto il mondo, quindi non sorprende che le stampanti 3D siano diventate apparecchiature di laboratorio standard in molti luoghi15,16. Per un certo numero di anni, abbiamo stampato in 3D rastrelliere per fiale di mosche, arene di accoppiamento, apparecchi per l'arrampicata, tra gli altri dispositivi, per una frazione del costo degli equivalenti di marca. I costi ridotti per la stampa e l'assemblaggio di attrezzature da laboratorio fatte in casa sono classicamente rappresentati dal FlyPi, che può essere costruito per meno di € 100,00 e funge da microscopio ottico e a fluorescenza in grado di utilizzare una sofisticata stimolazione opto- e termogenetica del pesce zebra, della Drosophila e dei nematodi geneticamente trattabili15. Qui, forniamo una serie di protocolli per chiunque sia interessato a diventare un ricercatore di Drosophila (o ad espandere il proprio flylab esistente) per stampare in 3D molto del materiale necessario. Investendo tempo e sviluppando un po' di esperienza, il lettore sarà anche in grado di ottimizzare i protocolli qui presentati per stampare apparati più adatti alle proprie esigenze di ricerca.
Tuttavia, un flylab non è un luogo solo per attrezzature "economiche", soprattutto quando si intende associare le analisi comportamentali ai fenomeni metabolici sottostanti. Ci siamo anche interessati al ruolo dei mitocondri nella modulazione dei pattern comportamentali di Drosophila, poiché questi organelli sono responsabili della produzione di massa di ATP nella maggior parte dei tessuti attraverso diverse vie metaboliche i cui prodotti convergono verso la fosforilazione ossidativa (OXPHOS). L'analisi del consumo di ossigeno mitocondriale come un modo per comprendere il metabolismo mitocondriale richiede un ossigrafo, che è un'apparecchiatura più sofisticata che purtroppo non può ancora essere stampata in 3D. Poiché l'OXPHOS influisce praticamente su tutti i processi cellulari poiché dipende da una serie di reazioni redox esoergoniche che si verificano nella cellula17,18, i tassi di consumo di ossigeno basati sul substrato ossidabile fornito ai mitocondri possono aiutare a rivelare se il funzionamento dell'organello è causa o conseguenza di un particolare comportamento. Pertanto, forniamo anche qui un protocollo per misurare il consumo di ossigeno mitocondriale nei campioni di larva, poiché ci rendiamo conto che la stragrande maggioranza dei protocolli pubblicati si concentra sull'analisi di campioni adulti. Abbiamo dimostrato che i cambiamenti nella respirazione mitocondriale, indotti dall'espressione transgenica della Ciona intestinalis alternative ossidasi (AOX), portano ad un aumento della mobilità larvale sotto stress da freddo. Ciò è molto probabilmente dovuto alla termogenesi, poiché AOX è un'ossidasi terminale non pompante protoni che può bypassare l'attività dei complessi OXPHOS III e IV (CIII e CIV), senza contribuire al potenziale di membrana mitocondriale (ΔΨm) e alla produzione di ATP 19,20,21. Nessun insetto, inclusa la Drosophila, o vertebrato possiede naturalmente AOX 21,22,23, ma la sua espressione in una miriade di sistemi modello 24,25,26,27,28,29 è riuscita a mostrare il suo potenziale terapeutico per condizioni di stress respiratorio mitocondriale generale, specialmente quando causato da CIII e/o CIV sovraccarico. AOX conferisce resistenza a livelli tossici di antimicina A24 e cianuro24,25 e mitiga diversi fenotipi correlati alla disfunzione mitocondriale 24,25,30,31,32. Il fatto che l'espressione di AOX modifichi il comportamento larvale e la funzione mitocondriale giustifica studi più approfonditi sul ruolo di questo enzima nel metabolismo e nella fisiologia delle cellule e dei tessuti metazoici33,34.
Speriamo che con questo articolo possiamo contribuire a sensibilizzare la comunità scientifica dei paesi in via di sviluppo come il Brasile che utilizzando l'eccellente set di strumenti genetici presentati da D. melanogaster , in combinazione con apparati fatti in casa efficienti e convenienti per le analisi comportamentali, può generare dati di ricerca di base relativamente veloci su processi biologici interessanti con un impatto traslazionale significativo, supportare futuri studi terapeutici nella ricerca clinica. Lo sviluppo di tali ideali comunitari sarebbe di grande beneficio per i drosofili, i ricercatori medici e le scienze biologiche e biomediche. Soprattutto, andrebbe a vantaggio della società in generale, in quanto i finanziamenti pubblici potrebbero essere utilizzati in modo più traslazionale per comprendere e curare le malattie umane.
I protocolli che forniamo qui per la stampa 3D degli apparati per un flylab sono stati progettati per l'uso con la stampante 3D RepRap, basata sul modello Prusa I3 DIY disponibile a35 anni. Utilizziamo il filamento di acido polilattico bianco (PLA) da 1,75 mm (SUNLU) come materia prima per la stampa, la piattaforma Tinkercad36 per la progettazione del modello e il software Repetier-Host37 per la conversione da STL a G-Code, un passaggio necessario per fornire le coordinate alla stampante. Un'ulteriore ottimizzazione dei protocolli è necessaria nel caso in cui il lettore desideri utilizzare attrezzature, materiali e software alternativi.