$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
La capacità di misurare il tasso metabolico è fondamentale per una comprensione completa di un organismo nel suo contesto ambientale. Ad esempio, è necessario misurare il tasso metabolico per comprendere il suo ruolo nella durata della vita1, il ruolo della dieta nel metabolismo2 o la soglia per lo stress ipossico3.
Esistono due approcci generali per misurare il tasso metabolico4. La calorimetria diretta misura il dispendio energetico direttamente misurando la produzione di calore. La calorimetria indiretta misura la produzione di energia con altri mezzi, spesso attraverso la misurazione respirometrica del consumo di O 2 (V O2), della produzione di CO2 o di entrambi. Sebbene la calorimetria diretta sia stata applicata a piccoli ectotermi, tra cui Drosophila melanogaster5, la respirometria è tecnicamente più semplice e più comunemente usata.
Diverse forme di respirometria sono state utilizzate con successo per misurare il tasso metabolico in D. melanogaster wildtype e mutante e hanno fornito informazioni sugli effetti metabolici della temperatura6, dell'ambiente sociale 3, della dieta 3,7 e dei disturbi dello sviluppo neurologico8. Questi si dividono in due classi, che variano considerevolmente in termini di costi e complessità. La manometria è la più semplice e meno costosa 9,10, in cui le mosche vengono poste in una camera sigillata che contiene un assorbente di CO 2 e che è collegata tramite un sottile capillare a un serbatoio di fluido. Man mano che l'O 2 viene consumato e la CO2 assorbita, la pressione nella camera diminuisce e il fluido viene aspirato nel capillare. Il volume riempito di liquido del capillare è quindi proporzionale a VO2. Versioni più elaborate, che compensano la forza esercitata dal fluido nel capillare, sono state utilizzate anche su D. melanogaster1. La manometria ha il vantaggio di essere semplice ed economica, ma, poiché è sensibile alla pressione, richiede condizioni ambientali costanti. Inoltre, poiché l'O 2 consumato non viene sostituito, la pressione parziale di O2 (PO2) diminuisce gradualmente all'interno delle camere.
La respirometria con l'analisi dei gas viene regolarmente utilizzata anche per D. melanogaster. In questo caso, i gas vengono campionati a intervalli regolari da camere sigillate contenenti mosche e inviati a un analizzatore a infrarossi 2,6,11. Questo tipo di apparecchio ha il vantaggio di essere disponibile in commercio, è meno sensibile alle condizioni ambientali e i gas vengono rinfrescati durante il campionamento in modo che il PO2 rimanga stabile. Tuttavia, l'apparecchiatura può essere costosa e complessa da utilizzare.
Un microrespirometro coulometrico12 di recente sviluppo fornisce un'alternativa economica, sensibile e stabile ai sistemi esistenti. In pratica, un organismo viene posto in una camera ermetica dove consuma O 2 e la CO2 espirata viene rimossa da un materiale assorbente, con conseguente diminuzione netta della pressione della camera. Quando la pressione interna scende ad una soglia preimpostata (soglia ON), la corrente viene fatta passare attraverso un generatore elettrolitico di O2 , riportando la pressione ad una seconda soglia (soglia OFF) arrestando l'elettrolisi. Il trasferimento di carica attraverso il generatore di O 2 è direttamente proporzionale alla quantità di O 2 necessaria per ripressurizzare la camera e può quindi essere utilizzato per misurare l'O2 consumato dall'organismo4. Il metodo è altamente sensibile, misura con precisione V O2 e la sostituzione regolare di O2 può mantenere PO2 a un livello quasi costante per ore o giorni.
Il microrespirometro coulometrico utilizzato in questo studio impiega un sensore elettronico multimodale (pressione, temperatura e umidità). Il sensore è azionato da un microcontrollore che rileva piccole variazioni di pressione e attiva la generazione di O2 quando viene raggiunta una soglia di bassa pressione12. Questo apparecchio è assemblato da parti standard, può essere utilizzato con un'ampia varietà di camere e ambienti sperimentali ed è stato impiegato con successo per esaminare gli effetti della massa corporea e della temperatura sul coleottero Tenebrio molitor. Nel presente studio, il microrespirometro è stato adattato per misurare il consumo di O2 in D. melanogaster, che ha circa l'1% della massa di T. molitor. La sensibilità dell'apparecchio è stata aumentata riducendo la soglia per l'attivazione della generazione di O2 e la stabilità ambientale è stata migliorata conducendo esperimenti in un bagno d'acqua a temperatura controllata e mantenendo l'umidità all'interno delle camere al 100% o quasi.
La proteina CASK (Calmodulin-dependent Serine Protein Kinase), parte della famiglia delle guanilate chinasi associate alla membrana (MAGUK), è un'impalcatura molecolare in diversi complessi multi-proteici e le mutazioni in CASK sono associate a disturbi dello sviluppo neurologico nell'uomo e in D. melanogaster13,14. Un mutante vitale di D. melanogaster, CASKΔ18, interrompe l'attività dei neuroni dopaminergici 15 e riduce i livelli di attività di oltre il 50% rispetto ai controlli congenici14,16. A causa dei ridotti livelli di attività dei mutanti CASK e del ruolo delle catecolamine nella regolazione del metabolismo17 abbiamo ipotizzato che il loro tasso metabolico standard, e quindi il consumo di O2, sarebbe drasticamente ridotto rispetto ai controlli.
Il consumo di O2 è stato misurato in CASKΔ18 e nei loro congeneri wildtype, w(ex33). Gruppi di mosche sono stati collocati in camere di respirometria, è stato misurato il consumo di O 2, il consumo di O2 è stato calcolato ed espresso sia su base massa-specifica che per mosca. L'apparato ha registrato VO2 nei moscerini wildtype che era coerente con gli studi precedenti e ha potuto differenziare tra il consumo di O2 per mosca dei moscerini wildtype e dei moscerini mutanti CASK.