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Research Article
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Erratum Notice
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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 é usado no estabelecimento e manutenção de baratas americanas gnotobióticas(Periplaneta americana)por superfície esterilizando as caixas de ovos (oothecae) antes da eclosão. Estes insetos gnotobióticos contêm seus endosímbiontos blattabacterium transmitidos verticalmente, mas têm tripas axenicas.
Os animais gnotobióticos são uma ferramenta poderosa para o estudo de controles sobre estrutura e função de microbioma. Apresentado aqui é um protocolo para o estabelecimento e manutenção de baratas gnotobióticas americanas (Periplaneta americana). Esta abordagem inclui verificações de esterilidade incorporadas para controle de qualidade contínuo. Os insetos gnotobióticos são definidos aqui como baratas que ainda contêm seu endossímbionte transmitido verticalmente (Blattabacterium), mas não possuem outros micróbios que normalmente residem em sua superfície e em seu trato digestivo. Para este protocolo, os casos de ovos (oothecae) são removidos de uma colônia de estoque (não estéril) e superfície esterilizada. Uma vez coletada e esterilizada, a oothecae é incubada a 30 °C por aproximadamente 4-6 semanas em ágar de infusão cérebro-coração (BHI) até que eles eclodam ou são removidos devido à contaminação. Ninfas escotadas são transferidas para um frasco de Erlenmeyer contendo um piso BHI, água estéril e alimentos de rato estéreis. Para garantir que as ninfas não estejam abrigando micróbios que não são capazes de crescer em BHI nas condições dadas, uma medida adicional de controle de qualidade usa o polimorfismo de comprimento de fragmento (RFLP) para testar micróbios não-simbióticos. As ninfas gnotobióticas geradas usando essa abordagem podem ser inoculadas com comunidades microbianas simples ou complexas e usadas como ferramenta em estudos de microbioma intestinal.
Animais gnotobióticos provaram ser ferramentas inestimáveis para estudos de microbioma1,2,3. Animais sem germes e de flora definida permitiram a elucidação de interações hospedeira-micróbios, incluindo respostas imunológicas hospedeiras, maturação epitelial intestinal e metabolismo hospedeiro1,4,5,6,7. Animais gnotobióticos inoculados com uma comunidade simplificada também têm auxiliado em uma compreensão mais completa das interações micróbios-micróbios em uma comunidade intestinal, especificamente na desvendação de relações transversais e antagônicas8,9,10,11. O atual sistema modelo preferido para estudos no microbioma intestinal dos mamíferos é o modelo murino. Embora este sistema tenha sido vital nas descobertas acima descritas, uma deficiência fundamental é o custo envolvido. Equipamentos especializados e técnicos altamente treinados são necessários para estabelecer e manter uma instalação gnotobiótica. Isso, em combinação com cuidados extras que devem ser dados a todos os aspectos da manutenção animal gnotobiótica, faz com que o animal gnotobiótico custe de dez a vinte vezes mais para procriar do que um modelo animal padrão12. Devido aos altos custos, muitos pesquisadores podem não conseguir pagar um modelo gnotobiótico de murina. Além disso, embora os modelos murine possam ser a escolha mais amplamente aceita para estudos que buscam traduzir para a saúde humana, ainda existem muitas diferenças fisiológicas e morfológicas entre as entranhas humanas e do camundongo13. Claramente nenhum modelo singular é suficiente para responder ao número cada vez maior de perguntas sobre os muitos aspectos do microbioma intestinal.
Os modelos de insetos são uma alternativa mais barata devido ao seu menor custo de manutenção em comparação com as espécies de mamíferos. Extensa pesquisa sem germes e gnotobióticas em uma variedade de espécies de insetos levou ao desenvolvimento de múltiplos modelos comumente usados. Mosquitos e Drosophila são modelos comuns para o trabalho sem germes devido à sua relevância para doenças globais e tratos genéticos14,15. Outro sistema de modelo emergente é o da abelha-,dada a sua importância na pesquisa de polinização e socialidade16. No entanto, muitos desses insetos comumente usados não têm a complexidade taxonômica vista nas comunidades intestinais de mamíferos17,limitando sua capacidade de modelar interações de ordem mais alta. Não só a diversidade total de micróbios encontrados no intestino de baratas americanas é mais semelhante aos mamíferos, mas muitos dos micróbios presentes no intestino das baratas pertencem a famílias e filos que são comumente encontrados na microbiota intestinal de mamíferos e humanos18. O hindgut da barata também é funcionalmente análogo ao intestino grosso dos mamíferos, pois é uma câmara de fermentação densamente embalada com bactérias para auxiliar na extração de nutrientes19,20. Finalmente, a natureza onívora das baratas permite uma diversidade de regimes alimentares que não seria possível com especialistas dietéticos.
As baratas americanas podem ser um sistema modelo útil para a compreensão das comunidades microbianas intestinais em organismos superiores, mas o status da barata como praga também torna esse sistema relevante para o controle de pragas21. Aproveitar o conhecimento fundamental da influência da comunidade intestinal na saúde das baratas e na fisiologia auxilia no desenvolvimento de novas técnicas para o manejo de pragas.
O objetivo deste método é traçar uma descrição abrangente do estabelecimento e manutenção de baratas gnotobióticas americanas(Periplaneta americana),mas este protocolo poderia ser usado para gerar ninfas de qualquer barata oviparada. Inclui um método para uma coleta eficiente e não invasiva de oothecae maduro, e uma técnica não destrutiva para monitorar o estado gnotobiótico dos insetos22,23,24. Enquanto métodos anteriores de alcançar e manter baratas gnotobióticas descrevem a coleção ootheca23,24,25,26,27, a maturidade ootheca é interpretada em termos de pistas específicas de espécies (em Blattella germanica22,24,25), ou não explicitamente descrita27,28, dificultando a implementação para aqueles que não estão familiarizados com o sistema. Uma vez que o método descrito aqui usa oothecae naturalmente descartado, o erro de remover ovos prematuramente está ausente. Este protocolo contém métodos de controle de qualidade dependentes da cultura e independentes da cultura, e o método dependente da cultura não requer sacrificar insetos. Finalmente, este método reúne informações de múltiplos estudos de baratas gnotobióticas para criar um protocolo abrangente e abrangente com todas as informações necessárias para alcançar e manter baratas gnotobióticas.
1. Preparação de materiais
2. Coleção de oothecae
3. Limpeza de oothecae
4. Esterilização e incubação de oothecae
5. Manutenção de ninfas gnóbiticas
6. Controle de qualidade da esterilidade
7. Rastreamento asséptico do crescimento ninfa
Os tanques de estoque são configurados como descritos na Figura 1. As fêmeas "grávidas" são identificadas pela ootheca presa ao abdômen posterior, conforme retratado na Figura 2. A incubação de oothecae no ágar BHI permite o controle de qualidade gnotobiótico de forma não destrutiva. Em alguns casos, a esterilização não é bem sucedida, e o crescimento aparece em torno da oothecae como na Figura 3B. Estes oothecae devem ser removidos e descartados. Em nossas mãos, observou-se uma taxa média de falha de 10% para esterilização (n = 51). O oothecae eclode uma média de 34 dias após a esterilização sem crescimento no meio, como visto na Figura 3A. Observamos taxas típicas de escotilha de 41% (n = 46) para oothecas esterilizadas e não contaminadas, com uma média de 11 ninfas por ootheca. Ninfas maiores são transferidas para frascos BHI cobertos com papel alumínio, como na Figura 4. A folha previne a contaminação, e as ninfas têm espaço para crescer. RFLP do rDNA 16S de uma ninfa homogeneizada é usado para confirmar o estado gnotobiótico. As ninfas gnotobióticas têm sido observadas para crescer em uma taxa mais lenta do que suas contrapartes não estéreis, como representado Figura 5. A Figura 6 exibe resultados de insetos gnotobióticos com sucesso, bem como ninfas padrão (não osteril).
Embora este teste ainda não tenha identificado contaminação na ausência de um resultado positivo da cultura, esta etapa tem sido realizada rotineiramente durante experimentos críticos para descartar a presença de micróbios sensíveis ao oxigênio ou exigentes. O crescimento mais lento tem sido observado nas baratas gnotobióticas quando comparado com insetos padrão/não-estérquico.

Figura 1: Configuração da cultura de ações de baratas.
Tubos de papelão podem ser vistos empilhados na extremidade do tanque. Comida e água estão perto da frente do tanque. Capa de pano de algodão e banda elástica foram removidas para visibilidade. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Uma barata americana "grávida".
A seta indica a ootheca. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Imagens de ninfas gnotobióticas com sucesso eclodiram e esterilizaram oothecae sem sucesso em inclinações bhi.
Oothecae foram esterilizados e incubados conforme descrito neste protocolo. AFalta de crescimento microbiano na inclinação do BHI indica que os insetos estão livres de organismos culturais. (B) Oothecae sobre inclinações que resultam na formação de colônias devem ser descartados como contaminados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Aparelho de criação gnotobiótico.
Os insetos são mantidos em frascos estéreis cobertos com uma tampa de papel alumínio para evitar contaminação. O recipiente secundário (tampa verde) é esterilizado com 2% de alvejante seguido de 70% de etanol. O fluxo de ar não é restrito no recipiente secundário. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Dados representativos da taxa de crescimento comparando os comprimentos corporais das ninfas gnóbiticas e não assterianas. Ambos os grupos de insetos foram alimentados com dieta autoclaved roedor. Os insetos gnotobióticos (aqui: n = 105) são mantidos em BHI como descrito. Insetos não-estéres (aqui: n = 50) vivem em frascos com cama de cavanha autoclavada com pequenos pratos para água. As ninfas não-estrúrquicas crescem uma taxa média de 0,059 mm/dia, enquanto as ninfas gnotobióticas crescem a 0,028 mm/dia (p < 0,0001). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6: Uma imagem de gel representativa dos resultados rflp para controle de qualidade.
Amplicons genéticos de 16S inteiros foram digeridos com RsaI. O DNA para PCR foi extraído de ninfas homogeneizadas em 1x PBS. As faixas de "G ninfa" correspondem a ninfas gnotobióticas, enquanto as faixas de "ninfa conv" correspondem a contrapartes convencionais e não-tésteres. Com base no digestor de restrição virtual, espera-se que o endossímbionte (Blattabacterium) tenha bandas nos tamanhos de 402 bp, 206 bp e 163 bp, com uma mancha de bandas entre 163 bp e 148 bp. Um inseto gnotobiótico deve mostrar apenas o padrão de banda blattabacterium. Espera-se que uma comunidade bacteriana mista tenha uma mancha de bandas com tamanhos variados, rotuladas aqui como "outros fragmentos bacterianos 16S". Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os autores não têm conflitos de interesse para divulgar.
Este protocolo é usado no estabelecimento e manutenção de baratas americanas gnotobióticas(Periplaneta americana)por superfície esterilizando as caixas de ovos (oothecae) antes da eclosão. Estes insetos gnotobióticos contêm seus endosímbiontos blattabacterium transmitidos verticalmente, mas têm tripas axenicas.
Esta publicação foi apoiada pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais dos Institutos Nacionais de Saúde sob o prêmio número R35GM133789. O conteúdo é de responsabilidade exclusiva dos autores e não representa necessariamente a visão oficial dos Institutos Nacionais de Saúde. Os autores gostariam de reconhecer Josey Dyer por rastrear taxas de esterilização, taxas de escotilha e taxas de crescimento das baratas gnotobióticas.
| 2X master mix | New England BioLabs | M0482 | OneTaq MasterMix |
| Ração de rato autoclavável | Zeigler | NIH-31 | Kit de extração de DNA bacteriano automáticomodificado |
| Omega Bio-Tek | D-3350 | E.Z.N.A. Kit de DNA bacteriano; inclui lisozima, contas de vidro, proteinase K, tampões (proteinase K, ligação, lavagem, eluição), colunas de DNA, tampão de ligação de tubo de coleta de 2 mL | |
| Omega Bio-Tek | PD099 | incluído no kit de extração de DNA bacteriano da Omega Biotek (tampão "HBC") | |
| caldo de infusão cérebro-coração (BHI) | Research Products International | B11000 | |
| Toalhetes de tarefas delicadas | KimWipe | JS-KCC-34155-PK | |
| Kit de purificação de DNA | KimWipesOmega Bio-Tek | D6492 | Kit E.Z.N.A. Cycle Pure; D6493 também pode ser usado; inclui tampões (purificação, lavagem, eluição) |
| tampão de eluição | Omega Bio-Tek | PDR048 | incluído no kit de extração de DNA bacteriano da Omega Biotek |
| contas de vidro | Omega Bio-Tek | n/a | incluído no kit de extração de DNA bacteriano da Omega Biotek |
| Forno de hibridização | UVP | 95-0330-01 | usamos um forno de hibridização para pré-aquecer o tampão de eluição, mas um banho-maria provavelmente também poderia ser usado |
| Gabinete de segurança biológica de fluxo laminar | NuAire, Inc. | O protocolo NU-425-400 | refere-se a isso como "capa de fluxo laminar" para abreviação |
| lisozima | Omega Bio-Tek | n / a | incluído no kit de extração de DNA bacteriano da Omega Biotek |
| solução de estoque de ácido peracético (32%) | Sigma-Aldrich | 269336 | |
| vaselina vaselina | n / a | ||
| tampão de proteinase K | Omega Bio-Tek | PD061 | incluído no kit de extração de DNA bacteriano da Omega Biotek ("tampão TL") |
| tampão purificador | Omega Bio-Tek | PDR042 | incluído no kit CyclePure da Omega Biotek (tampão "CP") |
| RsaI | New England BioLabs | R0167 | Inclui tampão CutSmart (digestão) |
| Recipiente secundário | n/a | n/a | um recipiente de plástico com tampa (como um Kritter Keeper) funciona bem para isso (25 cm de comprimento x 15 cm de largura x 22 cm de altura); deve ser grande o suficiente para caber em inclinações BHI e espectrofotômetro de tubos de ensaio |
| ThermoFisher | ND-2000 | Informações do catálogo são para NanoDrop2000 | |
| agitador térmico | Eppendorf | EP5386000028 | Thermomixer R |
| Tris-EDTA | Fisher | BP1338-1 | 10 nm Tris, 1 mM EDTA, |
| tampão de lavagem | pH 8Omega Bio-Tek | PDR044 | incluído no kit de extração de DNA bacteriano da Omega Biotek (tampão de "lavagem de DNA) |
| Cama de lascas de madeira | P.J. Murphy Forest Products | Sani-Chips |