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
ru_RU
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Этот протокол используется при установлении и поддержании гнотобиотических американских тараканов(Periplaneta americana)путем поверхностной стерилизации яиц (oothecae) до вылупления. Эти гнотобиотические насекомые содержат вертикально передаваемые Blattabacterium endosymbionts, но имеют аксеновые кишки.
Гнотобиотические животные являются мощным инструментом для изучения контроля над структурой и функцией микробиома. Здесь представлен протокол по установлению и содержанию гнотобиотических американских тараканов(Periplaneta americana). Этот подход включает в себя встроенные проверки стерильности для постоянного контроля качества. Гнотобиотические насекомые определяются здесь как тараканы, которые все еще содержат вертикально передаваемый эндосимбионт(Blattabacterium),но не имеют других микробов, которые обычно находятся на их поверхности и в их пищеварительном тракте. Для этого протокола яйцеклетки (oothecae) удаляются из (нестерильной) колонии и стерилизуются на поверхности. После сбора и стерилизации оотеки инкубируют при 30 °C в течение примерно 4-6 недель на агаре инфузии мозга и сердца (BHI) до тех пор, пока они не вылупятся или не будут удалены из-за загрязнения. Вылупившиеся нимфы переносятся в колбу Эрленмейера, содержащую пол BHI, стерильную воду и стерильную крысиную пищу. Чтобы гарантировать, что нимфы не являются обустройством микробов, которые не могут расти на BHI в данных условиях, дополнительная мера контроля качества использует полиморфизм ограничения длины фрагмента (RFLP) для тестирования на неэндосимбиотические микробы. Гнотобиотические нимфы, полученные с использованием этого подхода, могут быть инокулированы простыми или сложными микробными сообществами и использованы в качестве инструмента в исследованиях кишечного микробиома.
Гнотобиотические животные оказались бесценными инструментами для исследований микробиома1,2,3. Животные без микробов и с определенной флорой позволили прояснить взаимодействия хозяина и микроба, включая иммунологические реакции хозяина, созревание эпителия кишечника и метаболизм хозяина1,4,5,6,7. Гнотобиотические животные, привитые упрощенным сообществом, также помогли в более полном понимании взаимодействий микроб-микроб в кишечном сообществе, в частности, в разгадке перекрестных кормлений и антагонистических отношений8,9,10,11. В настоящее время предпочтительной модельной системой для исследований в микробиоме кишечника млекопитающих является мышиная модель. Хотя эта система была жизненно важна для открытий, описанных выше, ключевым недостатком является связанная с этим стоимость. Для создания и обслуживания гнотобиотического объекта необходимо специализированное оборудование и высококвалифицированные технические специалисты. Это, в сочетании с дополнительной осторожностью, которая должна быть уделена каждому аспекту содержания гнотобиотических животных, приводит к тому, что гнотобиотическое животное стоит в десять-двадцать раз дороже, чем стандартное животное модели12. Из-за высоких затрат многие исследователи могут быть не в состоянии позволить себе гнотобиотическую модель мыши. Кроме того, в то время как мышиные модели могут быть наиболее широко принятым выбором для исследований, направленных на перевод на здоровье человека, все еще существует много физиологических и морфологических различий между кишечником человека и мыши13. Очевидно, что ни одна единичная модель не является достаточной, чтобы ответить на постоянно растущее число вопросов, касающихся многих аспектов кишечного микробиома.
Модели насекомых являются более дешевой альтернативой из-за их более низкой стоимости обслуживания по сравнению с видами млекопитающих. Обширные исследования без микробов и гнотобиотиков на различных видах насекомых привели к разработке нескольких широко используемых моделей. Комары и дрозофилы являются общими моделями работы без микробов из-за их актуальности для глобальных заболеваний и генетической трактовки14,15. Другой новой модельной системой является система медоноснойпчелы (Apis mellifera),учитывая ее важность в исследованиях опыления и социальности16. Однако многим из этих широко используемых насекомых не хватает таксономической сложности, наблюдаемой в сообществах кишечника млекопитающих17,что ограничивает их способность моделировать взаимодействия более высокого порядка. Мало того, что общее разнообразие микробов, обнаруженных в кишечнике американских тараканов, больше похоже на млекопитающих, но многие из микробов, присутствующих в кишечнике таракана, принадлежат к семействам и типам, которые обычно встречаются в кишечной микробиоте млекопитающих и людей18. Задворка таракана также функционально аналогична толстой кишке млекопитающих, так как представляет собой ферментационную камеру, плотно заполненную бактериями для помощи в извлечении питательных веществ19,20. Наконец, всеядный характер тараканов допускает разнообразие режимов питания, которые были бы невозможны с диетологами.
Американские тараканы могут быть полезной модельной системой для понимания микробных сообществ кишечника в высших организмах, но статус таракана как вредителя также делает эту систему актуальной для борьбы с вредителями21. Использование фундаментальных знаний о влиянии кишечного сообщества на здоровье и физиологию тараканов помогает в разработке новых методов борьбы с вредителями.
Целью этого метода является подробное описание становления и содержания гнотобиотических американских тараканов(Periplaneta americana),но этот протокол может быть использован для генерации нимф любого яйцекладущего таракана. Он включает в себя метод эффективного, неинвазивного сбора зрелых оотеков и неразрушающий метод мониторинга гнотобиотического статуса насекомых22,23,24. В то время как предыдущие методы достижения и поддержания гнотобиотических тараканов описывают коллекцию ootheca23,24,25,26,27,зрелость оотеки либо интерпретируется в терминах видоспецифических сигналов (в Blattella germanica22,24,25),либо явно не описана27,28,что затрудняет реализацию для тех, кто не знаком с системой. Поскольку описанный здесь способ использует естественно упавшие оотеки, погрешность преждевременного удаления яйцеклеток отсутствует. Этот протокол содержит как зависящие от культуры, так и зависящие от культуры методы контроля качества, а зависящий от культуры метод не требует жертвоприношения насекомых. Наконец, этот метод объединяет информацию из нескольких исследований гнотобиотических тараканов для создания единого всеобъемлющего протокола со всей необходимой информацией для достижения и поддержания гнотобиотических тараканов.
1. Подготовка материалов
2. Коллекция оотека
3. Очистка отека
4. Стерилизация и инкубация оотека
5. Содержание гнотобиотических нимф
6. Контроль качества стерильности
7. Асептическое отслеживание роста нимфы
Резервуары для запасов настроены так, как показано на рисунке 1. «Беременные» самки идентифицируются по оотеке, прикрепленной к заднему брюшку, как показано на рисунке 2. Инкубация оотека на агаре BHI позволяет контролировать качество гнотобиотиков неразрушающим образом. В некоторых случаях стерилизация оказывается неудачной, и рост появляется вокруг оотеков, как показано на рисунке 3B. Эти оотеки должны быть удалены и выброшены. В наших руках наблюдался 10% средний процент отказов для стерилизации (n = 51). Оотеки вылупляются в среднем через 34 дня после стерилизации без роста на среде, как показано на рисунке 3А. Мы наблюдали типичную скорость вылупления 41% (n = 46) для стерилизованных, незагрязненных оотеков, в среднем 11 нимф на оотеку. Более крупные нимфы переносятся в колбы BHI, покрытые фольгой, как показано на рисунке 4. Фольга предотвращает загрязнение, и нимфам есть место для роста. RFLP 16S рДНК от гомогенизированной нимфы используется для подтверждения гнотобиотического статуса. Было замечено, что гнотобиотические нимфы растут более медленными темпами, чем их нестерильные коллеги, как показано на рисунке 5. На рисунке 6 показаны результаты успешно гнотобиотических насекомых, а также стандартных (нестерильных) нимф.
Хотя этот тест еще не выявил загрязнения в отсутствие положительного результата культивирования, этот шаг регулярно проводился во время критических экспериментов, чтобы исключить присутствие загрязняющих кислород чувствительных или привередливых микробов. Более медленный рост наблюдался у гнотобиотических тараканов по сравнению со стандартными / нестерильными насекомыми.

Рисунок 1: Настройка культуры стай тараканов.
Картонные трубки можно увидеть сложенными в дальнем конце резервуара. Еда и вода находятся рядом с передней частью резервуара. Крышка из хлопчатобумажной ткани и резинка были сняты для видимости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: «Беременный» американский таракан.
Стрелка указывает на оотеку. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Изображения успешно гнотобиотических нимф, вылупившихся и неудачно стерилизовавших оотеки на наклонах BHI.
Oothecae стерилизовали и инкубировали, как описано в этом протоколе. (A)Отсутствие микробного роста на наклоне BHI указывает на то, что насекомые свободны от культивируемых организмов. (B) Oothecae на наклонах, которые приводят к образованию колоний, должны быть выброшены как загрязненные. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: Гнотобиотический аппарат для выращивания.
Насекомых держат в стерильных колбах, покрытых фольгированной крышкой для предотвращения загрязнения. Вторичный контейнер (зеленая крышка) стерилизуется 2% отбеливателем, а затем 70% этанолом. Поток воздуха во вторичном контейнере не ограничен. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5: Репрезентативные данные о темпах роста, сравнивающие длину тела гнотобиотических и нестерильных нимф. Обе группы насекомых питались диетой автоклавных грызунов. Гнотобиотические насекомые (здесь: n = 105) содержатся на BHI, как описано. Нестерильные насекомые (здесь: n = 50) живут в колбах с автоклавной подстилкой из щепы с небольшими посудами для воды. Нестерильные нимфы растут со средней скоростью 0,059 мм / день, в то время как гнотобиотические нимфы растут со скоростью 0,028 мм / день (p < 0,0001). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 6: Репрезентативное гелевое изображение результатов RFLP для контроля качества.
Ампликоны гена Whole-16S переваривались с помощью RsaI. ДНК для ПЦР была извлечена из нимф, гомогенизированных в 1x PBS. Полосы «G nymph» соответствуют гнотобиотическим нимфам, в то время как полосы «conv nymph» соответствуют обычным, нестерильным аналогам. Основываясь на виртуальном рестриктующем дайджесте, эндозимбионт(Blattabacterium),как ожидается, будет иметь полосы размерами 402 bp, 206 bp и 163 bp, с мазком полос между 163 bp и 148 bp. Гнотобиотическое насекомое должно показывать только полосчатый рисунок Blattabacterium. Ожидается, что смешанное бактериальное сообщество будет иметь мазок из полос с различными размерами, помеченных здесь как «другие бактериальные фрагменты 16S». Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
У авторов нет конфликта интересов для раскрытия.
Этот протокол используется при установлении и поддержании гнотобиотических американских тараканов(Periplaneta americana)путем поверхностной стерилизации яиц (oothecae) до вылупления. Эти гнотобиотические насекомые содержат вертикально передаваемые Blattabacterium endosymbionts, но имеют аксеновые кишки.
Эта публикация была поддержана Национальным институтом общих медицинских наук Национальных институтов здравоохранения под номером R35GM133789. Содержание является исключительной ответственностью авторов и не обязательно представляет официальную точку зрения Национальных институтов здравоохранения. Авторы хотели бы поблагодарить Джози Дайера за отслеживание скорости стерилизации, скорости вылупления и темпов роста гнотобиотических тараканов.
| 2X мастер-микс | New England BioLabs | M0482 | OneTaq MasterMix |
| Автоклавируемый крысиный чау | Zeigler | NIH-31 Модифицированный набор для | |
| экстракции бактериальной ДНК | Omega Bio-Tek | D-3350 | E.Z.N.A. Набор бактериальной ДНК; включает лизоцим, стеклянные шарики, протеиназу К, буферы (протеиназа К, связывание, промывка, элюирование), колонки ДНК, | буфер для связывания пробирки объемом 2 мл
| Omega Bio-Tek | PD099 | входит в состав набора для экстракции бактериальной ДНК от Omega Biotek (буфер "HBC) | |
| бульон для инфузии мозга и сердца (BHI) | Research Products International | B11000 | |
| Салфетки для деликатных задач | KimWipe | JS-KCC-34155-PK | Набор для очистки ДНКKimWipes |
| Omega Bio-Tek | D6492 | Комплект E.Z.N.A. Cycle Pure; Также можно использовать D6493; включает в себя буферы (очищающие, промывающие, элюирующие) | |
| элюирующий буфер | Omega Bio-Tek | PDR048 | входит в набор для экстракции бактериальной ДНК Omega Biotek |
| стеклянные шарики | Omega Bio-Tek | n/a | входит в набор для экстракции бактериальной ДНК Omega Biotek |
| Гибридизационная печь | UVP | 95-0330-01 | мы используем гибридизационную печь для предварительного нагрева элюирующего буфера, но водяная баня, вероятно, также может быть б/у |
| шкаф биологической безопасности Laminar flow | NuAire, Inc. | Протокол NU-425-400 | относится к этому как «ламинарный проточный колпак» для краткости |
| лизоцима | Omega Bio-Tek | n/a | включен в набор Omega Biotek для экстракции бактериальной ДНК |
| исходный раствор надуксусной кислоты (32%) | Sigma-Aldrich | 269336 | |
| вазелин | вазелин | n/a | |
| протеиназа K буфер | Omega Bio-Tek | PD061 | входит в набор для экстракции бактериальной ДНК Omega Biotek («TL буфер») |
| очищающий буфер | Omega Bio-Tek | PDR042 | входит в комплект CyclePure от Omega Biotek (буфер «CP») |
| RsaI | New England BioLabs | R0167 | Включает CutSmart (буфер для разложения) |
| Вторичный контейнер | н/д | для этого хорошо подходит пластиковый контейнер с крышкой (например, Kritter Keeper) (25 см в длину, 15 см в ширину и 22 см в высоту); он должен быть достаточно большим, чтобы в него поместились наклоны BHI и пробирки | |
| спектрофотометр | ThermoFisher | ND-2000 | Информация в каталоге есть для термошейкера NanoDrop2000 |
| Eppendorf | EP5386000028 | Термомиксера R | |
| Tris-EDTA | Fisher | BP1338-1 | 10 нм Tris, 1 мМ EDTA, pH 8 |
| промывочный буфер | Omega Bio-Tek | PDR044 | входит в набор для экстракции бактериальной ДНК Omega Biotek (буфер «промывки» ДНК) |
| Подстилка из древесной щепы | P.J. Murphy Forest Products | Sani-Chips |