Abstract The potential to carry out high-throughput assays in a whole organism in a small space is one of the benefits of C. elegans , but worm assays often require a large sample size with frequent physical manipulations, rendering them highly labor-intensive. Microfluidic assays have been designed with specific questions in mind, such as analysis of behavior, embryonic development, lifespan, and motility. While these devices have many advantages, current technologies to automate worm experiments have several limitations that prevent widespread adoption, and most do not allow analyses of reproduction-linked traits. We developed a miniature C. elegans lab-on-a-chip device, Ce Lab, a reusable, multi-layer device with 200 separate incubation arenas that allows progeny removal, to automate a variety of worm assays on both individual and population levels. Ce Lab enables high-throughput simultaneous analysis of lifespan, reproductive span, and progeny production, refuting assumptions about the Disposable Soma hypothesis. Because Ce Lab chambers require small volumes, the chip is ideal for drug screens; we found that drugs previously shown to increase lifespan also increase reproductive span, and we discovered that low-dose metformin increases both. Ce Lab reduces the limitations of escaping and matricide that typically limit plate assays, revealing that feeding with heat-killed bacteria greatly extends lifespan and reproductive span of mated animals. Ce Lab allows tracking of life history traits of individuals, which revealed that the nutrient-sensing mTOR pathway mutant, sgk-1 , reproduces nearly until its death. These findings would not have been possible to make in standard plate assays, in low-throughput assays, or in normal population assays.

Abstract Changes in biomechanical properties have profound impacts on human health. C. elegans might serve as a model for studying the molecular genetics of mammalian tissue decline. Previously, we found that collagens are required for insulin signaling mutants’ long lifespan and that overexpression of specific collagens extends wild-type lifespan. However, whether these effects on lifespan are due to mechanical changes during aging has not yet been established. Here, we have developed two novel methods to study the cuticle: we measure mechanical properties of live animals using osmotic shock (OS), and we directly perform the tensile test (TT) on isolated cuticles using microfluidic technology. Using these tools, we find that cuticle, not the muscle, is responsible for changes in ‘stretchiness’ of C. elegans , and that cuticle stiffness is highly non-linear and anisotropic. We also found that collagen mutations alter integrity of the cuticle by significantly altering elasticity. Additionally, aging stiffens the cuticle under mechanical loads beyond the cuticle’s healthy stretched state. Measurements of elasticity showed that long-lived daf-2 mutants were considerably better at preventing progressive mechanical changes with age. These tests of C. elegans biophysical properties suggest that the cuticle is responsible for their resilience.

We recently linked branched-chain amino acid transferase 1 (BCAT1) with the movement disorder Parkinson disease (PD), and found that reduction of C. elegans bcat-1 causes abnormal spasm-like curling behavior with age. Here, we report the development of a high-throughput automated curling assay and its application to the discovery of new potential PD therapeutics. Four FDA-approved drugs were identified as candidates for late-in-life intervention, with metformin showing the greatest promise for repurposing to PD.

Metabolic dysfunction is a facet of many age-related neurodegenerative diseases, yet its role in disease etiology remains poorly understood (1). We recently discovered a potential causal link between the branched-chain amino acid transferase, BCAT-1, and the neurodegenerative movement disorder, Parkinson disease (PD) (2). Knockdown of C. elegans bcat-1 recapitulates PD-like features, including progressive motor deficits and neurodegeneration with age (2). Using transcriptomic, metabolomic, and imaging approaches, we show that bcat-1 knockdown increases mitochondrial activity and induces oxidative damage in neurons through mTOR-independent mechanisms. We recently developed a high-throughput screening platform to identify drugs that may be repurposed for PD, and found that metformin, the leading type 2 diabetes medication, significantly improves motor function in bcat-1(RNAi) worms (3). Late-in-life metformin treatment restores normal mitochondrial activity levels and protects against bcat-1-associated neurodegeneration. Our results suggest that PD may originate as a metabolic disorder, and highlight metformin as a promising new drug candidate for PD treatment.

Reproductive aging is one of the earliest human aging phenotypes, and mitochondrial dysfunction has been linked to oocyte quality decline. However, it is not known which mitochondrial metabolic processes are critical for oocyte quality maintenance with age. To understand how mitochondrial processes contribute to C. elegans oocyte quality, we characterized the mitochondrial proteomes of young and aged wild-type and long-reproductive daf-2 mutants. Here we show that the mitochondrial proteomic profiles of young wild-type and daf-2 worms are similar and share upregulation of branched-chain amino acid (BCAA) metabolism pathway enzymes. Reduction of the BCAA catabolism enzyme BCAT-1 shortens reproduction, elevates mitochondrial reactive oxygen species levels, and shifts mitochondrial localization. Moreover, bcat-1 knockdown decreases oocyte quality in daf-2 worms and reduces reproductive capability, indicating the role of this pathway in the maintenance of oocyte quality with age. Importantly, oocyte quality deterioration can be delayed, and reproduction can be extended in wild-type animals both by bcat-1 overexpression and by supplementing with Vitamin B1, a cofactor needed for BCAA metabolism.

Abstract C. elegans is used as a model organism to study a wide range of topics in molecular and cellular biology. Conventional C. elegans assays often require a large sample size with frequent manipulations, rendering them labor-intensive. Automated high-throughput workflows may not be always the best solution to reduce benchwork labor, as they may introduce more complexity. Thus, most assays are carried out manually, where logging and digitizing experimental data can be as time-consuming as picking and scoring worms. Here we report the development of Ce Aid, C. e legans A pplication for i nputting d ata, which significantly expedites the data entry process, utilizing swiping gestures and a voice recognition algorithm for logging data using a standard smartphone or Android device. This modular platform can also be adapted for a wide range of assays where recording data is laborious, even beyond worm research.