Metody badania aktywności komórek. Biologia

Pierwszą osobą, która osobiście zobaczyła strukturę komórkową żywego organizmu, był wynalazca mikroskopu Robert Hooke. W 1665 roku rozważył strukturę komórkową kory dębu. Odtąd struktura mikroskopów i metod badania żywotnej aktywności komórek poszły daleko w przyszłość. I nadal się rozwijają, dając naukowcom nowy i nowy materiał do badań i teorii dotyczących funkcjonowania jednostek strukturalnych całego życia na naszej planecie.

Najbardziej znane nazwiska w historii komórki

Robert Hooke, który studiował struktura komórek roślinnych wierzyli, że ich ściany są żywe, a nie zawartość. Po 10 latach włoski lekarz Marcello Malpigi zaproponował pierwszą komórkową teorię struktury roślin. Uważał, że wszystkie organy roślinne są tworzone przez komórki, które mają cytoplazmę. Anthony van Leeuwenhoek zbadał ludzkie krwinki czerwone i ludzkie plemniki, a słynny francuski zoolog Jean Baptiste Lamarck założył, że wszystkie organizmy żywe zbudowane są z komórek. Przepisy współczesności teoria komórki wprowadzony przez niemieckich biologów Theodora Schwanna i Mathiasa Schleidena, i dodał go rosyjskiemu patologowi Rudolph Virkhov. Tak narodziła się nowa nauka o komórkach, a stało się to w 1839 r., Kiedy biologowie używali jedynie mikroskopów świetlnych i raczej kiepskiego arsenału wiedzy.

Jaka nauka bada życie komórek?

Zadaniem cytologa jest ustalenie struktura komórkowa, jego elementy strukturalne, prawa życiowej aktywności i normalnego funkcjonowania. Cytologia naukowa, od greckiego słowa "cytoc" - "komórka", oprócz powyższego, bada wygląd i śmierć komórek, procesy reprodukcji. Na granicy tej wiedzy znajduje się patologia komórek, cytologia kliniczna - nauki, które opisują i badają patologiczne warunki komórki. Biochemia i biofizyka komórki bada podstawy jej procesów życiowych. A genetyka komórki bada prawa dziedziczenia i redystrybucji materiału dziedziczności na poziomie komórkowym. Każda z wymienionych gałęzi biologii ma własny plan i metody badania aktywności komórek. Zapoznajmy się z najważniejszymi z tych metod, którymi dysponują współczesni biolodzy.

Pierwsze mikroskopy

Historycznie, pierwszymi urządzeniami do badania komórek były mikroskopy świetlne. Zasada ich działania polega na tym, że promienie światła przechodzą przez przezroczysty obiekt, który następnie wchodzi w system soczewek powiększających. Nowoczesne mikroskopy świetlne umożliwiają zwiększenie przedmiotu obserwacji o 2 tysiące razy. Ale jego możliwości są ograniczone przez rozdzielczość - minimalną odległość między dwoma punktami, gdy są nadal widoczne jako oddzielne obiekty. Granice tej zdolności są fizyczne cechy natury światła, długość fali świetlnej. Najlepszy nowoczesny mikroskop świetlny pozwala zobaczyć struktury o odległości między elementami 0,25 mikrometra. Dla porównania: wielkość bakterii E. coli wynosi 2 mikrometry. Zatem mikroskopia świetlna umożliwia badanie organizmów jednokomórkowych, struktury tkanek i komórek, ale wewnętrzna struktura organelli komórkowych, małych bakterii i wirusów nie jest dostępna dla tej metody badania aktywności komórek. Ale istnieją pewne zalety tej metody - pozwala ona prowadzić badania in vivo obiektu biologicznego. Ponadto różne metody barwienia leków dają wyraźne obrazy i są szeroko stosowane w diagnostyce klinicznej.

Mikroskopia elektronowa

Granica rozdzielczości może zostać przekroczona, jeśli zamiast światła stosowane są elektrony, aby uzyskać obraz. I taki krok został zrobiony w 1931 roku, kiedy wydano pierwszy patent na transmisyjny mikroskop elektronowy. To urządzenie ma również soczewki, ale nie są one szklane, ale magnetyczne. Skupiają elektrony i wyświetlają obraz na ekranie. Mikroskopia elektronowa jako metoda badania żywotnej aktywności komórki pozwala powiększyć obiekt milion razy, a granica rozdzielczości zostaje zwiększona do 0,5 nanometra. Nowoczesne mikroskopy elektronowe są półprzezroczyste i rastrowe (skanowanie). Ale niezależnie od rodzaju urządzenia powiększającego ma swoje wady. Pomimo bardzo wysokiej klarowności obrazu, takie urządzenia nie pozwalają na badanie obiektów biologicznych w życiu, a przygotowanie próbki do takiego badania jest procesem bardzo długim i drogim.

Model komórki 3D

Jednym z najnowszych sposobów badania żywotnej aktywności komórki, która ma zaledwie kilka dekad, jest mikroskopia fluorescencyjna. Metoda polega na wprowadzeniu do komórki specjalnych świecących etykiet (substancji, które pod pewnym oświetleniem jarzą się w innym kolorze). Mogą oznaczać poszczególne cząsteczki substancji i śledzić ich drogę w komórce. Ponadto takie etykiety zapewniają piękne i wyraźne trójwymiarowe obrazy obiektu.

Rozdziel klatkę na części

Aby zbadać strukturę poszczególnych składników strukturalnych komórki, ważne jest, aby wyizolować je w czystej postaci, która stała się całkiem realna na początku lat 40. ubiegłego wieku. Takie rozdzielanie na frakcje jest możliwe przy użyciu wirowania różnicowego jako jednej z metod badania aktywności komórek. Plan zastosowania tej metody składa się z dwóch etapów: zniszczenia komórki i rozdzielenia składników na frakcje różniące się masą cząsteczkową. Niszczą ściany komórkowe za pomocą ultradźwięków, pękają lub prostują szlifowanie.

W wirówce, ze względu na siły odśrodkowe, cięższe składniki osiadają najpierw. Tak więc, przy wysokich prędkościach wirowania jądra komórkowe są osadzane najpierw, następnie mitochondria i inne organelle, ostatnie to rybosomy. Oddzielone organelle są łatwe do zbadania pod mikroskopem. Przy starannym zastosowaniu tej metody badania aktywności komórek zachowany zostaje plan struktury organelli i staje się możliwe ustalenie mechanizmu molekularnego niektórych procesów. Było to wykorzystanie wirowania frakcyjnego, które pozwoliło rozszyfrować etapy biosyntezy białka w komórkach.

Zamroź i sprawdź

Raczej nową metodą w biologii komórki jest spiętrzenie mrożące. Podczas normalnego zamrażania w komórkach pojawiają się kryształy lodu, które zniekształcają strukturę. Ale przy szybkim zamarzaniu z ciekłym azotem (temperatura minus 196 stopni Celsjusza) woda nie przekształca się w postać krystaliczną, a komórki nie deformują się. Następnie próbki są cięte, nadmiar lodu jest usuwany i natryskiwana jest warstwa metali ciężkich. Następnie tkanka próbki zostaje rozpuszczona, a wydruk zostaje pozostawiony, w wyniku czego uzyskuje się efekt cieni. Obraz w mikroskopie otrzymuje się objętościowo. To dzięki zastosowaniu takiej metody badania żywotnej aktywności komórek można było badać strukturę błon.

Metoda hodowli

Jakie metody wykorzystują współczesni naukowcy do badania komórek? Oto jeden z najbardziej niezwykłych i niezwykle obiecujących - rozwijających się w specjalnych środowiskach. Ta metoda jest stosowana, gdy do badania potrzebnych jest wiele identycznych komórek. I żywy. Następnie przygotowuje się bardzo złożone środowisko (13 aminokwasów, 8 witamin, glukozy, antybiotyków i soli mineralnych), na którym umieszcza się hodowlę komórkową. Wiadomo, że komórki w kulturze umierają po pewnej liczbie podziałów. Ale w kulturze mogą pojawić się zmutowane gatunki zdolne do nieskończonej reprodukcji. To oni i wprowadzają czystą linię, którą nazywa się przeszczepialną. Najbardziej znaną linią jest linia HeLa, komórka rakowa szyjki macicy. Zostały one wycofane w 1952 roku.

Mikrochirurgia komórkowa

Jest to jedna z najciekawszych metod badania komórek. Dzięki mikromanipulatorom (bardzo małym haczykom, pipetom, igłom, kapilarom) komórka jest wycinana i może być dodawana jako coś, co umożliwia jej usunięcie. Specjalista monitoruje cały proces za pomocą mikroskopu. W ten sposób można przeszczepić jądro jednej komórki do drugiej i udowodnić, że jest to czynnik determinujący typ (takie eksperymenty przeprowadzono z amebami). Ta metoda otwiera możliwość wprowadzenia przeciwciał i specjalnych białek w żywych komórkach, które znacząco wpływają na aktywność życiową. Metoda aktywnie się dziś rozwija, jest szeroko stosowana w inżynierii genetycznej - odrębnym kierunku biologii, mającym na celu manipulowanie genami organizmów i hodowanie sztucznych białek, tkanek i całych organizmów.

Nanoroboty w cytologii

Amerykańscy biolodzy stworzyli już nanoprobe, który może monitorować procesy elektrochemiczne i biochemiczne w żywych komórkach. Model eksperymentalny jest tak mały, że może zmieścić się w jądrze, a nawet mitochondriach.

Jednak w Szwecji opracowano nanoczujnik, który mierzy pH w cytoplazmie komórki i jest w stanie odróżnić nawet pojedyncze cząsteczki substancji chemicznych w różnych częściach komórki. Ponadto poczuje bardzo słaby potencjał elektrochemiczny, który pojawia się, gdy łączą się biomolekuły.

Na uniwersytecie w Cambridge naukowcy opracowali nanomotor, który może wnieść wszystko do komórki, od cząsteczek odżywczych po przeciwciała. Nazwali go "mrówką" - wywiera on siłę na obiekt 100 razy większy niż jego waga. Perspektywy "mrówki" w medycynie uderzają w ich zakres.

I w końcu. Czujniki zdrowia, asemblery molekularne, nano-sondy i urządzenia do przechowywania informacji nie są już przyszłością technologii, ale teraźniejszością. Amerykański wynalazca i futurysta Ray Kurzweil twierdzi, że dzięki nanotechnologii ludzki biologiczny układ nerwowy może być podłączony do Internetu już w 2030 roku.