Termometru pentru celule
Candidatul științelor biologice Tatyana Perevyazova, Kirill Stasevich
Problema măsurării temperaturii în interiorul unei celule vii poate părea ciudată.
Este dificil să ne imaginăm o cantitate fizică mai cunoscută decât temperatura. Fie că ascultăm prognoza meteo, dacă deschidem un orificiu de apă, fie că ne punem un termometru - suntem peste tot cu el. Temperatura este asociată cu obiecte mari - cu mase de aer, cu un vas de apă, cu un corp uman. Și întrebarea cum se poate măsura temperatura într-o singură celulă vie poate părea ciudată. Într-adevăr, cum? Și este necesar?
Răspunsurile la aceste întrebări sunt date de experimentele efectuate la Institutul de Biofizică Teoretică și Experimentală al Academiei de Științe din Rusia, împreună cu colegii japonezi. Povestea acestor experimente și a rezultatelor lor va începe puțin din afară.
Transformările de energie, fie într-o reacție chimică sau într-un proces fizic, sunt însoțite de eliberarea căldurii. În celula vie a acestor reacții și procese există o mare varietate. Iată un exemplu: în membranele celulare sunt formate, de obicei, gradientul așa-numita concentrație de ioni, când ceea ce unii ioni (de ex Ca 2+) pe de o parte a membranei este foarte mult, dar pe de altă parte - foarte puțini. Când vine vorba de timp pentru a da un semnal de biomolecule intracelulare sau de a comunica ceva la exterior, alte celule din membrana se deschide un canal prin care fluxul de ioni se deplasează de la locul în care mulți dintre ei, în cazul în care acestea sunt puține; iar această mișcare ionică este cea care efectuează munca biochimică și biofizică necesară. acumulare de ioni Gradient și de evacuare a legilor fizico-chimice trebuie să fie însoțită de o creștere a temperaturii, adică membrană și molecula de membrană servind de lucru de bucătărie ionice ca surse de căldură instantanee. Se poate măsura această căldură?
Știm că temperatura este o caracteristică termodinamică, descrie starea unui număr mare de particule. Aproximativ, dacă există o mulțime de particule și se mișcă repede, ceea ce înseamnă că au o mare energie, întregul sistem va fi fierbinte. Dacă vă mișcați încet - rece. În ceea ce privește celula, se pare că particulele sunt prea mici, astfel încât să putem măsura temperatura.
De fapt, nu e așa. Dacă luăm, de exemplu, un micrometru de apă cubică (un volum aproape invizibil pentru ochi), atunci putem număra aproximativ 30 de miliarde de molecule în ea. Acesta este un număr foarte mare, iar sistemul de 30 de miliarde de particule, desigur, are temperatura proprie. Teoria fizică ne-a permis de mult să descriem microsistemele cu ajutorul unui parametru de temperatură; un rol important a fost jucat de activitatea fondatorului termodinamicii non-echilibru, om de știință restante Ilya Prigogine - fizician belgian și chimist fizică de origine rusă, Premiul Nobel pentru chimie în 1977. Dar de ce, până în prezent, nimeni nu a făcut încercări deliberate de a măsura efectele locale asupra temperaturii intracelulare?
Când avem de-a face cu un obiect mare, de exemplu, cu un fierbător de apă fierbinte, apa din acesta se răcește lent. Căldura acumulată de apă nu poate scăpa rapid în aer, deoarece apa și aerul conduc căldură diferit. Pentru a descrie ce se întâmplă cu temperatura în astfel de sisteme, există un aparat fizico-matematic special bazat pe termodinamica de echilibru. Dar boilerul și aerul din bucătărie sunt sisteme "mari". Și dacă avem doar microliter de apă sau chiar mai puțin - o celulă vie? Tocmai am spus că, din punct de vedere molecular, un microliter de apă este un sistem cu un număr mare de particule care are temperatura proprie. Cu toate acestea, există o nuanță importantă: imaginați-vă că într-un anumit loc în interiorul celulei a avut loc o reacție, însoțită de eliberarea căldurii. Va fi încălzită mediul cel puțin dintr-un anumit motiv, particulele sale vor simți căldura care le-a venit? Va exista un așa-numit gradient de temperatură în celulă atunci când două regiuni cu cantități diferite de căldură se află în apropiere și căldura de la un flux în altul, astfel încât să o putem măsura? Calculele anterioare au sugerat că puterea surselor de căldură într-o celulă vie este prea mică pentru a crea gradienți de temperatură locală în ea. Asta înseamnă că s-ar produce sare de temperatură locală, dar nu atât de mari încât să afecteze procesele intracelulare.
În ultimele decenii, a devenit clar că astfel de calcule termodinamice, aparent, nu sunt aplicabile microsistemelor. De exemplu, dispozitivele electronice pot încălzi destul de puternic, iar când au început să exploreze modul în care procesoarele de calculator la cald, sa dovedit că micro- lor semiconductoare și nanostructuri gradienți de temperatură obținute sunt semnificativ mai mari decât ar fi de așteptat. De ce se întâmplă acest lucru? Pentru că înainte să nu ia în considerare microstructura complexă a mediului acelor semiconductori. Este tot în fierbător este relativ simplu: chiar dacă vom fierbe complexul din punct de vedere chimic, o soluție de săruri, este încă omogenă și se poate spune că căldura este distribuită în întregul volum mai mult sau mai puțin uniform. Și dacă avem de-a face cu o structură complexă, căldura din diferite părți ale acesteia va fi distribuită diferit. Ca un exemplu al modului în care structura substanței poate afecta conductivitatea termică, nanotuburi de carbon poate aduce: conductivitate termică de-a lungul axei lor este 1750 ... 5800 W / (m · K), dar dacă perpendicular lăsa căldură, conductivitate termică se va axa doar aproximativ 0,02 ... 0,07 W / (m · K), adică cinci ordine de mărime mai mici!
Dacă ne uităm în interiorul unei celule vii, descoperim că nu este o soluție omogenă de proteine, lipide, etc. -. Vedem o mulțime de organite, membrane intracelulare, complexe moleculare mari. Compararea procesoarelor de calculator cu celulele va părea cu atât mai logică dacă vom compara caracteristicile lor electrodynamice. Se știe că diferența dintre potențialele electrice ale membranei plasmatice (datorită distribuției ionilor pe ambele părți) este de aproximativ 100 mV. Ajustată pentru diferența de grosime este aproximativ aceeași tărie domeniu care există în nanostructuri microprocesoare, și, de fapt, într-un astfel de procesoare de câmp are ca rezultat efecte termice semnificative. Dacă undeva aproape de membrana de lipide se întâmplă emisiile de căldură, precum și CPU, este amânată pentru ceva timp, deoarece membrana în sine și complexele moleculare, plutind lângă vatra termică, se va disipa căldura nu este la fel de repede cum sa întâmplat într-o soluție omogenă.
Se pare că celula din cauza structurii interne complexe ar trebui să fie literalmente îngrădită cu focare locale de căldură, apoi să apară, apoi să se estompeze. aici articolulóum amintiți-vă că reacțiile chimice și fizice, nu numai ei înșiși generează căldură, dar, de asemenea, depinde de condițiile de temperatură ambiantă, de exemplu, există procese care sunt la grade înalte merge mai repede, și există altele care, dimpotrivă, încetinind atunci când este încălzit. Evident, diferențele de temperatură dintre diferitele părți ale celulei sau între celulă și mediul său imediat ar trebui să influențeze puternic fiziologia celulară. Pentru a verifica dacă este într-adevăr, trebuie să puteți nu numai să măsurați temperatura într-o singură celulă, ci și să o încălziți pentru a vedea cum reacționează - dacă este deloc, răspunde.
Acesta este capabil să facă candidat științe fizice și matematice Vadim Tseebu si colegii sai de la Institutul de Biofizică teoretice și experimentale (ITEB) al Academiei Ruse de Științe, împreună cu personalul din Universitatea Waseda din Japonia. Nano-încălzitorul lor este relativ simplu. Se ia o suspensie de nanoparticule de aluminiu, al căror diametru este de aproximativ 100 nm. În suspensie pentru câteva secunde, coborâți vârful (aproximativ un micrometru diametru) dintr-o micropipetă de sticlă obișnuită. Suspensia apoasă intră în vârful pipetei, care este apoi adusă la încălzitor: apa se evaporă și nanoparticulele rămân. Apoi, vârful pipetei este furnizat mai aproape de încălzire, astfel încât acesta oplavilsya - rezultând în mai multe micropipete sunt sigilate nanoparticule de aluminiu. În general, alte metale - platină, argint, aur - pot servi drept "umplutură" pentru un nanograiner. Alegerea aluminiului se datorează numai faptului că nanoparticulele sale fuzionează slab unul cu celălalt.
Se va încălzi cușcă de metal, și să se încălzească nanoparticulele au nevoie de un laser în infraroșu, cu o lungime de undă de 1064 nm - nu absoarbe radiații este nici apă, nici de sticlă, astfel încât toată energia radiației va intra în aluminiu. Ținând fasciculul laser pe nanonagrevatelya vârf poate literalmente în câteva milisecunde pentru a primi un gradient de temperatură abruptă - din cauza conductivității termice scăzute a apei toată căldura va fi lansat in nanoparticule.
Dar e un încălzitor și ce e un termometru? Este aranjat într-un mod similar și este o micropipetă sigilată cu o substanță fluorescentă termosensibilă: în funcție de temperatură, substanța fluoresce la frecvențe diferite. Când aducem vârful termometrului la vârful încălzitorului, moleculele din vârful termometrului se simt calde și încep să strălucească diferit. Firește, încălzitorul și termometrul au fost testate mai întâi fără celule, în apă pură și deja în astfel de experimente preliminare a fost posibil să se obțină un rezultat interesant. Când nanoparticulele s-au încălzit la 100 ° C, pe încălzitor a apărut un balon de vapori saturați - cu alte cuvinte, apa de lângă ea fiartă. Dar deja la o distanță de 20 microni, temperatura a scăzut la 30 ° C, apoi a scăzut lent la 24 ° C (pentru comparație: dimensiunea organite mitocondriale important ca energia extract pentru ea și în care curge un mare număr de reacții este de la 0 , 5 până la 10 microni), doar în astfel de cazuri și se spune că există un gradient de temperatură abrupt. deoarece apa conduce caldura slab, ceva este deja la fel de mult ca 70 ° C mai mică decât temperatura în imediata vecinătate nanonagrevatelya. Și chiar dacă laserul va păstra întotdeauna temperatura la 100 ° C pe nanoparticule, gradientul de temperatură nu va merge nicăieri.
De ce vorbim atât de mult despre gradientul de temperatură? Imaginați-vă că un nano-încălzitor cu o temperatură de 100 o C a vârfului sa apropiat de celulă. Bineînțeles, asta nu o va face fericită. Dar vecinii ei nu vor simți nimic serios, în cel mai rău caz - încălzirea în mai multe grade: gradientul este abrupt, temperatura scade foarte repede cu distanța de la încălzitor. Și acum imaginați-vă că celula moartă a fost canceroasă, iar vecinii ei - obișnuiți, sănătoși. Dacă am avea un astfel de scalpel de temperatură în mâinile noastre, ar fi posibil să eliminăm focurile de tumori maligne extrem de precis, fără a afecta țesuturile sănătoase din jur. (Având în vedere în special faptul că tumorile sunt mai puțin tolerate de stresul termic.)
Dar, înainte de a fantezii despre aplicarea noii metode, aceasta ar fi bine să știți înainte de a continua cu experimente nanonagrevatelem. Instalarea testat cu celule umane, care creează un gradient de temperatură, iar celulele au fost lăsate de colorant sensibil la conținutul de ioni de calciu. După cum știm, diverși ioni, inclusiv calciu, sunt distribuite în jurul cuștii proteine inegal speciale le pompată în anumite organite sau citoplasmă, iar atunci când este vorba de calciu, se acumulează în sistemul complex de vezicule membranare și tubii numite reticulul endoplasmatic sau reticulul endoplasmatic. Sa constatat că încălzirea și răcirea ulterioară stimula eliberarea puternică a ionilor de calciu din reticulul endoplasmatic în citoplasmă, care a fost colorant sensibil vizibil calciu culoare, care este, de asemenea, plutind în citoplasmă.
Acest lucru poate părea un experiment simplu și nu este clar de ce a fost necesar să se creeze un nano-încălzitor: de ce să nu încălzi celulele într-un mediu nutritiv și să le privești simultan într-un microscop? Dar, în primul rând, cu o încălzire generală, celulele ar fi pur și simplu să plutească departe de focalizarea microscopului din cauza expansiunii termice a materialelor. În al doilea rând, eliberarea de calciu a avut loc la răcirea foarte rapidă: după oprirea laserului, gradientul de temperatură a dispărut literalmente în milisecunde. Un astfel de salt de căldură ultra rapid nu a putut fi aranjat pur și simplu prin încălzirea culturii celulare.
Nu este necesar să explicăm de mult timp ce perspective se deschid pentru biologie. În primul rând, știm ce un rol foarte important pentru a juca potențialul de ioni transmembranare de celule; Îmi amintesc despre mitocondrii, care, prin intermediul fluxului de ioni, printr-o enzimă specială de membrană sunt sintetizate la molecula energetica celulara, si despre neuronii care genereaza impulsuri nervoase datorită distribuției inegale a ionilor pe ambele părți ale membranei celulare. Acționând în impulsuri de căldură de celule, putem afla mai multe despre procesele cele mai fundamentale în fiziologia. În al doilea rând, în cazul în care căldura este un efect atât de puternic asupra creșterii celulare, este ușor de imaginat cum un astfel de nanonagrevatel poate fi utilizat în medicina regenerativă, în cazul în care este adesea necesar pentru a restabili tepii deteriorate in celulele nervoase sau chiar determina celulele să crească într-o anumită direcție. În plus, gradientul de temperatură poate fi utilizat în alte metode de înaltă tehnologie - metoda 3D de imprimare, care este acum în curs de dezvoltare în mod activ de celule vii de imprimare.
Desigur, acum știm deja multe despre modul în care temperatura afectează celula. Dar, până în prezent, au fost investigate în principal reacții fizico-chimice individuale sau culturi celulare întregi. Recent, metode de activ dezvoltate în biologie, care ne permit sa studieze comportamentul celulelor individuale si molecule individuale, astfel încât, în acest sens, experimentele descrise sunt în fruntea științei biologice. Și, din moment ce multe efecte termice apar în celula foarte repede, cu ajutorul unei metode noi suntem doar posibilitatea de a vedea ce se întâmplă la încălzirii instantanee, răcirea instantanee a unui volum foarte mic de citoplasmă celulei sau mediul său înconjurător.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: