Ląstelių termometras

Ląstelių termometras

Tatjana Перевязьова, Kandidatas biologijos mokslų
Кирилл Стасевич
"Mokslas ir gyvenimas" № 3, 2017

Sunku įsivaizduoti dar labiau pažįstamą fizinį kiekį nei temperatūra. Nesvarbu, ar mes klausinėjame orų prognozę, atidarome vandens čiaupą, nustatydami termometrą sau – mes visur susiduriame. Temperatūra yra susijusi su dideliais objektais – su oro masėmis, su vandens paketu, su žmogaus kūnu. Ir klausimas, kaip matuoti temperatūrą vienoje gyvoje ląstelėje, gali atrodyti keista. Tikrai, kaip? Ir tai būtina? Atsakymai į šiuos klausimus pateikiami eksperimentuose, vykdomuose kartu su Japonijos kolegomis instituto teorinės ir eksperimentinės biofizikos Rusijos mokslų akademijos. Istorija apie šiuos eksperimentus ir jų rezultatus prasideda šiek tiek nuo toli.

Energijos transformacijos, tiek cheminės reakcijos, tiek tam tikro fizinio proceso metu, yra šilumos išsiskyrimas. Tokiose reakcijose ir procesuose gyvoje ląstelėje atsiranda daugybė. Čia yra vienas pavyzdys: vadinamasis jonų koncentracijos gradientas paprastai susidaro ląstelių membranose, kai yra jonų (pavyzdžiui, Ca2+) vienoje membranos pusėje yra labai daug, o iš kitos – labai mažai.Kai ateina laikas pateikti signalą į ląstelines biomolekules arba bendrai bendrauti su kitomis ląstelėmis, membranoje atsidaro kanalas, per kurį jonai tekėja iš daugybės vietų, kur jų yra nedaug; ir toks toks joninis judesys, kuris atlieka reikiamą biocheminį ir biofizinį darbą. Jonų gradiento kaupimasis ir jo išsiliejimas pagal fizikines-chemines taisykles turėtų lydėti temperatūros padidėjimas, ty membranos ir membranos molekulės, veikiančios joninę virtuvę, kaip momentinius šilumos šaltinius. Ar galima šilumą išmatuoti?

Mes žinome, kad temperatūra yra termodinaminė savybė, ji apibūdina daugybę dalelių būklę. Apytiksliai tariant, jei yra daug dalelių ir greitai judama, o tai reiškia, kad jie turi didelę energiją, visa sistema bus karšta. Jei juda lėtai – šalta. Kalbant apie ląstelę, gali atrodyti, kad ten yra per mažai dalelių, kad galėtume matuoti jų temperatūrą.

Tiesą sakant, viskas nėra taip. Pavyzdžiui, jei mes vartosime vieną kubinį mikrometrą vandens (beveik nepastebimos akies tūrį), tuomet mes galime suskaičiuoti apie 30 milijardų molekulių.Tai yra didžiulis skaičius, o 30 mlrd. Dalelių sistema, žinoma, turi savo temperatūrą. Fizinė teorija jau seniai leido apibūdinti mikrosistemas naudojant temperatūros parametrą; Čia svarbų vaidmenį atliko neefektyvios termodinamikos įkūrėjo darbai, išskirtinis mokslininkas Ilya Prigogine, Belgijos fizikas ir fizikochemistas iš rusų kilmės, Nobelio premija chemijoje, 1977 m. Bet kodėl tada, iki šiol, niekas nesukūrė sąmoningo bandymo išmatuoti vietinius intracellular temperatūros efektus?

Kai mes susiduriame su dideliu objektu, pvz., Verdančio vandens virduliu, jo vanduo lėtai atšaldomas. Šilumos, kaupiamos vandeniu, greitai nepaslysti į orą, nes vanduo ir oras atlieka šilumą skirtingai. Norėdami apibūdinti, kas atsitinka su temperatūra tokiose sistemose, yra specialus fizikines-matematinis aparatas, pagrįstas pusiausvyros termodinamika. Tačiau virimo virdulys ir oras virtuvėje yra "didžiosios" sistemos. Ir jei mes turime tik mikrolitrą vandens ar mažiau, gyvą ląstelę? Mes ką tik sakėme, kad iš molekulinio požiūriu mikrolitras vandens yra sistema, kurioje yra daugybė dalelių, kurios turi savo temperatūrą.Tačiau yra svarbus niuansas: įsivaizduokite, kad kažkur viduje ląstelėje įvyko reakcija, kartu su šilumos išsiskyrimu. Ar ji netgi šildo aplinką, ar jos dalelės jaučia šilumą? Ar ląstelėje bus vadinamasis temperatūros gradientas, kai šalia yra du plotai su skirtingu šilumos kiekiu, o šiluma iš vieno srauto į kitą, kad galėtume ją matuoti? Ankstesni skaičiavimai parodė, kad šilumos šaltinių galia gyvoje ląstelėje yra per maža, kad joje būtų sukurti vietiniai temperatūros gradientai. Tai reiškia, kad pasireikš vietinės temperatūros šuoliai, bet ne tokie dideli, kad paveiktų intracellular procesus.

Per pastaruosius kelis dešimtmečius tapo aišku, kad tokie termodinaminiai skaičiavimai akivaizdžiai netaikomi mikrosistemoms. Pavyzdžiui, elektroniniai prietaisai gali labai stipriai pašildyti, ir kai jie pradėjo tiksliai tirti, kaip kompiuteriniai procesoriai kaitinami, paaiškėjo, kad temperatūros gradientai jų puslaidininkių mikro- ir nanostruktūrose yra daug didesni, nei galima tikėtis. Kodėl tai vyksta? Kadangi prieš tai jie neatsižvelgė į sudėtingą šių puslaidininkių terpės mikrostruktūrą.Tai viskas yra gana paprasta virdulyje: net jei iš cheminio požiūriu viriname sudėtingą druskos tirpalą, jis vis dar yra vienalytis, ir galima sakyti, kad šiluma visoje tūrio dalyje paskirstoma daugiau ar mažiau tolygiai. O jei mes susiduriame su sudėtinga organizacija, šiluma skirtingose ​​jos dalyse bus paskirstyta įvairiais būdais. Kaip pavyzdį, kaip medžiagos struktūra gali paveikti šilumos laidumą, galima paminėti anglies nanovamzdžius: šilumos laidumas jų ašyje yra 1750 … 5800 W / (m · K), tačiau, jei šilumą pastatote statmenai ašiai, šilumos laidumas bus tik apie 0,02 … 0,07 W / (m · K), tai yra penkis kartus mažesni!

Jei žiūrime į gyvą ląstelę, mes pastebėsime, kad nėra vienalyčio baltymų, lipidų ir tt sprendimo – pamatysime daug organelų, ląstelių membranų, didelių molekulinių kompleksų. Lyginant kompiuterių procesorius su ląstelėmis atrodys logiškiau, jei palyginsime jų elektrodinamines charakteristikas. Yra žinoma, kad elektros energijos potencialų skirtumas plazminio membranoje (dėl jonų pasiskirstymo abiejose pusėse) yra maždaug 100 mV.Atsižvelgiant į storio skirtumą, tai yra maždaug tokia pati lauko stipris, kokia egzistuoja mikroprocesorių nanostruktūrose, ir iš tikrųjų procesoriuose tokia laukas sukelia didelį šilumos poveikį. Jei kažkur arti lipidinės membranos yra šilumos išsiskyrimas, tada, kaip ir procesoriuje, tai tęsis čia, nes pats membrana ir molekuliniai kompleksai, plaukiojantys šalia šilumos šaltinio, neiškaitės taip greitai, kaip ir jie. būtų vienalytis sprendimas.

Pasirodo, kad ląstelė dėl savo sudėtingos vidinės struktūros turi būti tiesiog užpildyta vietinėmis šiluminėmis foci, dabar atsirandančiomis, dabar išnyks. Čia verta prisiminti, kad cheminės ir fizinės reakcijos ne tik sukuria šilumą, bet ir priklauso nuo aplinkinių temperatūros sąlygų: pavyzdžiui, vyksta procesai, kurie vyksta sparčiau aukštose laipsnių srityse, ir, priešingai, jie sulėtėja, kai kaitinami. Akivaizdu, kad temperatūros skirtumai tarp skirtingų ląstelių dalių arba tarp pačios ląstelės ir jo artimiausios aplinkos turi stipriai įtakoti ląstelių fiziologiją. Norėdami patikrinti, ar tai tikrai yra,vienas turi sugebėti ne tik matuoti temperatūrą viduje vienoje ląstelėje, bet ir šildyti, kad sužinotumėte, kaip ji reaguoja – jei ji reaguoja.

Tai buvo būtent tai, ką kandidatas į fizikines-matematines moksijas Vadimas Цебь ir jo kolegos iš instituto teorinės ir eksperimentinės biofizikos (ITEB) Rusijos mokslų akademijos sugebėjo bendrauti su Japonijos universiteto Waseda. Jų nano šildytuvas yra palyginti paprastas. Paimkite aliuminio nanodalelių, kurių skersmuo yra apie 100 nm, suspensiją. Keletas sekundžių į suspensiją nuleidžiamas įprasto stiklo mikropipeto antgalis (apie mikrometro skersmenį). Vandeninė suspensija įeina į pipetės antgalį, kuris po to paduodamas į šildytuvą: vanduo išgaruoja ir nanodalelės išlieka. Tada pipetės antgalis priartinamas prie šildytuvo taip, kad jis ištirpsta. Dėl to keletas aliuminio nanodalelių užsandarinamos mikropipetės viduje. Apskritai, kiti metalai – platina, sidabras, auksas – gali būti "užpildu" nanoheaterui. Aliuminio pasirinkimas buvo susijęs tik su tuo, kad jo nanodalelės silpnai klijuoja tarpusavyje.

Norėdami sukurti nano šildytuvą, mikropipeto galą trumpam supilkite į smulkiausių aliuminio dalelių srutą, tada įkiškite į šildytuvą, kad išgaruotumėte vandenį. Nuėmus vandenį, antgalis dar labiau šildomas, kad liktų likusios aliuminio dalelės. Termosensorius yra pagamintas panašiu būdu, pirmasis sandarinamas tik pipetės antgalis, į jį įpilamas termiškai jautrus dažiklis. Nuotraukoje dešiniajame kampe: Baigtas nanoheater (kairėje) ir termosensoru (dešinėje)

Tai metalas, kuris šildo ląstelę, o norint pašildyti patys nanodalelės, reikia infraraudonųjų spindulių lazerio su 1064 nm bangos ilgiu – nei vanduo, nei stiklas netenka savo spinduliuotės, todėl visa spinduliuotės energija taps aliuminiu. Laikydami lazerio spindulį nano šildytuvo galuose, tiesiogine prasme galite gauti kietą temperatūros gradientą per milisekundes – dėl mažo vandens šiluminio laidumo, visa šiluma bus sukurta nanodalelėse.

Bet tai yra šildytuvas, o kas yra termometras? Jis pastatytas panašiu būdu ir yra uždaromas mikropipetas su termosensitive fluorescuojančia medžiaga: priklausomai nuo temperatūros medžiaga fluorescuoja skirtingais dažniais.Kai termometro galą įnešame į šildytuvo galą, termometro galo molekulės jaučia šilumą ir pradeda šviesti kitaip. Natūralu, kad šildytuvas ir termometras buvo išbandyti pirmiausia be ląstelių, grynu vandeniu, ir jau tokiuose preliminariuose eksperimentuose mums pavyko gauti įdomų rezultatą. Kai nanodalelės kaitinamos iki 100 ° C, šildytuve pasirodo sočiųjų garų burbulas – kitaip tariant, vanduo šalia jo virimo. Tačiau jau 20 μm atstumu temperatūra nukrito iki 30 ° C, po to lėtai sumažėjo iki 24 ° C. (Palyginimui: mitochondrijų dydis, svarbiausi ląstelės organeliai, kurie jam gamina energiją ir kur vyksta daugybė reakcijų, svyruoja nuo 0,5 iki 10 mikronų. Tokiais atvejais jie sako, kad yra kietas temperatūros gradientas: nes vanduo šiek tiek blogai valdo šilumą, taigi jau šalia nanoheatero temperatūra yra žemesnė kaip 70 ° C. Ir net jei lazeris visą laiką palaiko 100 ° C temperatūrą nanodalelėms, temperatūros gradientas niekur nebus.

Lazerinis spindulys, naudojant sudėtingą optinę sistemą, suteikia norimą intensyvumą ir fokusuoja, nukreipdamas šviesą nanoheatero viršuje, esančiame šalia eksperimentinės kameros.Temperatūros pokyčiai registruojami naudojant termosensorą: termosensoriaus viršuje esanti medžiaga fluorescuoja, veikiant šviesai, fluorescencijos pobūdis priklauso nuo aplinkos temperatūros. Nuotraukoje: nanoheater ir termosensoras šalia elemento

Kodėl mes kalbame tiek apie temperatūros gradientą? Įsivaizduokite, kad nanoheateras, esantis 100 ° C temperatūros viršūnėje, priartėjo prie ląstelės. Žinoma, ji jai nebus gerai. Tačiau jos kaimynai nieko nepatiks rimtai, blogiausiu atveju – keliais laipsnių atšilimas: nuolydis gradientas, temperatūra nukrinta labai greitai, kai šildytuvas išsiskiria iš šildytuvo. Dabar įsivaizduokite, kad mirusios ląstelės buvo vėžinės ir jos kaimynai buvo normalūs, sveiki. Jei mūsų rankose būtų toks temperatūros skalpelis, būtų įmanoma visiškai pašalinti piktybinių auglių židinius, nesukeliant žalos aplinkiniams sveikiams audiniams. (Ypač atsižvelgiant į tai, kad navikai silpnina šilumos įtampą.)

Tačiau prieš fanizuojant apie naujojo metodo taikymą, būtų gerai žinoti, kaip bandymai su nano šilumos siurbliu tęsėsi. Parinkimas buvo išbandytas su žmogaus ląstelėmis, kuriomis buvo sukurtas temperatūros gradientas, o patys ląstelės buvo skirtos spalvui, jautriam kalcio jonų kiekiui.Kaip mes prisimename, įvairūs jonai, įskaitant kalcio, yra nevienodai pasiskirstę visoje ląstelėje: specialūs baltymai juos pumpuoja į tam tikrus organelius arba į citoplazmą, o kalbant apie kalcią, jis kaupiasi sudėtingoje membraninių pūslelių ir vamzdelių sistemoje, vadinamos endoplazminis retikulumas arba endoplazminis retikulumas. Pasirodo, kad šildymas ir vėlesnis aušinimas stimuliuoja galingą kalcio jonų išleidimą iš endoplazminio retikulio į citoplazmą, kaip rodo kalcio jautrio dažiklio spalva, kuri taip pat plinta citoplazmoje.

Kalcio jonų išleidimas iš endoplazminio retikulumo į ląstelių citoplazmą po kaitinimo ir aušinimo. Nuotraukoje kairėje skaičiais pažymėtos ląstelės raudonas ratas – nano šildytuvo galas. Centre – ląstelės kalciui išlaisvinti, dešinėje – ląstelės po kalcio išsiskyrimo; raudonos geltonos spalvos intensyvumas rodo jonų srauto intensyvumą – labiausiai kalcio buvo išleistas į citoplazmą ląstelėse, kurios buvo šalia šildytuvo

Tai gali atrodyti kaip paprastas eksperimentas, ir nėra aišku, kodėl reikėjo sukurti nano šildytuvą: kodėl ne tik pašildyti ląsteles maistingosios terpės terpėje,žiūri į juos per mikroskopą? Tačiau, pirma, naudojant bendrą šildymą, ląstelės tiesiog plauktų iš mikroskopo dėmesio dėl medžiagų šilumos išsiplėtimo. Antra, kalcio išsiskyrimas įvyko labai greitai, aušinant: po lazerio išjungimo temperatūros gradientas išnyko tik milisekundėmis. Būtų neįmanoma surengti tokio super greito šilumos šuolio tiesiog šildant ląstelių kultūrą.

Be to, mokslininkai nustatė, kad kalcio poveikiui ląstelės turi būti šildomos skirtingai, priklausomai nuo terpės temperatūros, o 36,6 ° C temperatūrai reikalingas silpniausias šildymas. Kitaip tariant, jei ląstelės gyvena normaliame žmogaus kūno temperatūroje, jos labiausiai jautrios temperatūros svyravimams; paaiškėja, kad mūsų kūnas yra termiškai sureguliuotas, kad maksimaliai padidintų Ca efektyvumą2+. Šie rezultatai, Ceebas ir jo kolegai iš Japonijos, paskelbė 2009 m HFSP leidinys.

Dar labiau įdomus eksperimentų su nanoateriu rezultatas yra tai, kad jis gali būti naudojamas ląstelių augimo kontrolei. Taigi, jei šalia neurono buvo "karšta vieta", tada nervų procesai pradėjo augti jos kryptimi, kai greitis siekė apie 10 mikronų per minutę.Kiti ląstelių tipai elgėsi panašiai: jaučia šilumą, jie išsiplėtė savo kryptimi. Bet kurios ląstelės forma priklauso nuo jo citoskeleto struktūros, kurią sudaro keli specialūs baltymai. Buvo parodyta, kad neuronuose ir kitose ląstelėse citoskeletas, reaguodamas į karštą, pradeda rekonstruoti. Viskas atsitiko dar kartą, kai buvo veikiamas taškinis, ultralakalinis temperatūros gradientas, kuris gali būti sukurtas tik naudojant nano šildytuvą. Didelio šilumos šaltinio atveju nebūtų buvę įmanoma sukurti temperatūros skirtumo tokiu tūriu, kuris būtų panašus į patalpos dydį. Eksperimentų su neuronais rezultatai buvo paskelbti 2015 m. Žurnale Mokslinės ataskaitos.

Kai šilumos poveikis neuronui jo procesai pradeda augti šilumos šaltinio link nepaprastai greitai – apie 10 mikronų per minutę. Nuotraukose, paimtuose su konfokaliniu fluorescenciniu mikroskopu, geltonas taškas pažymėtas šilumos šaltinis, kurio laikas atitinka 0 s laiką. Iliustracija: Oyama, K., Zeeb, V. et al. Gamtos mokslai. Rep. 5, 16611 (2015)

Nebent verta paaiškinti, kokios perspektyvos atveria biologiją. Pirma, žinomakokį didžiulį ląstelių vaidmenį vaidina transmembraniniai joniniai potencialai; Mes taip pat galime prisiminti mitochondrijas, kurios, naudojant jonų srautą per specialų membranų fermentą, sintetina energijos ląstelių molekules ir neuronus, kurie generuoja nervinį impulsą dėl netolygaus jonų pasiskirstymo abiejose ląstelės membranos pusėse. Veikdami ląstelėje su terminiais impulsais, galime sužinoti daugiau apie pagrindinius savo fiziologijos procesus. Antra, jei šiluma ląstelių augimą daro tiek daug, lengva įsivaizduoti, kaip toks nano šildytuvas gali būti naudojamas regeneracinėje medicinoje, kur dažnai reikia atkurti sugadintus procesus nervų ląstelėse arba ląsteles augti tam tikra kryptimi. Be to, temperatūros gradientą galima naudoti kituose aukštųjų technologijų metoduose – 3D spausdinimo metodu, kuriame jie dabar aktyviai įsisavina spausdinimą su gyvomis ląstelėmis.

Neurono mikrograph; aiškiai matomos ląstelės kūnas ir jo procesai, kurių pagalba neuronai sudaro neuroninius tinklus. Nuotrauka: ZEISS mikroskopija / CC-BY-2.0

Žinoma, mes jau daug žinome apie tai, kaip temperatūra veikia ląstelę.Tačiau iki šiol daugiausia buvo tiriamos fizikinės ir cheminės reakcijos arba visos ląstelių kultūros. Pastaruoju metu biologijoje aktyviai plėtojami metodai, leidžiantys tirti atskirų ląstelių ir atskirų molekulių elgesį, taigi šia prasme apibūdinti eksperimentai yra biologinės mokslų priešakyje. Kadangi daugelis šiluminių efektų labai greitai susidaro ląstelėse, tada, taikant naują metodą, mes galime pamatyti, kas vyksta momentinio pašildymo metu ir nedelsiant vėsinant labai mažą ląstelės citoplazmą ar jo aplinką.

Tačiau, kalbant apie "naująjį metodą", būtina paaiškinti, kad neseniai paskelbti stebisi duomenys apie neuronų augimo greitį buvo darbo metai, – pirmieji 2000 m. Pirmojo pusmečio moksliniai periodiniai leidiniai buvo paskelbti Vadim Tseeb ir jo kolegos "nanoheating" tema. . Mokslininkų sukurtas prietaisas impulsiniam ląstelių šildymui pasirodė santykinai nebrangus, ir dabar, kai tapo aišku, kad jis gali suteikti biologijos ir medicinos, norėčiau tikėtis, kad pats metodas ir jo įtaisas bus plačiausiai naudojami šiuolaikiniame moksle.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: