Metodi per studiare l'attività delle cellule. biologia

La prima persona che ha visto personalmente la struttura cellulare di un organismo vivente è stata l'inventore del microscopio Robert Hooke. Nel 1665, considerò la struttura cellulare della corteccia della quercia. Da allora, la struttura dei microscopi e dei metodi per studiare l'attività vitale delle cellule è andata molto oltre. E continuano a svilupparsi, dando agli scienziati nuovi e nuovi materiali per la ricerca e le teorie sul funzionamento delle unità strutturali di tutta la vita sul nostro pianeta.

I nomi più famosi nella storia delle cellule

Robert Hooke, che ha studiato struttura della cellula vegetale credevano che i loro muri fossero vivi, e non i contenuti. Dopo 10 anni, il dottore italiano Marcello Malpigi ha proposto la prima teoria cellulare della struttura delle piante. Egli credeva che tutti gli organi vegetali fossero formati da cellule che avevano il citoplasma. Anthony van Leeuwenhoek ha esaminato i globuli rossi umani e gli spermatozoi umani, e il famoso zoologo francese Jean Baptiste Lamarck ha ipotizzato che tutti gli organismi viventi siano costruiti a partire da cellule. Disposizioni del moderno teoria cellulare introdotto dai biologi tedeschi Theodor Schwann e Mathias Schleiden e aggiunto al patologo russo Rudolph Virkhov. È così che è nata una nuova scienza cellulare, avvenuta nel 1839, quando i biologi utilizzavano solo microscopi leggeri e un arsenale di conoscenza piuttosto scarso.

Quale scienza sta studiando la vita delle cellule?

Il compito del citologo è quello di stabilire struttura cellulare, le sue componenti strutturali, le leggi dell'attività vitale e il normale funzionamento. La citologia scientifica, dal greco "cytoc" - "cellula", oltre a quanto sopra, studia l'aspetto e la morte delle cellule, i processi di riproduzione. Al confine di questa conoscenza è la patologia delle cellule, citologia clinica - le scienze che descrivono e studiano le condizioni patologiche della cellula. La biochimica e la biofisica della cellula studiano le basi dei suoi processi vitali. E la genetica cellulare studia le leggi dell'ereditarietà e la redistribuzione del materiale ereditario a livello cellulare. E ciascuno dei rami elencati della biologia ha il suo piano e metodi per studiare l'attività delle cellule. Facciamo conoscenza con il più importante di questi metodi che i biologi moderni hanno a loro disposizione.

Primi microscopi

Storicamente, i primi dispositivi per studiare le cellule erano i microscopi ottici. Il principio del loro lavoro è che i raggi di luce passano attraverso un oggetto trasparente, che poi entra nel sistema di lenti ingrandenti. I moderni microscopi ottici consentono di aumentare l'oggetto di osservazione di 2 mila volte. Ma le sue possibilità sono limitate dalla risoluzione: la distanza minima tra due punti, quando sono ancora visibili come oggetti separati. I confini di questa abilità sono le caratteristiche fisiche della natura della luce, la lunghezza di un'onda luminosa. Il miglior microscopio ottico moderno consente di vedere strutture con una distanza tra gli elementi di 0,25 micrometri. Per confronto: la dimensione dei batteri di E. coli è di 2 micrometri. Pertanto, la microscopia ottica rende possibile studiare gli organismi unicellulari, la struttura dei tessuti e delle cellule, ma la struttura interna degli organelli cellulari, dei piccoli batteri e dei virus non è disponibile per questo metodo di studio dell'attività cellulare. Ma ci sono alcuni vantaggi in questo metodo: ti permette di condurre uno studio in vivo di un oggetto biologico. Inoltre, vari metodi di droghe coloranti forniscono immagini chiare e sono ampiamente utilizzati nella diagnostica clinica.

Microscopia elettronica

Il limite di risoluzione può essere calpestato se al posto della luce si utilizzano gli elettroni per ottenere un'immagine. E un tale passo fu fatto nel 1931, quando fu emesso il primo brevetto per un microscopio elettronico a trasmissione. Questo dispositivo ha anche lenti, ma non sono di vetro, ma magnetiche. Mettono a fuoco gli elettroni e visualizzano l'immagine sullo schermo. La microscopia elettronica come metodo per studiare l'attività vitale di una cellula consente di ingrandire un oggetto un milione di volte e il limite di risoluzione è aumentato a 0,5 nanometri. I moderni microscopi elettronici sono traslucidi e raster (scansione). Ma qualunque sia il tipo di dispositivo ingrandente ha i suoi difetti. Nonostante l'elevatissima chiarezza dell'immagine, tali dispositivi non consentono lo studio di oggetti biologici nella vita e la preparazione del campione per tale studio è un processo molto lungo e costoso.

Modello di cella 3D

Uno dei modi più nuovi per studiare l'attività vitale di una cellula, che ha solo un paio di decenni di vita, è la microscopia a fluorescenza. Il metodo si basa sull'introduzione di speciali etichette luminose nella cella (sostanze che, in determinate condizioni di illuminazione, si illuminano di un colore diverso). Possono marcare singole molecole di una sostanza e tracciare il loro percorso nella cellula. Inoltre, tali etichette forniscono immagini tridimensionali belle e chiare dell'oggetto.

Rompere la gabbia

Per studiare la struttura dei singoli componenti strutturali della cellula, è importante isolarli nella loro forma pura, che divenne piuttosto reale nei primi anni '40 del secolo scorso. Tale separazione in frazioni è possibile utilizzando la centrifugazione differenziale come uno dei metodi per studiare l'attività cellulare. Il piano per l'applicazione di questo metodo consiste in due fasi: la distruzione della cellula e la separazione dei componenti in frazioni che differiscono nel loro peso molecolare. Distruggono le pareti cellulari mediante ultrasuoni, scoppi o semplici macinazioni.

Nella centrifuga, a causa delle forze centrifughe, i componenti più pesanti si stabilizzano per primi. Quindi, ad alte velocità di centrifugazione, i nuclei cellulari vengono depositati prima, poi i mitocondri e altri organelli, gli ultimi sono i ribosomi. Organelli separati sono facili da studiare al microscopio. Con un'attenta applicazione di questo metodo di studio dell'attività cellulare, viene preservato il piano della struttura degli organelli e diventa possibile stabilire il meccanismo molecolare di alcuni processi. È stato l'uso della centrifugazione frazionata che ha permesso di decifrare gli stadi della biosintesi delle proteine ​​nelle cellule.

Congelare ed esaminare

Un metodo piuttosto nuovo nella biologia cellulare è il congelamento-spallazione. Durante il normale congelamento, i cristalli di ghiaccio compaiono nelle cellule, deformando la struttura. Ma con il congelamento veloce con azoto liquido (temperatura meno 196 gradi Celsius), l'acqua non si trasforma in una forma cristallina e le cellule non si deformano. Quindi i pezzi del campione vengono sminuzzati, viene rimosso il ghiaccio in eccesso e viene spruzzato uno strato di metalli pesanti. Quindi il tessuto del campione viene sciolto e la stampa viene lasciata e, come risultato, si ottiene l'effetto delle ombre. L'immagine nel microscopio è ottenuta volumetrica. È attraverso l'uso di un tale metodo di studio dell'attività vitale delle cellule che è stata studiata la struttura delle membrane.

Metodo di coltura

Quali metodi usano gli scienziati moderni per studiare le cellule? Ecco una delle più insolite e incredibilmente promettenti: la crescita in ambienti speciali. Questo metodo viene utilizzato quando molte cellule identiche sono necessarie per lo studio. E vivo. Quindi viene preparato un ambiente molto complesso (13 aminoacidi, 8 vitamine, glucosio, antibiotici e sali minerali) su cui viene posizionata la coltura cellulare. È noto che le cellule in coltura muoiono dopo un certo numero di divisioni. Ma nella cultura possono apparire specie mutanti che sono in grado di riprodursi senza fine. Sono loro e portano una linea pulita, che è chiamata trapiantabile. La linea più famosa è la linea HeLa, una cellula tumorale cervicale. Furono ritirati nel 1952.

Microchirurgia cellulare

Questo è uno dei metodi più interessanti per studiare le cellule. Con i micromanipolatori (ganci, pipette, aghi, capillari molto piccoli), la cella viene tagliata e può essere aggiunta come qualcosa, in modo che possa essere rimossa. Lo specialista monitora l'intero processo con un microscopio. In questo modo, puoi trapiantare il nucleo di una cellula in un'altra e dimostrare che è il fattore determinante la specie (tali esperimenti sono stati condotti con amebe). Questo metodo apre la possibilità di introdurre anticorpi e proteine ​​speciali nelle cellule viventi, che influiscono in modo significativo sull'attività vitale. Il metodo si sta sviluppando attivamente oggi, è ampiamente utilizzato nell'ingegneria genetica, una direzione separata della biologia, finalizzata alla manipolazione dei geni degli organismi e alla crescita di proteine ​​artificiali, tessuti e interi organismi.

Nanorobot in citologia

I biologi americani hanno già creato una nanosonda che può monitorare i processi elettrochimici e biochimici nelle cellule viventi. Il modello sperimentale è così piccolo da poter essere inserito nel nucleo o persino nei mitocondri.

Ma in Svezia è stato sviluppato un nanosensore, che misura il pH nel citoplasma della cellula ed è in grado di distinguere anche singole molecole di sostanze chimiche in diverse parti della cellula. Inoltre, sentirà un debole potenziale elettrochimico, che si verifica quando le biomolecole si uniscono.

All'università di Cambridge, gli scienziati hanno progettato un nano-motore che può portare qualsiasi cosa nella cellula, dalle molecole nutritive agli anticorpi. Lo chiamavano "formica" - esercita la forza su un oggetto 100 volte più grande del suo peso. Le prospettive della "formica" in medicina sono sorprendenti nel loro scopo.

E infine. Sensori di salute, assemblatori molecolari, nano-sonde e dispositivi di memorizzazione delle informazioni non sono più il futuro della tecnologia, ma il presente. L'inventore e futurologo statunitense Ray Kurzweil sostiene che con l'aiuto della nanotecnologia, il sistema nervoso biologico umano può essere connesso a Internet già nel 2030.