Cell hőmérő, a tudomány és az élet
celluláris hőmérő
A biológiai tudományok kandidátusa Tatyana Perevyazova Kirill Stasevich
A kérdés az, hogyan kell mérni a hőmérsékletet belsejében egy élő sejt, furcsának tűnhet.
Nehéz elképzelni, hogy néhány ismerős fizikai mennyiség, mint a hőmérséklet. Ne hallgatjuk az időjárás-előrejelzés, a víz szelep nyitva van, akkor elképzelhető egy hőmérő szett - mi minden kell foglalkozni vele. A hőmérséklet társított nagy tárgyak - a légtömeg vízzel serpenyőben, az emberi testtel. És a kérdés, hogyan kell mérni a hőmérsékletet belsejében egy élő sejt, furcsának tűnhet. Tényleg, hogyan? És van rá szükség?
A választ ezekre a kérdésekre, így a kísérletek során az Intézet Az elméleti és kísérleti Biofizikai együtt japán kollégákkal. A történet ezen kísérletek és azok eredményei indul egy kis távolság.
Energiaátalakítás, hogy a kémiai reakció, vagy valamilyen fizikai eljárás, kíséretében hőfejlődés. Az élő sejt, az ilyen reakciók és folyamatok sokféle. Itt egy példa: a sejt membránokat általában az úgynevezett ion koncentráció gradiens, amikor amit néhány ionok (pl, Ca 2+) egyik oldalán a membrán nagyon sok, de a másik - nagyon kevés. Amikor eljön az ideje, hogy egy jel intracelluláris bio- vagy kommunikálni valamit, hogy a külső, más sejtek membránjában nyit egy csatornát, amelyen keresztül ionok áramlanak mozog a hely, ahol egy csomó közülük, ahol kevesen vannak; és ez az ion mozgását a kívánt biokémiai és biofizikai munkát. Gradiens ion felhalmozódása és kisülési fiziko-kémiai törvények csatolni kell a hőmérséklet emelkedése, azaz a membrán és a membrán molekula szolgáló ionos konyhai munkát, mint a pillanatnyi hőforrás. Lehetséges mérni a hőt?
Tudjuk, hogy a hőmérséklet - termodinamikai tulajdonságai, akkor írja le az állam a nagy részecskék számát. Nagyjából elmondható, hogy ha a részecskék sok van, és gyorsan mozognak, és ezért van egy nagy energiájú, akkor az egész rendszer forró lesz. Ha lassan - hideg. Ami a sejt, úgy tűnhet, hogy túl kevés a részecskék, így tudjuk mérni a hőmérsékletet.
Valójában ez nem így van. Ha vesszük például egy köbméter víz mikrométer (hangerő, szinte észrevehetetlen szem), akkor számíthatunk, hogy körülbelül 30 milliárd molekulák. Ez egy hatalmas szám, és a rendszer 30 milliárd részecskék természetesen saját hőmérsékletét. Fizikai elmélet sokáig lehetővé teszi, hogy leírja a mikrorendszerének hőmérsékletű környezetben; jelentős szerepe volt a munka az alapító a nem-egyensúlyi termodinamika, kiváló tudós Ilya Prigogine - Belga fizikus és kémikus fizikai orosz származású, a kémiai Nobel-díjat 1977-ben. De akkor miért közelmúltig senki nem tett összehangolt próbálkozások a sejten belüli helyi hőmérséklet hatása?
Ha van dolgunk egy nagy tárgy, például egy kanna forró vizet, a víz lehűl lassan. A tárolt hőt a víz nem tud gyorsan távozik a levegő, mert a levegő és a víz a különböző vezetékek hő. A leírás, hogy mi történik a hőmérséklet ilyen rendszerek, van egy különleges fizikai-matematikai apparátus alapuló egyensúlyi termodinamika. De a üstforraló és a levegő a konyhában - ez a „nagy” rendszer. És ha csak mikroliter vízzel, vagy még kevesebb - egy élő sejt? Mi csak azt mondta, hogy a molekuláris szempontból mikroliter vízben - egy olyan rendszer nagy számú részecskét, amely saját hőmérsékletét. Van azonban egy fontos kivétellel: elképzelhető, hogy néhány helyen a sejt belsejében volt egy reakció kíséretében hő. Akár hevül fel még bármilyen környezetben, akár úgy fogja érezni, a részecskék jött rá a meleg? Lesz egy ketrecben úgynevezett hőmérsékleti gradiens, amikor a két régió eltérő mennyiségű hő és a hőáramlás az egy mellett található egy másik, hogy mi is mérni? Korábbi számítások szerint a hatalom a hőforrások egy élő sejt túl kicsi ahhoz, hogy hozzon létre a maga helyi hőmérséklet színátmenetek. Azaz helyi hőmérséklet túlfeszültség fog bekövetkezni, de nem olyan nagy, hogy befolyásolja a sejten belüli folyamatokat.
Az elmúlt néhány évtizedben világossá vált, hogy az ilyen termodinamikai számítások, úgy tűnik, nem érvényesek Microsystems. Például, az elektronikus eszközök felmelegedhet elég erősen, és amikor elkezdte felfedezni, hogy a forró számítógép-processzorok, kiderült, hogy a félvezető mikro- és nanoszerkezetek hőmérséklet-gradiensek kapott szignifikánsan magasabb, mint várható lett volna. Miért történik ez? Mivel az első nem teszik komplex mikrostrukturálás közül leginkább félvezetők. Ez mind az üstben viszonylag egyszerű: akkor is, ha felforraljuk a komplex kémiai szempontból oldott sók, mégis homogén, és azt mondják, hogy a hő eloszlik a hangerő többé-kevésbé egyenletesen. És ha már az összetett szerkezeti felépítése, a hőt a különböző részein lesz különbözőképpen oszlik. Mint egy példa arra, hogy a szerkezet az anyag befolyásolhatja a hővezetési, szén nanocsövek hozhat: hővezető tengelyük mentén 1750 ... 5800 W / (m · K), de ha merőleges hagyja hő, hővezető fog tengelyre csak mintegy 0,02 ... 0,07 W / (m · K), azaz öt nagyságrenddel alatta!
Ha belenézel egy élő sejt, azt látjuk, hogy ez nem egy homogén oldatot fehérjék, lipidek stb -. Látjuk a sok organellumokból intracelluláris membránok, nagy molekuláris komplexek. Összehasonlítása számítógépes processzorok a sejtek úgy tűnik, ez a logikusabb, ha összevetjük az elektromágneses jellemzőit. Ismeretes, hogy az elektromos potenciál-különbség a plazma membrán (miatt a eloszlását ionok a két oldalát) közelítőleg 100 mV. Korrigált az a különbség a vastagsága körülbelül azonos térerő, hogy létezik a nanostruktúrák mikroprocesszorok, és valójában egy adott mezőben processzorok eredményez szignifikáns termikus hatások. Ha valahol közel lipidmembránján történik hő kibocsátás, valamint a CPU, késik egy ideje, mert maga a membrán és a molekuláris komplexek, úszó közel a termál tűzhely, majd a hőenergiát nem olyan gyors, mint ez történt azt lenne homogén oldatban.
Kiderült, hogy a sejtek miatt bonyolult belső szerkezete legyen szó nyüzsög a helyi hőközpontok, akkor ott, akkor gyengült. itt cikkóum emlékezni, hogy a kémiai és fizikai reakciók, nem csak maguk hőt termelnek, hanem függ a környezeti hőmérsékleti körülmények között, például, vannak olyan eljárások, amelyek magas fokban gyorsabb, és vannak mások, amelyek, ellenkezőleg, lassul hevítve. Nyilvánvaló, hogy a hőmérséklet-különbségek különböző részei a sejt vagy a sejt saját maga és a közvetlen környezetében sok hatása sejtfiziológia. Annak ellenőrzésére, hogy valóban szükséges, hogy képes nem csak méri a hőmérsékletet belsejében egy sejt, hanem melegítsük, hogy hogyan fog reagálni - ha egyáltalán reagálnak.
Ez képes arra, hogy a jelölt fizikai és matematikai tudományok Vadim Tseebu és kollégái az Institute of elméleti és kísérleti Biofizikai (ITEB) az Orosz Tudományos Akadémia, valamint a személyzet a japán Waseda Egyetemen. Az nanonagrevatel viszonylag egyszerű. Kezdődik a sűrű szuszpenzióban alumínium nanorészecskék átmérője körülbelül 100 nm. A hegy a szuszpenziót (körülbelül mikrométer átmérőjű) merítjük néhány másodpercig normál üveg mikropipetta. A vizes szuszpenziót belép a pipetta hegyét, amely azután hozza a melegítő: a víz elpárolog, és a nanorészecskék maradnak. Ezután, a pipetta hegyét szállítjuk közelebb a fűtőelem úgy, hogy oplavilsya - ami több mikropipetták lezárjuk alumínium nanorészecskék. Általában, mint a „töltőanyag” számára nanonagrevatelya hathatnak és egyéb fémek - platina, ezüst, arany. A választás alumínium járt csak a tény, hogy a kis nanorészecskék tapadnak egymáshoz.
Ez felmelegíti a fém ketrec, és a meleg magukat a nanorészecskék szüksége infravörös lézer hullámhossza 1064 nm - nem szívja sugárzás nincs víz, nincs üveg, így az összes energiát a sugárzás bemegy alumínium. Tartja a lézersugár hegyén nanonagrevatelya szó pár ezredmásodperc alatt, hogy kap egy meredek hőmérséklet-gradiens - mivel az alacsony hővezetési vizet a hőt fog megjelenni a nanorészecskék.
De ez egy melegítő, és a hőmérő? Kialakításuk hasonló módon, és lezárjuk mikropipettával hőérzékeny fluoreszcens anyag: attól függően, hogy a hőmérséklet az anyag fluoreszkál, a különböző frekvenciákon. Amikor kínálunk a hőmérő csúcsát a fűtőelem tip, molekulák a hőmérő csúcsát felmelegedhet, és kigyullad egyébként. Természetesen fűtő és hőmérő kezdetben vizsgált sejtek nélkül, a tiszta víz, és már az előzetes kísérletekben képes megszerezni nagyon érdekes eredményeket. Amikor a nanorészecskék melegítjük 100 ° C-on a fűtőelem megjelent buborék telített gőz - más szóval, a víz mellett, hogy forraljuk. De már a parttól 20 mikron a hőmérséklet csökkent 30 ° C-on, majd lassan csökkent 24 ° C-on (összehasonlítás: a méret a mitokondriális organellumok fontos, hogy a kivonat energiát, és amelyben áramlik nagyszámú reakciók 0 , 5 és 10 mikron), csak az ilyen esetekben, és azt mondják, hogy van egy meredek hőmérséklet-gradiens. mert a víz vezeti a hőt rosszul, valami már annyira, mint 70 ° C-kal alacsonyabb, mint a közvetlen közelben nanonagrevatelya hőmérsékleten. És még ha a lézer mindenkor fenntartani nanorészecskék 100 ° C-os hőmérséklet, a hőmérséklet-gradiens nem megy sehova.
Miért beszélünk annyira a hőmérsékleti gradiens? Képzeljük el, hogy nanonagrevatel 100 ° C csúcsánál közelebb a sejt. Ő persze ettől nem lesz jó. De a szomszéd, semmi komoly érzi, a legrosszabb esetben - a felmelegedés néhány fokos: gradiens meredek hőmérséklet, mint a távolság a fűtő leesik nagyon gyorsan. Most képzeljük el, hogy megölte a sejtek rákos, és az ő szomszédja - a normális, egészséges. Ha a mi kezünkben volt a termikus szike, ez is rendkívül pontosan, hogy megszüntesse zsebek a rosszindulatú daganatok, nem károsítja a környező egészséges szöveteket. (Különös tekintettel arra, hogy a tumor rosszabb elviselni hőstressz.)
De mielőtt fantáziálni az alkalmazás az új módszer, jó lenne tudni, mielőtt folytatnánk a kísérletek nanonagrevatelem. Szerelési tesztelt humán sejtekkel, amely létrehoz egy hőmérséklet gradiens, és a sejteket hagyjuk a festéket érzékeny tartalmának kalciumionok. Mint tudjuk, a különböző ionok, a kalcium, vannak elosztva a ketrec egyenetlenül speciális fehérjéket pumpált őket bizonyos sejtszervecskék vagy a citoplazmában, és amikor a kalcium, felhalmozódik a komplex rendszerét vezikulák és tubulusokba úgynevezett endoplazmatikus retikulum vagy az endoplazmás retikulum. Azt találtuk, hogy a fűtés és az ezt követő hűtés stimulálják erőteljes kalciumionok felszabadulását az endoplazmás retikulumból a citoplazmába, amely látható színes kalciumra érzékeny festéket, amely szintén lebeg a citoplazmában.
Ez talán egy egyszerű kísérletet, és nem világos, hogy miért kellett létrehozni nanonagrevatel: miért nem csak melegíti a sejteket a táptalaj ugyanakkor nézi őket mikroszkóp alatt? De először is, a teljes fűtési sejtek egyszerűen kiúszott a hangsúly a mikroszkóp miatt hőtágulás az anyag. És másodszor, a kalcium felszabadulását történt egy nagyon, nagyon gyors hűtéssel: kikapcsolása után a lézer hőmérsékleti gradiens eltűntek egy ezredmásodperc. Ez az ultra-gyors termikus ugrás lehetetlen lenne, hogy gondoskodjon egyszerű melegítéssel a sejt kultúra.
Nem szükséges sokáig magyarázni, mi a kilátások nyílnak biológia. Először is tudjuk, milyen nagy szerepet játszanak sejt transzmembrán ion potenciálok; Emlékszem mintegy mitokondriumok, amelyek révén ionfluxust egy speciális membrán enzim szintetizáljuk, hogy a sejt energetikai molekulát, és körülbelül neuronok, amelyek generálják idegi impulzusok köszönhetően egyenetlen eloszlása az ionok mindkét oldalán a sejtmembrán. Reagálás a sejt hő impulzusok, akkor többet megtudni a legalapvetőbb folyamatainak a fiziológia. Másodszor, ha a hő olyan erős hatással van a sejtek növekedését, könnyű elképzelni, hogy egy ilyen nanonagrevatel lehet használni a regeneratív orvoslás, ahol gyakran van szükség a károsodott tüskék idegsejtek vagy akár okozhatja a sejtek növekedését egy bizonyos irányba. Ezen túlmenően, a hőmérséklet gradiens lehet használni más high-tech módszerek - 3D-nyomtatási eljárás, amelyet most aktívan fejlődő nyomtatási élő sejteket.
Persze ma már tudjuk, sokat, hogy a hőmérséklet befolyásolja a sejt. De mostanáig főleg vizsgálták akár egyedi fizikai-kémiai reakció, vagy a teljes sejttenyészeteket. Nemrégiben módszerek aktívan fejlesztett a biológiában, amely lehetővé teszi számunkra, hogy tanulmányozza viselkedését az egyes sejtek és az egyes molekulák, így ebben az értelemben, a leírt kísérletek állnak az előtérben a biológiai tudomány. És mivel sok hőhatás fordulhat elő a sejtben nagyon gyorsan, és a segítségével egy új módszer vagyunk, csak látni, hogy mi történik abban a pillanatban bemelegítő, a pillanatnyi hűtési egy nagyon kis térfogatú a sejt citoplazmájában vagy annak környezetében.