Cell hőmérő

Cell hőmérő

Tatyana Perevyazova, Biológiai Tudomány kandidátusa
Kirill Stasevich
"Tudomány és élet" №3, 2017

Nehéz elképzelni néhány ismerős fizikai mennyiséget, mint a hőmérséklet. Függetlenül attól, hogy az időjárás-előrejelzést hallgatjuk, megnyitjuk a vízcsapot, beállítjuk a hőmérőt magunk számára – mindenhol foglalkozunk vele. A hőmérséklet nagy tárgyakhoz kapcsolódik – levegőtömeggel, vízlágyával, emberi testtel. És a kérdés, hogy hogyan lehet megmérni a hőmérsékletet egy élő sejtben belül, furcsának tűnhet. Tényleg, hogyan? És szükséges? Ezekre a kérdésekre az Orosz Tudományos Akadémia Elméleti és Kísérleti Biofizikai Intézetében végzett kísérleteket japán kollégákkal együtt adják. E kísérletek története és eredményeik egy kicsit messziről indulnak.

Az energia átalakulása, akár kémiai reakcióban, akár valamilyen fizikai folyamatban, a hő felszabadulása társul. Az ilyen reakciók és folyamatok élő sejtjeiben sokan fordulnak elő. Íme egy példa: az úgynevezett ionkoncentráció gradiens általában a sejtmembránokon képződik, ha vannak ionok (például Ca2+) a membrán egyik oldalán nagyon nagy, másrészt nagyon kevés.Amikor eljött az ideje, hogy jelet adjon az intracelluláris biomolekuláknak, vagy valami kívülről kommunikáljon, más sejtek felé, egy csatornát nyit meg a membránban, amelyen keresztül az ionok sok helyről áramlanak, ahol kevesen vannak; és olyan ionos mozgás, amely elvégzi a szükséges biokémiai és biofizikai munkát. Az ion gradiens felhalmozódását és a fizikai-kémiai törvények szerint történő kisülését a hőmérséklet emelkedésének kell kísérnie, vagyis az ionos konyhában működő membránok és membránmolekulák mint azonnali hőforrások. Megmérhető-e ez a hő?

Tudjuk, hogy a hőmérséklet termodinamikai jellegzetesség, leírja a nagy részecskék állapotát. Nagyjából elmondható, hogy ha sok részecskék vannak, és gyorsan mozognak, ami azt jelenti, hogy nagy energiával rendelkeznek, akkor az egész rendszer forró lesz. Ha lassan mozog – hideg. Ami a sejtet illeti, úgy tűnhet, hogy túl kevés részecske van ott, hogy mérjük a hőmérsékletüket.

Valójában minden nem így van. Ha például egy köbméter vizet veszünk (ez a térfogat majdnem megkülönböztethetetlen a szemen), akkor 30 milliárd molekulát számolhatunk bele.Ez egy hatalmas szám, és a 30 milliárd részecskéknek természetesen saját hőmérséklete van. A fizikai elmélet már régóta lehetővé tette a mikro-rendszerek leírását hőmérsékleti paraméter alkalmazásával; Ebben fontos szerepet játszott a nem-egyensúlyi termodinamika alapítója, Ilya Prigogine kiemelkedő tudós, az orosz származású belga fizikus és fizikai kémikus, 1977-ben a kémiai Nobel-díj. De miért, egészen a közelmúltig senki nem tett szándékolt kísérleteket a helyi intracelluláris hőmérséklethatások mérésére?

Ha egy nagy tárgygal, például egy forró vízforralóval dolgozunk, akkor a víz lassan lehűl. A víz által felhalmozott hő nem tud gyorsan elmenni a levegőbe, mert a víz és a levegő különböző módon hőhatást fejt ki. Annak leírására, hogy mi történik az ilyen rendszerek hőmérsékletével, van egy speciális fiziko-matematikai berendezés, amely egyensúlyi termodinamikára épül. De a forró vízforraló és a konyhai levegő "nagy" rendszerek. És ha csak egy mikroliter víz vagy egy élő sejt van? Azt mondtuk, hogy molekuláris szempontból egy mikroliter víz olyan rendszer, amelynek hatalmas része van a saját hőmérsékletével.Van azonban egy fontos árnyalat: képzeljük el, hogy a sejten belül valamilyen reakcióban bekövetkezett a reakció, amit a hő felszabadítása kísér. Még melegíti-e a környezetet, a részecskéi érezték-e a hőt, ami hozzájuk érkezik? Lesz-e egy úgynevezett hőmérséklet-gradiens a cellában, amikor két olyan terület van a közelben, ahol különböző hőmennyiség van, és az egyik hője a másikba áramlik, hogy mérjük? Korábbi számítások azt sugallják, hogy az élő sejtben lévő hőforrások túl kicsi ahhoz, hogy helyi hőmérsékleti gradienseket hozzanak létre. Vagyis a helyi hőmérséklet-ugrások előfordulnak, de nem olyan nagyok, hogy befolyásolják az intracelluláris folyamatokat.

Az elmúlt néhány évtizedben világossá vált, hogy ezek a termodinamikai számítások nyilvánvalóan nem alkalmazhatók a mikrorendszerekre. Például az elektronikus készülékek igen erősen felmelegedhetnek, és amikor elkezdték pontosan megvizsgálni a számítógépes processzorok felmelegedését, kiderült, hogy a félvezető mikro- és nanostruktúrákban a hőmérséklet-gradiensek jóval magasabbak, mint várhatóak. Miért történik ez? Mert mielőtt nem vették figyelembe az ilyen félvezetők közegének összetett mikrostruktúráját.Mindez viszonylag egyszerű a vízforralóban: még akkor is, ha kémiai szempontból forrunk a sók nehéz oldatát, még mindig homogén, és azt mondhatjuk, hogy a hőt a térfogatban többé-kevésbé egyenletesen osztják el. És ha komplex szervezetekkel foglalkozunk, akkor a különböző részeiben lévő hőt különböző módon osztják el. Például arról, hogyan befolyásolja az anyag szerkezete a hővezetőképességet, szén nanocsövek is megemlíthetők: a tengely mentén a hővezető képesség 1750 … 5800 W / (m · K), de ha a tengelyre merőleges hőt helyez, akkor a hővezetőképesség csak 0,02 … 0,07 W / (m · K), vagyis öt nagyságrenddel kisebb!

Ha belenézünk egy élő sejtbe, akkor azt találjuk, hogy nem létezik homogén megoldás a fehérjék, lipidek stb. – sok organellát, intracelluláris membránt, nagy molekuláris komplexet fogunk látni. A számítógépes processzorok összehasonlítása a cellákkal még logikusabbnak tűnik, ha összehasonlítjuk elektrodinamikai tulajdonságaikat. Ismeretes, hogy a plazmamembrán elektromos potenciáljának különbsége (mindkét oldalán az ionok eloszlása ​​miatt) körülbelül 100 mV.A vastagságkülönbséghez igazítva ez nagyjából ugyanolyan térerősséggel bír, mint a mikroprocesszorok nanostruktúráiban, és valójában a feldolgozókban ez a mező jelentős hőhatásokat eredményez. Ha valahol a lipidmembrán közelében van hőelvonás, akkor a processzorhoz hasonlóan itt is egy ideig meghátrál, mert maga a membrán és a hőforrás közelében lebegő molekuláris komplexumok nem fognak olyan gyorsan melegedni, mint amilyenek. homogén megoldás lenne.

Kiderül, hogy a sejt összetett belső struktúrájának köszönhetően szó szerint be kell tölteni a helyi hófókuszokat, amelyek most felmerülnek, és most már elhalványulnak. Itt érdemes megemlékeznünk arról, hogy a kémiai és fizikai reakciók nem csak hő keletkeznek, hanem függenek a környező hőmérsékleti viszonyoktól is: például vannak olyan folyamatok, amelyek gyorsabban magasodnak, és vannak olyanok is, amelyek ellenkezőleg lassulnak fűtött állapotban. Nyilvánvaló, hogy a sejtek különböző részei vagy a sejt és a legközelebbi környezet közötti hőmérséklet-különbségek erősen befolyásolják a sejt fiziológiáját. Annak ellenõrzése érdekében, hogy tényleg,az embernek képesnek kell lennie nemcsak arra, hogy megmérje a hőmérsékletet egyetlen cella belsejében, hanem melegítse is annak érdekében, hogy meglássa, hogyan reagál – ha egyáltalán reagál.

Pontosan ez volt a fizikai-matematikai tudomány kandidátusa, Vadim Tseeb és az Orosz Tudományos Akadémia Elméleti és Kísérleti Biofizikai Intézetének (ITEB) munkatársai a Waseda japán egyetem munkatársaival. A nanoheater viszonylag egyszerű. Vegyünk egy olyan alumínium nanorészecskéket, amelynek átmérője kb. 100 nm. Néhány másodpercig a hagyományos üvegmikropipett csúcsa (körülbelül egy mikrométer átmérője) leeresztve a szuszpenzióba. A vizes szuszpenzió belép a pipetta csúcsába, amelyet ezután a hevítőbe viszünk be: a víz elpárolog, és a nanorészecskék maradnak. Ezután a pipetta hegyét még közelebb hozza a fűtőberendezéshez, hogy megolvadjon – ennek következtében számos alumínium nanorészecske zárva van a mikropipettán belül. Általában más fémek – platina, ezüst, arany – töltőanyagként szolgálhatnak a nanoheater számára. Az alumínium választása csak annak tudható be, hogy a nanorészecskék gyengén ragaszkodnak egymáshoz.

A nanoheater létrehozásához a mikropipetta csúcsát rövid időn belül a legkisebb alumínium részecskék szuszpenziójába mártjuk, majd a vízbe párologtatjuk a melegítőbe. A víz eltávolítása után a hegyet még tovább hevítik a benne maradt alumínium részecskék forrasztására. A hőérzékelőt hasonló módon készítik, csak a pipetta csúcsát először lezárják, majd hőre érzékeny festéket öntik bele. A képen a jobb sarokban: Kész nanoheater (a bal oldalon) és a termoszenzor (a jobb oldalon)

Ez a fém, amely megmelegíti a sejtet, és maguk a nanorészecskék felmelegedéséhez egy 1064 nm-es hullámhosszú infravörös lézerre van szükség – sem a víz, sem az üveg abszorbeálja a sugárzást, ezért az összes sugárzási energia alumíniumba kerül. A lézernyaláb a nanoheater csúcsán tartva szó szerint meredek hőmérséklet-gradienset eredményez ezredmásodpercben – a víz alacsony hővezetőképessége miatt a hő a nanorészecskékben keletkezik.

De ez egy melegítő, és mi a hőmérő? Hasonló módon van kialakítva, és egy hőre érzékeny fluoreszcens anyaggal lezárt mikropipetta van: a hőmérséklet függvényében az anyag különböző frekvenciákon fluoreszkál.Amikor a hőmérő csúcsát a fűtőelem csúcsához viszik, a hőmérő csúcsán lévő molekulák a fűtést érzékelik, és másképpen kezdik fényleni. Természetesen a melegítőt és a hőmérőt először cellák nélkül tesztelték, tiszta vízben, és már ilyen előzetes kísérletekben sikerült érdekes eredményt elérni. Amikor a nanorészecskéket 100 ° C-ra hevítették, egy telített gőzös buborék jelenik meg a fűtőberendezésen – más szóval a víz közel van hozzá. De már csak 20 μm távolságra, a hőmérséklet 30 ° C-ra csökkent, majd lassan 24 ° C-ra csökkent. (Összehasonlításképpen: a mitokondriumok mérete, a sejt legfontosabb szervesei, amelyek energiát termelnek, és amelyekben hatalmas számú reakció történik, 0,5 és 10 mikron közötti tartományba esik.) Ilyen esetekben azt mondják, hogy meredek hőmérséklet-gradiens van: a víz rosszul hevít, majd a nanoheater közvetlen közelében a hőmérséklet 70 ° C alatt van. És még ha a lézer állandóan 100 ° C-os hőmérsékleten tartja a nanorészecskéket, a hőmérséklet-gradiens nem megy sehova.

A komplex optikai rendszert használó lézersugár megadja a kívánt intenzitást és fókuszálást, irányítja a gerendát a nanoheater csúcsán, a kísérleti sejt mellett.A hőmérsékletváltozásokat hőérzékelő segítségével rögzítik: a hőérzékelő csúcsán lévő anyag fény hatására fluoreszkál, a fluoreszcencia jellege a környezeti hőmérséklet függvénye. A képen: nanoheater és termoszenzor a sejt közelében

Miért beszélünk annyira a hőmérséklet gradiensről? Képzelje el, hogy a nanoheater 100 ° C-on a csúcson közeledett a cellához. Természetesen nem lesz jó benne. De a szomszédai nem éreznek komoly dolgokat, a legrosszabb esetben – néhány fokos felmelegedés: a meredekség meredek, a hőmérséklet nagyon gyorsan leesik, amikor a fűtőelem elmozdul a fűtőberendezéstől. Most képzeld el, hogy a halott sejt rákos volt, szomszédai normálisak voltak, egészségesek. Ha egy ilyen hőmérsékletű szikét kezelnénk, akkor lehetőség nyílt a rosszindulatú daganatok gerincének teljesen kiküszöbölésére anélkül, hogy ártana lenne a környező egészséges szöveteknek. (Különösen figyelembe véve, hogy a daganatok jobban tolerálják a hőstresszeket.)

De mielőtt fantáziálnánk az új módszer alkalmazásával kapcsolatban, jó lenne tudni, hogyan folytatódtak a kísérletek a nanoheaterrel. A telepítést humán sejtekkel vizsgáltuk, ahol hőmérsékleti gradiens jött létre, és maguk a sejtek kaptak egy érzékeny festéket a kalciumionok tartalmára.Emlékeztetünk rá, hogy a különböző ionok – beleértve a kalciumokat is – egyenletesen eloszlanak az egész sejten belül: a speciális fehérjék szivattyúzzák őket bizonyos organellekbe vagy a citoplazmába, és a kalciumról beszélve felhalmozódik egy komplex membrános vezikulák és csövek rendszerében, amelyet endoplazmatikus retikulum vagy endoplazmatikus retikulum. Kiderült, hogy a fűtés és a későbbi hűtés hatására az endoplazmatikus retikulumból származó kalciumionok hatásos felszabadulását eredményezi a citoplazmában, amit a citoplazmában lebegő kalciumérzékeny festék színez.

Kalciumionok felszabadulása az endoplazmatikus retikulumból a sejtek citoplazmájába melegítés és hűtés után. A fényképen a bal oldalon számokban jelölt sejtek piros kör – a nanoheater csúcsa. A központban – sejtek a kalcium felszabadítására, a jobb oldalon – sejtek a kalcium felszabadulása után; a vörösesárga szín intenzitása jelzi az ionok áramlásának intenzitását – legfőképpen a kalciumot a sejtek citoplazmájába engedték, amelyek közel álltak a fűtőberendezéshez

Ez egyszerű kísérletnek tűnhet, és nem világos, miért volt szükség egy nanoheater létrehozására: miért nem csak a tápközegben hűteni a sejteket,miközben mikroszkóppal nézett rájuk? De először is, egy általános fűtéssel, a sejtek egyszerűen lebegnek a mikroszkóp középpontjában az anyagok hőtágulásának köszönhetően. Másrészt a kalcium felszabadulása nagyon, nagyon gyors hűtéssel történt: a lézer kikapcsolása után a hőmérséklet-gradiens csak néhány milliszekundumban eltűnt. Lehetetlenné vált egy ilyen szupergyors termikus ugrás egyszerűen a sejtkultúra felmelegítésével.

Útközben a kutatók megállapították, hogy a kalcium hatására a sejteket a táptalaj hőmérsékletétől függően másképpen kell melegíteni, és a leggyengébb melegítésre van szükség 36,6 ° C-on. Más szavakkal, ha a sejtek az emberi test normál hőmérsékletén élnek, akkor a legérzékenyebbek a hőmérsékleti ingadozások; kiderül, hogy testünk termikusan úgy van beállítva, hogy maximalizálja a Ca hatékonyságát2+. Ezek az eredmények Ceeb és japán kollégái 2009 – ben jelentek meg HFSP Journal.

Még egy érdekes eredmény a nanoheaterrel végzett kísérletekben, hogy felhasználható a sejtnövekedés szabályozására. Tehát, ha a neuron mellett egy "hot spot" volt, akkor az idegi folyamatok az irányába növekedtek, körülbelül 10 mikron / perc sebességgel.Más típusú cellák hasonlóképpen viselkedtek: amikor érezték a hőt, az irányába tolódtak. A sejtek alakja függ a cytoskeleton szerkezetétől, amelyet számos speciális fehérje alkot. Kimutatták, hogy neuronokban és más sejtekben a cytoskeleton a hő hatására újjáépül. Mindent újra egy olyan pontszerű, ultra-helyi hőmérsékleti gradiens hatása alatt hajtottak végre, amelyet csak egy nanoheater segítségével lehet létrehozni – nagy hőforrás esetében egyszerűen nem volt lehetséges hőmérsékleti különbségek létrehozása a cella méretéhez hasonló térfogatban. A neuronok kísérleteinek eredményei 2015-ben megjelentek a folyóiratban Tudományos jelentések.

Ha a hő hatása a neuronra, folyamata a hőforrás irányában nő hihetetlen sebességgel – körülbelül 10 mikron / perc. A konfokális fluoreszcens mikroszkóppal készített fotókon, sárga pont jelzett hőforrás, amelynek időtartama megegyezik a 0 s idővel. Illusztráció: Oyama, K., Zeeb, V. és mtsai. Nature Sci. Rep. 5, 16611 (2015)

Nem érdemes sokáig megmagyarázni, hogy milyen kilátók nyúlnak fel a biológiához. Először is ismertmilyen hatalmas szerepet játszik a sejtben a transzmembrán ionos potenciál; Emlékeztetünk a mitokondriumokra is, amelyek az ionok áramlását speciális membrán enzim segítségével használják fel a sejtek energiamolekuláinak előállítására, és idegimpulzusokat generálnak, amelyek az ionok egyenetlen eloszlása ​​miatt a sejtmembrán mindkét oldalán keletkeznek. Hőimpulzusokkal a cella segítségével többet megtudhatunk a fiziológiájának legfontosabb folyamatairól. Másodszor, ha a hő jelentősen befolyásolja a sejtnövekedést, akkor könnyen elképzelhető, hogy egy ilyen nanoheater használható a regeneratív gyógyászatban, ahol gyakran szükséges az idegsejtekben károsodott folyamatok kijavítása vagy a sejtek bizonyos irányú növekedése. Ezenkívül a hőmérséklet-gradiens egy másik high-tech módszerrel is használható – a 3D nyomtatás módszere, ahol most aktívan fejleszti az élő sejtek nyomtatását.

Neuron mikrografikája; jól látható a sejtek teste és folyamata, amelyek segítségével a neuronok neurális hálózatokat alkotnak. Fotó: ZEISS mikroszkópia / CC-BY-2.0

Természetesen már sokat tudunk arról, hogy a hőmérséklet hatással van a sejtre.De eddig elsősorban fiziko-kémiai reakciókat vagy teljes sejttenyészeteket vizsgáltunk túlnyomóan. A közelmúltban olyan módszereket alkalmaznak, amelyek lehetővé teszik az egyes sejtek és egyedi molekulák viselkedésének tanulmányozását, ezért a biológiai tudomány élvonalában helyezkednek el. És mivel sok hőhatás történik a sejtben nagyon gyorsan, akkor az új módszer segítségével csak látni fogjuk, mi történik a pillanatnyi felmelegedés és a sejt vagy környezetének nagyon kis mennyiségű citoplazma azonnali hűtése közben.

Az "új módszerről" szólva azonban tisztázni kell, hogy az idegsejtek növekedésének sebességéről közelmúltban közzétett meglepő adatokat megelőzte a munkában töltött évek, – Vadim Tseeb és kollégái a "nanoheater" témában megjelent cikkeket a 2000-es évek első felében publikálták tudományos folyóiratokban . A kutatók által a sejtek pulzáló fűtésére létrehozott eszköz viszonylag olcsó, és most, hogy világossá vált, hogy biológiát és gyógyszert tud adni, remélem, hogy maga a módszer és a készülék megtalálja a legszélesebb alkalmazást a modern tudományban.


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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