Metody pro studium aktivity buněk. Biologie

První osobou, která osobně viděla buněčnou strukturu živého organismu, byl vynálezce mikroskopu Robert Hooke. V roce 1665 zvažoval buněčnou strukturu kůry dubu. Od té doby se struktura mikroskopů a metody pro studium životně důležité činnosti buněk dostaly daleko dopředu. A oni se dále rozvíjejí a vědcům poskytují nový a nový materiál pro výzkum a teorie o fungování strukturálních jednotek celého života na naší planetě.

Nejslavnější jména v historii buněk

Robert Hooke, který studoval struktura rostlinných buněk věřili, že jejich stěny jsou naživu, a nikoli obsah. Po 10 letech navrhl italský lékař Marcello Malpigi první buněčnou teorii struktury rostlin. Věřil, že všechny rostlinné orgány jsou tvořeny buňkami, které mají cytoplazma. Anthony van Leeuwenhoek zkoumal lidské červené krvinky a lidské buňky spermií a slavný francouzský zoolog Jean Baptiste Lamarck předpokládal, že všechny živé organismy jsou z buňky vybudovány. Ustanovení moderního teorie buněk který představili němečtí biologové Theodor Schwann a Mathias Schleiden, a přidali ji ruskému patologovi Rudolph Virkhov. Tak se narodila nová buňková věda a stalo se to v roce 1839, kdy biologové používali pouze světelné mikroskopy a spíše chudý arzenál znalostí.

Jaká věda studuje život buňky?

Úkolem cytologa je vytvořit buněčná struktura, jeho strukturální složky, zákony o životním životě a normálním fungování. Vědecká cytologie, od řeckého slova "cytoc" - "buňka", kromě výše uvedených, studuje vzhled a smrt buněk, procesy reprodukce. Na hranici tohoto poznání je patologie buněk, klinická cytologie - vědy, které popisují a zkoumají patologické stavy buňky. Biochemie a biofyzika buňky studuje základy jeho životně důležitých procesů. A buněčná genetika studuje zákony dědičnosti a redistribuce materiálu dědičnosti na buněčné úrovni. A každá z uvedených oborů biologie má svůj vlastní plán a metody pro studium činnosti buněk. Seznamte se s nejdůležitějšími metodami, které mají moderní biologové k dispozici.

První mikroskopy

Historicky prvními prostředky pro studium buněk byly světelné mikroskopy. Princip jejich práce spočívá v tom, že paprsky světla procházejí průhledným objektem, který pak vstupuje do systému zvětšovacích čoček. Moderní světelné mikroskopy umožňují zvýšit objekt pozorování o 2 000 krát. Ale jeho možnosti jsou omezeny rozlišením - minimální vzdálenost mezi dvěma body, když jsou stále viditelné jako samostatné objekty. Hranice této schopnosti jsou fyzické vlastnosti povahy světla, délka světla. Nejlepší moderní světelný mikroskop vám umožní vidět struktury se vzdáleností mezi prvky 0,25 mikrometru. Pro srovnání: velikost bakterií E. coli je 2 mikrometry. Sloučenina mikroskopu umožňuje studovat jednobuněčné organismy, strukturu tkání a buněk, ale pro tuto metodu studia buněčné aktivity není k dispozici vnitřní struktura buněčných organel, malých bakterií a virů. Existují však určité výhody této metody - umožňuje provádět in vivo studium biologického objektu. Navíc různé metody barvení léků poskytují jasné obrazy a jsou široce používány v klinické diagnostice.

Elektronová mikroskopie

Rozhraní rozlišení může být překročeno, pokud se elektrony použijí namísto světla k získání obrazu. Takový krok byl učiněn v roce 1931, kdy byl vydán první patent na přenosový elektronový mikroskop. Toto zařízení má také čočky, ale nejsou skleněné, ale magnetické. Zaměřují elektrony a zobrazují obraz na obrazovce. Elektronová mikroskopie jako metoda pro studium vitální aktivity buňky vám umožňuje zvětšit objekt milionkrát a rozlišovací limit se zvýší na 0,5 nanometrů. Moderní elektronové mikroskopy jsou průsvitné a rastrové (skenování). Ale jakýkoliv typ zvětšovacího zařízení má své chyby. I přes velmi vysokou jasnost obrazu takové přístroje neumožňují studium biologických objektů v životě a příprava vzorku pro takovou studii je velmi dlouhý a nákladný proces.

3D model buňky

Jedním z nejnovějších způsobů, jak studovat životně důležitou aktivitu buňky, která je pouze pár desetiletí, je fluorescenční mikroskopie. Metoda je založena na zavedení speciálních světelných štítků do buňky (látky, které pod určitým osvětlením září v jiné barvě). Mohou označovat jednotlivé molekuly látky a sledovat jejich cestu v buňce. Takové štítky navíc poskytují krásné a jasné trojrozměrné obrazy objektu.

Rozlomte klec

Pro studium struktury jednotlivých strukturních složek buňky je důležité je izolovat ve své čisté podobě, která se stala docela reálnou na počátku 40. let minulého století. Takové dělení na frakce je možné pomocí diferenciálního odstřeďování jako jednoho z metod pro studium buněčné aktivity. Plán pro aplikaci této metody se skládá ze dvou fází: destrukce buňky a separace složek do frakcí, které se liší jejich molekulovou hmotností. Zničí buněčné stěny ultrazvukem, prasknutím nebo jednoduchým broušením.

V odstředivce se díky odstředivým silám nejdříve usadí nejtěžší komponenty. Takže při vysokých rychlostech centrifugace jsou nejprve uloženy buněčné jádra, pak mitochondrie a další organely, poslední jsou ribosomy. Oddělené organely jsou snadno studovány pod mikroskopem. Při pečlivém uplatnění této metody studia buněčné aktivity se zachovává struktura struktury organel a je možné stanovit molekulární mechanismus některých procesů. Použití frakčního odstřeďování umožnilo dešifrovat fáze biosyntézy proteinů v buňkách.

Zmrazit a prozkoumat

Spíše novou metodou v buněčné biologii je zmrazování-spallace. Během normálního zmrazení se v buňkách objevují ledové krystaly, které zkreslují strukturu. Ale při rychlém zmrazení kapalným dusíkem (teplota minus 196 stupňů Celsia) se voda nestane krystalickou formou a buňky se nedeformují. Potom se vzorky nasekají, přebytečný led se odstraní a nastříká se vrstva těžkých kovů. Poté se textilie vzorku rozpustí a výsledek tisku zůstane a výsledkem bude účinek stínů. Obraz v mikroskopu se získá volumetricky. Použitím takové metody studia vitální aktivity buněk bylo možné studovat strukturu membrán.

Kultivační metoda

Jaké metody využívají moderní vědci ke studiu buněk? Zde je jedna z nejvíce neobvyklých a neuvěřitelně slibných - rostoucích ve speciálních prostředích. Tato metoda se používá, pokud je pro studium potřeba mnoho identických buněk. A živý. Pak je připraveno velmi složité prostředí (13 aminokyselin, 8 vitamínů, glukózy, antibiotik a minerálních solí), na kterých je umístěna buněčná kultura. Je známo, že buňky v kultuře umírají po určitém počtu dělení. Ale v kultuře se mohou objevit mutantní druhy, které jsou schopné nekonečné reprodukce. Jsou to a přinášejí čistou linii, která se nazývá transplantabilní. Nejznámější čárou je linka HeLa, buňka rakoviny děložního čípku. Byly staženy v roce 1952.

Buněčná mikrochirurgie

Jedná se o jednu z nejzajímavějších metod pro studium buněk. Pomocí mikromanipulátorů (velmi malých háků, pipet, jehel, kapilár) se buňka odřízne a může být přidána jako něco, aby se mohla odstranit. Specialista monitoruje celý proces mikroskopem. Tímto způsobem lze transplantaci jádra jedné buňky do druhé a dokázat, že jde o typ určující faktor (takové experimenty byly prováděny s amébami). Tato metoda otevírá možnost zavedení protilátek a speciálních proteinů do živých buněk, které významně ovlivňují životně důležitou aktivitu. Metoda se dnes aktivně rozvíjí, je široce používána v genetickém inženýrství - samostatném směru biologie, zaměřeném na manipulaci s geny organismů a rostoucích umělých proteinů, tkání a celých organismů.

Nanoroboty v cytologii

Američtí biologové již vytvořili nanoprobe, která dokáže sledovat elektrochemické a biochemické procesy v živých buňkách. Experimentální model je tak malý, že se může vejít do jádra nebo dokonce do mitochondrií.

Ale ve Švédsku byl vyvinut nanosenzor, který měří pH v cytoplazmě buňky a je schopen rozlišit i jednotlivé molekuly chemických látek v různých částech buňky. Kromě toho pocítí velmi slabý elektrochemický potenciál, k němuž dochází při vstupu biomolekul.

Na univerzitě v Cambridgi navrhli vědci nano-motor, který dokáže přinést cely do buňky, od molekul živin až po protilátky. Říkali mu "mravenec" - vyvíjí sílu na předmět, který je 100krát větší než jeho váha. Vyhlídky "mravence" v medicíně jsou výrazné v jejich rozsahu.

A nakonec. Zdravotní senzory, analyzátory molekul, nano-sondy a zařízení pro ukládání informací už nejsou budoucností technologie, ale současnosti. Americký vynálezce a futurista Ray Kurzweil tvrdí, že pomocí nanotechnologie může být lidský biologický nervový systém připojen k internetu již v roce 2030.