Sel termometer

Sel termometer

Tatyana Perevyazova, Calon Sains Biologi
Kirill Stasevich
"Sains dan Kehidupan" №3, 2017

Sukar untuk membayangkan beberapa kuantiti fizikal yang lebih biasa daripada suhu. Sama ada kita mendengar ramalan cuaca, membuka paip air, menetapkan termometer untuk diri kita sendiri – kita berurusan dengannya di mana-mana. Suhu dikaitkan dengan objek besar – dengan massa udara, dengan kuali air, dengan tubuh manusia. Dan persoalan bagaimana mengukur suhu di dalam sel hidup tunggal mungkin kelihatan aneh. Betulkah, bagaimana? Dan adakah perlu? Jawapan kepada soalan-soalan ini diberikan oleh eksperimen yang dijalankan di Institut Teoritis dan Biofizik Eksperimen Akademi Sains Rusia bersama-sama dengan rakan-rakan Jepun. Kisah eksperimen dan hasilnya akan bermula sedikit dari jauh.

Transformasi tenaga, sama ada dalam tindak balas kimia atau dalam beberapa jenis proses fizikal, disertai dengan pembebasan haba. Dalam sel hidup reaksi dan proses sedemikian berlaku banyak. Berikut adalah satu contoh: kecerunan konsentrasi ion yang biasa dipanggil pada membran sel apabila terdapat sebarang ion (contohnya, Ca2+) di satu sisi membran adalah sangat banyak, dan di sisi yang lain – sangat sedikit.Apabila tiba masa untuk memberi isyarat kepada biomolekul intraselular atau untuk menyampaikan sesuatu di luar, ke sel-sel lain, saluran terbuka di dalam membran, di mana aliran-aliran ion mengalir dari mana mereka banyak, di mana mereka sedikit; dan ia adalah pergerakan ionik yang melakukan kerja biokimia dan biofizik yang diperlukan. Pengumpulan kecerunan ion dan pelepasannya mengikut undang-undang fizikokimia harus disertai oleh peningkatan suhu, iaitu, membran dan molekul membran yang berfungsi sebagai kerja dapur ionik sebagai sumber panas serta-merta. Bolehkah haba ini diukur?

Kita tahu bahawa suhu adalah ciri termodinamik, ia menggambarkan keadaan sebilangan besar zarah. Secara kasar, jika terdapat banyak zarah dan mereka bergerak dengan cepat, yang bermaksud mereka mempunyai tenaga yang tinggi, maka seluruh sistem akan menjadi panas. Jika bergerak dengan perlahan – sejuk. Bagi sel, mungkin terdapat sedikit zarah di sana supaya kita dapat mengukur suhu mereka.

Malah, semuanya tidak begitu. Sekiranya kita mengambil, sebagai contoh, satu mikrometer padu air (jumlah yang hampir tidak dapat dibezakan oleh mata), maka kita boleh mengira kira-kira 30 bilion molekul di dalamnya.Ini adalah jumlah yang besar, dan sistem 30 bilion zarah, tentu saja, mempunyai suhu sendiri. Teori fizikal telah lama membiarkan mikrosystems digambarkan menggunakan parameter suhu; Karya pengasas thermodynamics nonequilibrium, saintis Ilya Prigogine, ahli fizik Belgia dan ahli fizikokimia asal Rusia, Hadiah Nobel dalam Kimia 1977 memainkan peranan penting di sini. Tetapi mengapa, sehingga, sehingga baru-baru ini, tiada siapa yang telah membuat percubaan yang sengaja untuk mengukur kesan suhu intraselular tempatan?

Apabila kita berhadapan dengan objek besar, seperti cerek air mendidih, air di dalamnya menyejuk perlahan-lahan. Haba yang terkumpul oleh air tidak dapat melarikan diri dengan cepat ke udara, kerana air dan udara mengendalikan haba secara berbeza. Untuk menerangkan apa yang berlaku dengan suhu dalam sistem sedemikian, terdapat alat physico-matematik khas berdasarkan termodinamik keseimbangan. Tetapi cerek mendidih dan udara di dapur adalah "besar" sistem. Dan jika kita hanya mempunyai satu mikroliter air atau kurang, sel hidup? Kami hanya mengatakan bahawa dari sudut pandangan molekul, sebuah mikroliter air adalah sistem dengan sejumlah besar zarah, dengan suhunya sendiri.Walau bagaimanapun, ada nuansa penting: bayangkan bahawa di beberapa tempat di dalam sel reaksi berlaku, disertai dengan pelepasan haba. Adakah ia memanaskan alam sekitar, adakah partikel-partikelnya akan merasakan panas yang datang kepada mereka? Adakah terdapat kecerahan suhu yang disebut dalam sel apabila terdapat dua kawasan berdekatan dengan jumlah haba yang berlainan dan haba dari satu mengalir ke yang lain supaya kita boleh mengukurnya? Pengiraan sebelum ini mencadangkan bahawa kuasa sumber haba dalam sel hidup terlalu kecil untuk mencipta kecerunan suhu tempatan di dalamnya. Iaitu, melompat suhu tempatan akan berlaku, tetapi tidak begitu besar untuk mempengaruhi proses intrasel.

Dalam beberapa dekad yang lalu, telah menjadi jelas bahawa perhitungan termodinamik seperti ini tidak dapat digunakan untuk mikrosystems. Sebagai contoh, peranti elektronik boleh memanaskan dengan agak kuat, dan apabila mereka mula menyiasat dengan tepat bagaimana pemproses komputer menjadi panas, ternyata kecerunan suhu dalam mikro dan nano semikonduktor mereka jauh lebih tinggi daripada yang diharapkan. Kenapa ini berlaku? Kerana sebelum mereka tidak mengambil kira mikrostruktur kompleks medium semikonduktor tersebut.Itu semua agak mudah dalam cerek: walaupun kita mendidih larutan garam yang sukar dari sudut pandangan kimia, ia masih homogen, dan boleh dikatakan bahawa haba diagihkan sepanjang volum lebih kurang sama rata. Dan jika kita berurusan dengan organisasi yang rumit, maka haba di bahagian yang berlainan akan diagihkan dengan cara yang berbeza. Sebagai contoh bagaimana struktur bahan dapat mempengaruhi kekonduksian terma, nanotube karbon dapat disebutkan: kekondalan termal di sepanjang paksi mereka ialah 1750 … 5800 W / (m · K), tetapi jika anda meletakkan haba tegak lurus ke paksi, kekonduksian termal akan hanya kira-kira 0.02 … 0.07 W / (m · K), iaitu, lima pesanan magnitud yang lebih rendah!

Jika kita melihat di dalam sel hidup, kita akan mendapati tiada penyelesaian homogen protein, lipid, dan sebagainya – kita akan melihat banyak organel, membran selular, kompleks molekul besar. Membandingkan pemproses komputer dengan sel akan kelihatan lebih logik jika kita membandingkan ciri elektrodinamik mereka. Adalah diketahui bahawa perbezaan potensi elektrik pada membran plasma (disebabkan oleh pengedaran ion di kedua belah pihak) adalah kira-kira 100 mV.Disesuaikan untuk perbezaan ketebalan, ini adalah tentang kekuatan medan yang sama yang wujud dalam struktur nano mikroprosesor, dan sebenarnya dalam prosesor medan sedemikian membawa kepada kesan haba yang signifikan. Jika di suatu tempat di dekat membran lipid terdapat pelepasan haba, maka, seperti dalam pemproses, ia akan berlarutan di sini untuk sementara waktu, kerana membran itu sendiri dan kompleks molekul yang terapung berhampiran sumber haba tidak akan memanaskan secepat yang mereka lakukan. akan menjadi penyelesaian homogen.

Ternyata sel itu, disebabkan oleh struktur dalamannya yang rumit, mesti diisi dengan foci haba tempatan, yang kini timbul, kini memudar. Di sini perlu diingat bahawa tindak balas kimia dan fizikal bukan sahaja menjana haba, tetapi juga bergantung kepada keadaan suhu di sekitarnya: contohnya, terdapat proses yang bergerak lebih cepat pada tahap yang tinggi, dan ada yang lain, sebaliknya, perlahan apabila dipanaskan. Jelasnya, perbezaan suhu antara bahagian-bahagian sel yang berlainan atau di antara sel itu sendiri dan persekitarannya yang terdekat akan sangat mempengaruhi fisiologi sel. Untuk memeriksa sama ada benar,seseorang mesti bukan sahaja untuk mengukur suhu di dalam sel tunggal, tetapi juga memanaskannya untuk melihat bagaimana ia bertindak balas – jika ia bertindak balas sama sekali.

Inilah sebenarnya calon saintifik ilmu fizik-matematika Vadim Tseeb dan rekan-rekannya dari Institut Teoretical and Experimental Biophysics (ITEB) dari Akademi Sains Rusia yang berjaya dengan staf Universiti Jepun Waseda. Nanoheater mereka agak mudah. Ambil penggantungan nanopartikel aluminium yang garis pusatnya adalah kira-kira 100 nm. Selama beberapa saat, hujung (kira-kira satu diameter micrometer) daripada mikrofon kaca konvensional diturunkan ke dalam penggantungan. Suspensi berair memasuki hujung pipet, yang kemudian dibawa ke pemanas: air itu menguap, dan nanopartikel tetap. Kemudian hujung pipet dibawa lebih dekat ke pemanas supaya ia cair – akibatnya, beberapa nanopartikel aluminium dimeteraikan di dalam mikrofon. Secara umum, logam lain – platinum, perak, emas – boleh bertindak sebagai "pengisi" untuk nanoheater. Pemilihan aluminium hanya disebabkan oleh hakikat bahawa nanopartikel lemah melekat bersama satu sama lain.

Untuk membuat nanoheater, hujung mikipipet secara ringkas dicelup ke dalam buburan zarah aluminium terkecil, dan kemudian dibawa ke pemanas untuk menguap air. Selepas mengeluarkan air, hujungnya dipanaskan lebih banyak untuk menyebarkan zarah aluminium yang tersisa di dalamnya. Termosensor dibuat dengan cara yang sama, hanya hujung pipet pertama dimeteraikan dan kemudian pewarna sensitif haba dicurahkan ke dalamnya. Dalam foto di sudut kanan: Nanoheater selesai (di sebelah kiri) dan termosensor (di sebelah kanan)

Ia adalah logam yang akan memanaskan sel, dan untuk memanaskan nanopartikel itu sendiri, laser inframerah dengan panjang gelombang 1064 nm diperlukan – air tidak mahupun kaca menyerap sinarannya, oleh itu semua tenaga radiasi akan pergi ke aluminium. Memegang pancaran laser pada hujung nanoheater, anda secara literal boleh mendapatkan kecerunan suhu yang curam dalam milisaat – kerana kekonduksian terma air yang rendah, semua haba akan dihasilkan dalam nanopartikel.

Tetapi ini adalah pemanas, dan apakah termometer? Ia dibina dengan cara yang sama dan adalah mikrofilm yang dimeteraikan dengan bahan pendarfluor termosensitif: bergantung pada suhu, bahan fluoresce pada frekuensi yang berbeza.Apabila kita membawa hujung termometer ke hujung pemanas, molekul di hujung termometer merasakan haba dan mula bercahaya secara berbeza. Secara semulajadi, pemanas dan termometer diuji terlebih dahulu tanpa sel-sel, dalam air tulen, dan sudah dalam eksperimen awal kami berjaya mendapatkan hasil yang menarik. Apabila nanopartikel dipanaskan hingga 100 ° C, gelembung tepu tepu muncul pada pemanas – dengan kata lain, air mendidih berhampirannya. Tetapi sudah pada jarak hanya 20 μm, suhu jatuh ke 30 ° C, selepas itu perlahan-lahan menurun hingga 24 ° C. (Untuk perbandingan: saiz mitokondria, organ penting sel yang menghasilkan tenaga untuknya dan di mana sejumlah besar tindak balas berlaku, berkisar antara 0,5 hingga 10 mikron.) Dalam kes seperti ini, mereka mengatakan bahawa terdapat kecerunan suhu yang curam: kerana air mengalirkan haba yang kurang baik, maka sudah berada di kawasan berhampiran dengan nanoheater suhu sebanyak 70 ° C di bawah. Dan walaupun laser mengekalkan suhu 100 ° C pada nanopartikel sepanjang masa, kecerunan suhu tidak akan pergi ke mana-mana sahaja.

Rasuk laser menggunakan sistem optik kompleks memberi keamatan yang dikehendaki dan memberi tumpuan, mengarahkan rasuk pada hujung nanoheater, terletak bersebelahan dengan sel eksperimen.Perubahan suhu direkodkan menggunakan termosensor: bahan di hujung lampu termosensor di bawah tindakan cahaya, sifat pendarfluor bergantung pada suhu ambien. Dalam gambar: nanoheater dan thermosensor berhampiran sel

Kenapa kita bercakap banyak tentang kecerunan suhu? Bayangkan bahawa nanoheater dengan 100 ° C di hujung menghampiri sel. Dia, tentu saja, tidak akan pandai. Tetapi jiran-jirannya tidak akan merasa apa-apa yang serius, dalam kes yang paling teruk – beberapa darjah pemanasan: kecerunan adalah curam, suhu turun dengan cepat apabila pemanas bergerak dari pemanas. Sekarang bayangkan sel mati itu kanser, dan jiran-jirannya adalah normal, sihat. Sekiranya kami mempunyai pisau suhu seperti di tangan kami, mungkin sudah tentu dapat menghilangkan fokus tumor malignan tanpa sebarang bahaya kepada tisu sihat di sekelilingnya. (Khususnya mengingat bahawa tumor bertoleransi tekanan panas lebih buruk.)

Tetapi sebelum membuat fantasi tentang penerapan kaedah baru, adalah baik untuk mengetahui bagaimana eksperimen dengan nanoheater diteruskan. Persediaan itu diuji dengan sel-sel manusia di mana kecerunan suhu dicipta, dan sel-sel itu sendiri diberikan pewarna sensitif terhadap kandungan ion kalsium.Seperti yang kita ingat, pelbagai ion, termasuk kalsium, tidak sama rata di seluruh sel: protein khas mengepamnya ke organel tertentu atau ke sitoplasma, dan bercakap tentang kalsium, ia terkumpul dalam sistem kompleks vesikel dan tiub membran, yang dipanggil retikulum endoplasma atau retikulum endoplasma. Ternyata pemanasan dan penyejukan berikutnya merangsang pembebasan ion kalsium yang kuat dari retikulum endoplasma ke dalam sitoplasma, seperti yang dibuktikan oleh warna pewarna sensitif kalsium, yang juga terapung di dalam sitoplasma.

Pelepasan ion kalsium dari retikulum endoplasma ke dalam sitoplasma sel selepas pemanasan dan penyejukan. Dalam foto di sebelah kiri dalam nombor sel berlabel bulatan merah – hujung nanoheater. Di tengah – sel untuk melepaskan kalsium, di sebelah kanan – sel selepas pembebasan kalsium; keamatan warna merah-kuning menunjukkan keamatan aliran ion – paling banyak, kalsium dikeluarkan ke dalam sitoplasma dalam sel-sel yang berdekatan dengan pemanas

Ini mungkin kelihatan seperti percubaan mudah, dan tidak jelas mengapa perlu untuk membuat nanoheater: mengapa tidak hanya memanaskan sel dalam medium nutrien,sambil melihat mereka melalui mikroskop? Tetapi, pertama, dengan pemanasan umum, sel-sel hanya akan terapung dari tumpuan mikroskop disebabkan pengembangan termal bahan. Dan kedua, pelepasan kalsium berlaku pada penyejukan sangat cepat: setelah mematikan laser, kecerunan suhu menghilang dalam sekejap saja. Tidak mustahil untuk mengatur lompatan haba yang sangat cepat semata-mata dengan memanaskan budaya sel.

Sepanjang perjalanan, para penyelidik mendapati bahawa untuk kesan kalsium, sel-sel perlu dipanaskan secara berbeza bergantung pada suhu medium dan pemanasan yang paling lemah diperlukan pada 36.6 ° C. Dalam erti kata lain, jika sel hidup pada suhu normal badan manusia, mereka paling sensitif terhadap turun naik suhu; ternyata badan kita termal untuk memaksimumkan kecekapan Ca2+. Keputusan ini, Ceeb dan rekan Jepunnya diterbitkan pada tahun 2009 di Malaysia Jurnal HFSP.

Hasil eksperimen yang lebih menarik dengan nanoheater adalah bahawa ia boleh digunakan untuk mengawal pertumbuhan sel. Oleh itu, jika terdapat "tempat yang panas" di sebelah neuron, maka proses saraf mula berkembang ke arahnya pada kelajuan sekitar 10 mikron seminit.Sel-sel lain-lain sel berkelakuan dengan cara yang sama: setelah merasakan panas, mereka melambai ke arahnya. Bentuk sel apa pun bergantung pada seni bina sitoskeletonnya, yang dibentuk oleh beberapa protein khas. Telah ditunjukkan bahawa kedua-dua neuron dan sel-sel lain, sitoskeleton sebagai tindak balas terhadap haba mula membina semula. Segala-galanya berlaku sekali lagi di bawah tindakan kecerahan suhu ultra-setempat, yang boleh dibuat hanya dengan bantuan sebuah nanoheater – dalam hal sumber panas yang besar, tidak semestinya mungkin untuk mencipta perbezaan suhu dalam jumlah yang setanding dengan saiz sel itu sendiri. Hasil eksperimen dengan neuron telah diterbitkan pada tahun 2015 dalam jurnal Laporan Saintifik.

Apabila kesan haba pada neuron prosesnya mula berkembang ke arah sumber haba pada kelajuan yang luar biasa – kira-kira 10 mikron seminit. Dalam gambar yang diambil dengan mikroskop pendarfluor konfok, titik kuning sumber haba yang ditandakan, masa yang sesuai dengan masa 0 s. Ilustrasi: Oyama, K., Zeeb, V. et al. Alam Sci. Rep. 5, 16611 (2015)

Ia tidak berbaloi untuk menerangkan prospek apa yang membuka peluang untuk biologi. Pertama, ia diketahuiapakah peranan besar untuk sel dimainkan oleh potensi ion transmembrane; Kita juga dapat mengingatkan mitokondria, yang menggunakan aliran ion melalui enzim membran khas, mensintesis molekul tenaga untuk sel, dan neuron, yang menghasilkan dorongan saraf kerana pengedaran ion yang tidak merata pada kedua-dua belah membran sel. Bertindak di sel dengan denyutan haba, kita boleh mengetahui lebih lanjut mengenai proses yang paling asas dalam fisiologinya. Kedua, jika haba mempengaruhi pertumbuhan sel sangat banyak, mudah untuk membayangkan bagaimana nanoheater seperti itu boleh digunakan dalam ubat regeneratif, di mana ia sering diperlukan untuk membaiki proses yang rosak dalam sel-sel saraf atau membuat sel-sel tumbuh dalam arah tertentu. Di samping itu, kecerunan suhu boleh digunakan dalam satu lagi kaedah berteknologi tinggi – kaedah percetakan 3D, di mana mereka kini aktif menguasai percetakan dengan sel hidup.

Mikrograph of a neuron; jelas kelihatan adalah badan sel dan prosesnya, dengan bantuan neuron yang membentuk rangkaian saraf. Photo: ZEISS Microscopy / CC-BY-2.0

Sudah tentu, kita sudah tahu banyak tentang bagaimana suhu menjejaskan sel.Tetapi setakat ini, kebanyakan tindak balas fizikokimia atau budaya sel keseluruhan telah dikaji secara mendadak. Baru-baru ini, kaedah yang membolehkan seseorang mengkaji perilaku sel individu dan molekul individu sedang giat dibangunkan dalam biologi, jadi dalam pengertian ini, eksperimen yang diterangkan terletak di barisan hadapan sains biologi. Dan kerana banyak kesan haba berlaku dalam sel dengan cepat, maka dengan bantuan kaedah baru kita dapat melihat apa yang berlaku semasa pemanasan segera dan penyejukan segera jumlah yang sangat kecil dari sitoplasma sel atau persekitarannya.

Walau bagaimanapun, bercakap tentang "kaedah baru", perlu menjelaskan bahawa data mengejutkan yang baru-baru ini diterbitkan pada kelajuan pertumbuhan neuron didahului oleh tahun kerja, – artikel pertama oleh Vadim Tseeb dan rakan-rakannya mengenai topik "nanoheating" telah diterbitkan dalam majalah-majalah berkala pada separuh pertama tahun 2000an . Peranti yang dicipta oleh para penyelidik untuk pemanasan berdenyut sel ternyata agak murah, dan sekarang telah menjadi jelas bahawa ia dapat memberikan biologi dan ubat, saya berharap agar kaedah itu sendiri dan peranti itu akan menemui aplikasi terluas dalam sains moden.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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