"Горячие точки". Зачем ученые измеряют температуру живой клетки

© Иллюстрация РИА Новости . Алина Полянина, Depositphotos / vitstudioНейриты растут в направлении источника теплаНейриты растут в направлении источника тепла
Подпишись на ежедневную рассылку РИА Наука

Спасибо за подписку

Пожалуйста, проверьте свой e-mail для подтверждения подписки

МОСКВА, 5 апр — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Несколько лет назад ученые с большой точностью измерили температуру внутри живой клетки. Раньше это считалось невозможным технически, но выяснилось, что тепло вызывает бурный рост нейронов и в клетке возникают очень резкие перепады температур. РИА Новости рассказывает, из чего сделан термометр для клетки и что у нее общего с микропроцессором.

Тело человека
Ученые назвали самую горячую точку в теле человека

О том, что живая клетка теплая, ученые знали давно, исходя из теоретических предпосылок. Ведь внутри клетки вырабатывается энергия, рождаются и исчезают электрические потенциалы, течет ток, работают ионные помпы, прокачивающие через мембрану заряженные частицы. В результате поддерживается постоянная температура организма. У человека ее можно измерить обычным ртутным градусником. Как это сделать в объекте размером несколько микрометров, долгое время было совершенно непонятно.

Попытки нагреть образец с клетками даже на один градус и одновременно наблюдать за ее поведением заканчивались неудачей. Из-за расширения стекла объект просто уходит из-под фокуса микроскопа. Кроме того, клетка охлаждается за миллисекунды, и как измерять при такой скорости, тоже было неясно. За эти задачи взялись ученые из России, Японии и Сингапура. 

Клетка бурно реагирует на нагрев

Они наполнили микропипетку раствором с металлическими наночастицами и загерметизировали. Если направить на ее кончик луч лазера, то микропипетка превращается в крошечный нагреватель, температура которого может достигать ста градусов. Вторую микропипетку наполнили флуоресцентным красителем, по-разному излучающим в зависимости от степени нагрева. Препарат с живыми клетками поместили в чашку Петри, а рядом — нагреватель-микропипетку. Микротермометр тем временем измерял температуру объекта, причем с точностью до одной десятой градуса Цельсия. Первые же наблюдения показали, что раковая клетка HeLa реагирует на близкий источник тепла весьма своеобразно: в цитоплазму резко вбрасываются ионы кальция. Уточнив и откалибровав метод, ученые опубликовали результаты эксперимента в журнале HFSP. 

© В.Э.Цееб/ИТЭБ РАНВерхние фото: клетка выбрасывает кальций в цитоплазму, почуяв тепло. Нижние фото: нейрон тянет отростки к точке нагрева
Верхние фото: клетка выбрасывает кальций в цитоплазму, почуяв тепло. Нижние фото: нейрон тянет отростки к точке нагрева

"Раньше это явление не исследовали, потому что не было инструмента, который мог бы точечно наводить градиенты температур в наноструктурах, и не было инструмента, позволявшего измерять эти наведенные градиенты. А мы эти задачи решили", — рассказывает РИА Новости один из авторов открытия Вадим Цееб, заведующий лабораторией цитотехнологии Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН.

Физик по образованию, Цееб увлекся электрофизиологией еще во время дипломной работы, которая была посвящена наблюдениям за ионными каналами в клетке при изменении температуры. Опыт он приобрел во Франции и Германии, в лаборатории Эрвина Неэра (Erwin Neher), чей вклад в изобретение метода локальной фиксации потенциала на клетке отмечен Нобелевской премией. С 2003 года Цееб работал в Университете Васеда — крупнейшем частном университете Японии, в лаборатории Ишивата Сенсея (Shin’ichi Ishiwata). Именно там удалось измерить температуру внутри клетки.

© Иллюстрация РИА Новости . Алина ПолянинаСхема эксперимента с нагревателем и микротермометром, измеряющим температуру клетки
Схема эксперимента с нагревателем и микротермометром, измеряющим температуру клетки

Нейрон тянет руки

В следующей серии опытов ученые нагрели воду рядом с нейроном до 41 градуса и увидели, что его отростки, нейриты, растут в сторону источника тепла с невероятной скоростью — десять микрометров в минуту. Клетки HeLa также необратимо меняли свою форму, почуяв близкий нагрев. Результаты опубликовали в журнале Scientific reports.

"Это вызвало большой переполох. Оказалось, что с невероятной скоростью можно управлять ростом нейритов, просто используя ультралокальный температурный градиент. Все, что связано с регенерацией нейронов, теперь будет выглядеть в новом свете, если этот метод довести до практики", — продолжает Вадим Эгонович.

Исследования Цееба и его коллег подхватили в других лабораториях по всему миру. Например, есть данные о том, что, воздействуя на клетку комбинацией лазерного излучения, можно повлиять на экспрессию генов. А одна из последних работ по измерению температур внутри клетки показала, что ее энергетические станции, митохондрии, разогреваются до пятидесяти градусов Цельсия. Результат невероятный, поскольку ферменты внутри митохондрий при такой температуре уже не должны функционировать. Этому эксперименту еще предстоит перепроверка независимыми научными группами.

Лазер вместо пипетки

После первых успешных опытов ученые усовершенствовали метод. Теперь воду рядом с клеткой нагревают прямо лучом лазера с длиной волны 1455 нанометров. Этого достаточно, чтобы создать перепад температур в пару градусов и понаблюдать за реакцией объекта.

Располагая более совершенной установкой, Цееб с коллегами намерены выяснить, как именно реагирует нейрон на локальный нагрев и какие источники тепла есть внутри самой клетки.

Чтобы рассмотреть биологический объект под микроскопом, его надо заморозить
Схема по измерению температуры клетки и наблюдению, как она реагирует на внешний источник тепла

"Первыми внимание на проблемы теплопередачи в наносистемах обратили физики. Было непонятно, почему сильно греются микропроцессоры — при такой теплопроводности и теплоемкости кремниевых подложек. Тогда предположили, что эти аномалии связаны с тепловым сопротивлением Капицы. Аналогично если рассматривать клетку с точки зрения теории теплопроводности Фурье, применимой для больших систем, то непонятно, откуда в ней такие резкие перепады температуры. Теоретические расчеты показывают, что в каналах на мембране клетки, через которые проникают ионы, температура может вырасти на десятки градусов. Звучит фантастично", — поясняет Вадим Цееб.

Существование таких "горячих" точек внутри клеток вызвало бурную дискуссию в журнале Nature methods.

Под эти задачи ученые получили грант Евросоюза по программе "Наука у границ человеческих возможностей" (Human Frontier Science Program). Соавторами выступят коллеги из Японии, Сингапура, а возглавит проект выходец из России Тарас Плахотник, ныне сотрудник Квинслендского университета (Австралия).

Ученые рассчитывают прояснить многие фундаментальные вопросы: например, почему открываются и закрываются некоторые ионные каналы на мембранах клеток, которые вроде бы должны зависеть от электрического потенциала, но его не удается обнаружить. Возможно, существует еще один механизм открытия-закрытия ионных каналов, и он связан с температурой. Поскольку в столь малом объекте, как клетка, температурой легко и быстро управлять, этот параметр выглядит очень привлекательным для практического применения в биологии и медицине.

© Фото : В.Э.Цееб/ИТЭБ РАНУстановка для измерения температуры клетки
Установка для измерения температуры клетки
РИА Наука
Наверх
Авторизация
He правильное имя пользователя или пароль
Войти через социальные сети
Регистрация
E-mail
Пароль
Подтверждение пароля
Введите код с картинки
He правильное имя пользователя или пароль
* Все поля обязательны к заполнению
Восстановление пароля
E-mail
Инструкции для восстановления пароля высланы на
Смена региона
Идет загрузка...
Произошла ошибка... Повторить
правила комментирования материалов

Регистрация пользователя в сервисе РИА Клуб на сайте Ria.Ru и авторизация на других сайтах медиагруппы МИА «Россия сегодня» при помощи аккаунта или аккаунтов пользователя в социальных сетях обозначает согласие с данными правилами.

Пользователь обязуется своими действиями не нарушать действующее законодательство Российской Федерации.

Пользователь обязуется высказываться уважительно по отношению к другим участникам дискуссии, читателям и лицам, фигурирующим в материалах.

Публикуются комментарии только на тех языках, на которых представлено основное содержание материала, под которым пользователь размещает комментарий.

На сайтах медиагруппы МИА «Россия сегодня» может осуществляться редактирование комментариев, в том числе и предварительное. Это означает, что модератор проверяет соответствие комментариев данным правилам после того, как комментарий был опубликован автором и стал доступен другим пользователям, а также до того, как комментарий стал доступен другим пользователям.

Комментарий пользователя будет удален, если он:

  • не соответствует тематике страницы;
  • пропагандирует ненависть, дискриминацию по расовому, этническому, половому, религиозному, социальному признакам, ущемляет права меньшинств;
  • нарушает права несовершеннолетних, причиняет им вред в любой форме;
  • содержит идеи экстремистского и террористического характера, призывает к насильственному изменению конституционного строя Российской Федерации;
  • содержит оскорбления, угрозы в адрес других пользователей, конкретных лиц или организаций, порочит честь и достоинство или подрывает их деловую репутацию;
  • содержит оскорбления или сообщения, выражающие неуважение в адрес МИА «Россия сегодня» или сотрудников агентства;
  • нарушает неприкосновенность частной жизни, распространяет персональные данные третьих лиц без их согласия, раскрывает тайну переписки;
  • содержит ссылки на сцены насилия, жестокого обращения с животными;
  • содержит информацию о способах суицида, подстрекает к самоубийству;
  • преследует коммерческие цели, содержит ненадлежащую рекламу, незаконную политическую рекламу или ссылки на другие сетевые ресурсы, содержащие такую информацию;
  • имеет непристойное содержание, содержит нецензурную лексику и её производные, а также намёки на употребление лексических единиц, подпадающих под это определение;
  • содержит спам, рекламирует распространение спама, сервисы массовой рассылки сообщений и ресурсы для заработка в интернете;
  • рекламирует употребление наркотических/психотропных препаратов, содержит информацию об их изготовлении и употреблении;
  • содержит ссылки на вирусы и вредоносное программное обеспечение;
  • является частью акции, при которой поступает большое количество комментариев с идентичным или схожим содержанием («флешмоб»);
  • автор злоупотребляет написанием большого количества малосодержательных сообщений, или смысл текста трудно либо невозможно уловить («флуд»);
  • автор нарушает сетевой этикет, проявляя формы агрессивного, издевательского и оскорбительного поведения («троллинг»);
  • автор проявляет неуважение к русскому языку, текст написан по-русски с использованием латиницы, целиком или преимущественно набран заглавными буквами или не разбит на предложения.

Пожалуйста, пишите грамотно — комментарии, в которых проявляется пренебрежение правилами и нормами русского языка, могут блокироваться вне зависимости от содержания.

Администрация имеет право без предупреждения заблокировать пользователю доступ к странице в случае систематического нарушения или однократного грубого нарушения участником правил комментирования.

Пользователь может инициировать восстановление своего доступа, написав письмо на адрес электронной почты moderator@rian.ru

В письме должны быть указаны:

  • Тема – восстановление доступа
  • Логин пользователя
  • Объяснения причин действий, которые были нарушением вышеперечисленных правил и повлекли за собой блокировку.

Если модераторы сочтут возможным восстановление доступа, то это будет сделано.

В случае повторного нарушения правил и повторной блокировки доступ пользователю не может быть восстановлен, блокировка в таком случае является полной.

Чтобы связаться с командой модераторов, используйте адрес электронной почты moderator@rian.ru или воспользуйтесь формой обратной связи.

Заявка на размещение пресс-релиза
Компания
Контактное лицо
Контактный телефон или E-mail
Комментарий
Введите код с картинки
Все поля обязательны к заполнению. Услуга предоставляется на коммерческой основе.
Заявка успешно отправлена