Рисунки по клеткам в тетради: Рисунки по клеточкам на тетрадном листе

Резкие скачки температуры внутри клеток вызывают интерес и скептицизм

Несколько лет назад нейрохирург Хуан «Джон» Ван, работавший тогда в больнице Карле в Урбане, штат Иллинойс, обратился к Сандживу Синха, инженеру-механику из близлежащего флагманского кампуса Университета Иллинойса. , о совместной работе, чтобы ответить на этот вопрос. Для этого команде Синхи сначала нужно было выяснить, как измерять температуру клетки. Некоторые методы для этого уже существовали, но исследователи думали, что их можно улучшить. Например, один популярный метод с использованием флуоресцентных молекул имел высокую погрешность и мог зависеть от изменений других факторов, помимо температуры, таких как концентрация ионов и рН.

Измерение температуры с помощью флуоресценции также дало результаты, которые Синха счел сомнительными. «За последние десять лет или около того появилось множество публикаций, в которых сообщается о повышении температуры в камерах на несколько градусов по Цельсию, — говорит он. «Это не имеет физического смысла. Откуда взялось все это тепло?»

Итак, Манджунат Раджагопал, аспирант лаборатории Синхи, решил разработать новый, более точный тип клеточного термометра. Он и Синха использовали атомно-силовую микроскопию (АСМ), которая обеспечивает очень точные измерения сил, действующих между зондом и образцом. Адаптация технологии для использования внутри живой клетки заняла годы. «Мы изменили дизайн, чтобы зонд был достаточно длинным и тонким. . . что делает его менее повреждающим для клетки, когда он входит в клетку», — говорит Раджагопал. Калибровка прибора представляла собой еще одну проблему; вместо того, чтобы использовать горячую и холодную воду — обычный подход к калибровке приборов для измерения температуры — они стремились к более высокой точности с помощью методов, заимствованных из полупроводниковой промышленности, где АСМ используется для измерения гладкости поверхностей.

Для пробного запуска устройства Синха и Раджагопал работали с нейробиологом Рханором Джиллеттом из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейне (UIUC), чтобы измерить температуру некоторых необычно больших нейронов, обнаруженных в брюшной полости морского слизня. известный как калифорнийский морской заяц ( Aplysia californica ). Команда поместила культивированные нейроны под микроскоп и вставила в один из них специальный термометр, а также устройство для измерения напряжения для контроля состояния клетки.

АНДРЕЙ КРАУЗЕ

«Мы ожидали, что температура будет стабильной, без каких-либо повышений. И это было бы подтверждением того, что наш зонд действительно работает хорошо», — говорит Синха. Исследователи обнаружили, что температура действительно оставалась постоянной большую часть времени, «но в дополнение к этому мы наблюдали очень внезапный скачок». Действительно, зонд зафиксировал всплески температуры в несколько кельвинов (или градусов по Цельсию), каждый из которых длился около секунды.

Результаты казались бессмысленными. В статье 2014 года исследователи из Франции подсчитали, что для повышения температуры всего на один Кельвин клетка должна дышать — то есть сжигать глюкозу — на пять порядков быстрее, чем обычно. Таким образом, заявления об изменении температуры на несколько градусов Кельвина нереалистичны, заключила французская команда. Синха согласился.

Группа Синхи провела несколько экспериментов, чтобы выяснить, может ли какой-то другой фактор, кроме температуры, влиять на их показания, но ничего не вышло. Поэтому исследователи задумались, могут ли нейроны получать энергию от чего-то другого, кроме нормального дыхания, подпитываемого глюкозой. Хорошо известно, что во время дыхания митохондрии создают протонный градиент через свои мембраны, который они используют для производства АТФ. Этот градиент также может действовать как аккумулятор благодаря процессу, называемому разобщением протонов, при котором протонам временно позволяют проходить через мембрану, выделяя тепло, хотя исследователи до конца не понимают, как запускается этот процесс.

Чтобы выяснить, может ли разобщение протонов в митохондриях объяснить зарегистрированные ими скачки температуры, Синха и его коллеги попытались искусственно вызвать этот процесс в

Амбре Бертолет, молекулярный биолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, работающая над белками, участвующими в разобщении протонов, и не участвовавшая в исследовании, говорит, что изобретение теплового зонда является важным вкладом в научную дискуссию о происходят ли большие изменения температуры в одиночных ячейках. Но она отмечает, что зонд измеряет температуру только в определенном месте клетки, и исследование на самом деле не демонстрирует, что пики, обнаруженные в этих местах, соответствуют повышению температуры всей клетки. «Они измеряют митохондриальный термогенез, но, в конце концов, они не говорят, что это влияет на клеточный термогенез».

Гийом Баффу, который занимается исследованиями нанотехнологий и термодинамики во Французском национальном центре научных исследований (CNRS) и является соавтором статьи 2014 года, в которой рассчитываются энергетические потребности для скачков температуры в отдельных клетках, также не убежден результатами исследователей UIUC. «Я все еще настроен скептически, потому что физически это невозможно», — говорит он. В своей работе Баффу и его коллеги обнаружили, что «если вы полностью заполните внутреннюю часть клетки глюкозой и сожжете все… . . даже если вы это сделаете, у вас будет очень небольшое повышение температуры», — говорит он. «Я думаю, что то, что [клетка] может сделать с [разъединением протонов], будет еще слабее, чем то, что вы можете сделать с глюкозой», потому что тепло, выделяемое в митохондриях, будет быстро рассеиваться из клетки, прежде чем клетка сможет значительно нагреться.

Но Синха находит доказательства убедительными, отмечая в электронном письме на адрес Ученый , что исследовательская группа провела «несколько контрольных экспериментов, чтобы исключить артефакты в наших измерениях». Что касается возможности скачков температуры, он пишет, что митохондриальные протонные градиенты могут обеспечить больший источник энергии, чем запасы глюкозы в клетке. «Нейрон, который мы использовали, имеет большое количество митохондрий.