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. Расчеты показывают, что обмен ионами через мембрану может сопровождаться резким повышением температуры. РИА Новости рассказывает, из чего сделан термометр для клетки и что у нее общего с микропроцессором.
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.
Клетка выбрасывает кальций в цитоплазму, почуяв теплоВерхние 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.
Схема установки для измерения температуры клеткиСхема 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. 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.
