CELIČNA BIOLOGIJA: ZGODOVINA, KAJ ŠTUDIRA, APLIKACIJE IN KONCEPTI - BIOLOGIJA - 2026

Cell Biology je veja biologije, ki proučuje vse vidike celic življenja. Se pravi s strukturo, funkcijo, evolucijo in vedenjem celic, ki sestavljajo živa bitja na zemlji; z drugimi besedami, vse, kar je lastno njegovemu rojstvu, življenju in smrti.

Gre za znanost, ki združuje veliko količino znanja, med katerimi izstopajo biokemija, biofizika, molekularna biologija, računske znanosti, razvojna in vedenjska biologija ter evolucijska biologija, od katerih ima vsak svoj pristop in lastne strategije eksperimentiranja za odgovor na določena vprašanja.

Silueta mikroskopa (Vir: Karen Arnold prek Wikimedia Commons)

Ker celična teorija pravi, da so vsa živa bitja sestavljena iz celic, celična biologija ne razlikuje med živalmi, rastlinami, bakterijami, arhaji, algami ali glivami in se lahko osredotoči na posamezne celice ali celice, ki pripadajo tkivom in organom isti večcelični posameznik.

Ker gre za eksperimentalno znanost (ne deskriptivno), so raziskave v tej veji biologije odvisne od metod, ki so na voljo za preučevanje celične ultrastrukture in njenih funkcij (mikroskopija, centrifugiranje, kultura in vitro itd.)

Zgodovina celične biologije

Nekateri avtorji menijo, da se je rojstvo celične biologije zgodilo s pojavom teorije celic, ki sta jo leta 1839 predlagala Schleiden in Schwann.

Pomembno pa je upoštevati, da so bile celice opisane in preučene mnogo let prej, začenši s prvimi ugotovitvami Roberta Hookeja, ki je leta 1665 prvič videl celice, ki so mrtvo tkivo plutovine; in nadaljuje z Antonijem van Leeuwenhoekom, ki je leta pozneje pod mikroskopom opazoval vzorce z različnimi mikroorganizmi.

Portret Roberta Hookea (Vir: Gustav VH, prek Wikimedia Commons)

Po delu Hooke, Leeuwenhoek Schleiden in Schwann so se številni avtorji posvetili tudi nalogi preučevanja celic, s katerimi so izpopolnili podrobnosti o njihovi notranji zgradbi in delovanju: jedro evkariontskih celic, DNK ter kromosomi, mitohondriji, endoplazemski retikulum, Golgijev kompleks itd.

Sredi 20. stoletja je področje molekularne biologije doživelo znaten napredek. To je vplivalo na to, da je tudi v petdesetih letih celična biologija doživela znatno rast, saj je bilo v teh letih mogoče vzdrževati in množiti celice in vitro, izolirane od živih organizmov.

Napredek v mikroskopiji, centrifugiranju, formulaciji kulturnih medijev, čiščenju beljakovin, identifikaciji in manipulaciji mutiranih celičnih linij, eksperimentiranju s kromosomi in nukleinskimi kislinami je med drugim postavil precedens za hiter napredek celične biologije do trenutna doba.

Kaj študiraš? (predmet preučevanja)

Za proučevanje prokariotskih in evkariontskih celic je odgovorna celična biologija; preučuje procese svojega nastajanja, njegovo življenje in smrt. Običajno se lahko osredotoči na signalne mehanizme in strukturo celičnih membran, pa tudi na organizacijo citoskeleta in celične polarnosti.

Prav tako preučuje morfogenezo, torej mehanizme, ki opisujejo, kako se celice razvijajo morfološko in kako se celice, ki se "skozi čas življenja" zorijo in preobrazijo, spreminjajo.

Celice kvasovk vrste Saccharomyces cerevisiae.

Celična biologija vključuje teme, povezane z mobilnostjo in energijskim metabolizmom, pa tudi z dinamiko in biogenezo njihovih notranjih organelov, če gre za evkariontske celice (jedro, endoplazemski retikulum, Golgijev kompleks, mitohondrije, kloroplasti itd. lizosomi, peroksizomi, glikozomi, vakuoli, glioksizomi itd.).

Vključuje tudi preučevanje genomov, njihovo organizacijo in jedrsko funkcijo na splošno.

V celični biologiji se preučujeta oblika, velikost in funkcija celic, ki sestavljajo vse žive organizme, ter kemijski procesi, ki se pojavljajo znotraj njih, in interakcija med njihovimi citosolnimi komponentami (in njihovo podcelično lokacijo) in celice s svojim okoljem.

Bistveni pojmi v celični biologiji

Ponazoritev delitve celice. Vir: pixabay.com

Vstop na področje celične biologije je preprosta naloga ob upoštevanju nekaterih osnovnih znanj ali bistvenih pojmov, saj je s temi in z uporabo razuma mogoče poglobljeno razumeti zapleten svet celic.

Celice

Shema dveh vrst celic v naravi: evkarioti in prokarioti. Prikazani so glavni deli, ki prikazujejo razlike med njimi (Vir: Avtor ni na voljo za branje avtorja. Predpostavljen je Mortadelo2005 (na podlagi trditev o avtorskih pravicah). Prek Wikimedia Commons)

Med temeljnimi pojmi, ki jih je treba upoštevati pri panorami, je pojmovanje, da so celice osnovne enote življenja, to je, da so "bloki", ki omogočajo gradnjo organizmov, ki jih lahko imenujemo "živi" in da vsi so ločeni od zunajceličnega okolja zahvaljujoč prisotnosti membrane.

Ne glede na njihovo velikost, obliko ali delovanje v določenem tkivu vse celice opravljajo enake osnovne funkcije, ki so značilne za živa bitja: rastejo, se hranijo, sodelujejo z okoljem in se razmnožujejo.

DNK

Molekula DNA. Vir: wikipedia.org

Čeprav obstajajo evkariontske celice in prokariontske celice, ki se glede na svojo citosolno organizacijo bistveno razlikujejo, ne glede na to, kakšna celica ima v mislih, vsi, brez izjeme, imajo v sebi deoksiribonukleinsko kislino (DNK), molekulo, ki živi " strukturne, morfološke in funkcionalne ravnine ”celice.

Citosol

Diagram živalske celice in njenih delov. Citosol je imenovan na dnu. (Vir: Alejandro Porto prek Wikimedia Commons)

Evkariontske celice imajo v svojem citosolu specializirane organele za različne funkcije, ki prispevajo k njihovim vitalnim procesom. Ti organeli izvajajo pridobivanje energije iz hranilnih snovi, sintezo, pakiranje in transport številnih celičnih beljakovin, pa tudi uvoz in prebavo velikih delcev.

Citoskelet

Celice imajo notranji citoskelet, ki ohranja obliko, usmerja gibanje in transport beljakovin in organelov, ki jih uporabljajo, pa tudi pomaga pri gibanju ali premikanju celotne celice.

Enocelični in večcelični organizmi

Obstajajo enocelični in večcelični organizmi (katerih število celic je zelo spremenljivo). Študije biološke celice se običajno osredotočajo na "modelne" organizme, ki so bili opredeljeni glede na vrsto celice (prokarioti ali evkarioti) in glede na vrsto organizma (bakterije, živali ali rastline).

Geni

Geni so del informacij, kodiranih v molekulah DNK, ki so prisotne v vseh celicah na zemlji.

Ti ne samo da izpolnjujejo funkcije shranjevanja in prenašanja informacij, potrebnih za določitev zaporedja beljakovin, ampak opravljajo tudi pomembne regulativne in strukturne funkcije.

Aplikacije za celično biologijo

Za celično biologijo obstaja veliko aplikacij na področjih, kot so medicina, biotehnologija in okolje. Tukaj je nekaj aplikacij:

Fluorescentno obarvanje in situ in hibridizacija (FISH) kromosomov lahko zazna kromosomske translokacije v rakavih celicah.

Tehnologija mikroračunov "čipa" DNK omogoča, da nadzorujemo gensko ekspresijo kvasovk med njeno rastjo. Ta tehnologija je bila uporabljena za razumevanje izražanja človeških genov v različnih tkivih in rakavih celicah.

Protitelesa, označena s fluorescenco, specifična glede proteinov vmesnih filamentov, omogočajo poznavanje tkiva, iz katerega izvira tumor. Te informacije zdravniku pomagajo izbrati najustreznejše zdravljenje za boj proti tumorju.

Uporaba zelenega fluorescentnega proteina (GFP) za lokalizacijo celic v tkivu. S tehnologijo rekombinantne DNA se gen GFP vnese v posebne celice celotne živali.

Zadnji raziskovalni primeri celične biologije

Izbrana sta bila dva primera člankov, objavljenih v reviji Nature Cell Biology Review. To so:

Vloga epigenetskega dedovanja pri živalih (Pérez in Ben Lehner, 2019)

Odkrili so, da lahko druge molekule poleg zaporedja genoma prenašajo informacije med generacijami. Te podatke lahko spremenimo glede na fiziološke in okoljske pogoje prejšnjih generacij.

Tako v DNK obstajajo informacije, ki niso povezane z zaporedjem (kovalentne modifikacije histonov, metilacijo DNA, majhne RNK) in informacijami, neodvisnimi od genoma (mikrobiom).

Pri sesalcih podhranjenost ali dobra prehrana vpliva na presnovo glukoze pri potomcih. Očetovskih učinkov ne posredujejo vedno gamete, vendar lahko prek matere delujejo posredno.

Bakterije se lahko podedujejo po materi skozi porodni kanal ali preko dojenja. Pri miših prehrana z malo vlaknin povzroči zmanjšanje taksonomske raznolikosti mikrobioma skozi generacije. Sčasoma pride do izumrtja subpopulacij mikroorganizmov.

Regulacija kromatina in zdravljenje raka (Valencia in Kadoch, 2019)

Trenutno so znani mehanizmi, ki urejajo strukturo kromatina in njegovo vlogo pri bolezni. Pri tem procesu je bil ključen razvoj tehnik, ki omogočajo prepoznavanje izražanja onkogenih genov in odkrivanje terapevtskih ciljev.

Nekatere uporabljene tehnike so imunoprecipitacija s kromatinom, ki ji sledi sekvenciranje (ChIP-seq), sekvenciranje RNA (naslednja RNA), transpostopno testiranje kromatina s sekvenciranjem (ATAC-seq).

Uporaba tehnologije CRISPR - Cas9 in motenje RNA bosta v prihodnosti igrala pomembno vlogo pri razvoju terapij raka.

Reference

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Bistvena celična biologija. Garland Science.
2. Bolsaver, SR, Shephard, EA, White, HA, & Hyams, JS (2011). Celična biologija: kratek tečaj. John Wiley & Sons.
3. Cooper, GM in Hausman, RE (2004). Celica: Molekularni pristop. Medicinska naklada.
4. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, Matsudaira, P., Baltimore, D., & Darnell, J. (2000). Molekularna celična biologija, 4. izdaja. Nacionalni center za informacije o biotehnologiji, knjižna polica.
5. Solomon, EP, Berg, LR, & Martin, DW (2011). Biologija (9. izd.). Brooks / Cole, Cengage Learning: ZDA.