STANIČNA BIOLOGIJA: POVIJEST, ONO ŠTO PROUČAVA, PRIMJENE I POJMOVI - BIOLOGIJA - 2025

Stanična biologija je grana biologije koja proučava sve aspekte staničnog života. To jest, sa strukturom, funkcijom, evolucijom i ponašanjem stanica koje čine živa bića na zemlji; drugim riječima, sve što je svojstveno njegovom rođenju, životu i smrti.

To je znanost koja objedinjuje veliku količinu znanja, uključujući biokemiju, biofiziku, molekularnu biologiju, računske znanosti, razvojnu i bihevioralnu biologiju i evolucijsku biologiju, a svaka ima svoj pristup i vlastite strategije eksperimentiranja da odgovore na konkretna pitanja.

Silueta mikroskopa (Izvor: Karen Arnold putem Wikimedia Commonsa)

Budući da stanična teorija kaže da se sve živo biće sastoji od stanica, stanična biologija ne razlikuje životinje, biljke, bakterije, arheje, alge ili gljivice i može se usredotočiti na pojedine stanice ili na stanice koje pripadaju tkivima i organima isti višećelijski pojedinac.

Dakle, budući da je to eksperimentalna znanost (a ne deskriptivna), istraživanje u ovoj grani biologije ovisi o metodama dostupnim za proučavanje stanične ultrastrukture i njezinim funkcijama (mikroskopija, centrifuga, kultura in vitro itd.)

Povijest stanične biologije

Neki autori smatraju da se rođenje stanične biologije dogodilo pojavom teorije stanica koju su 1839. predložili Schleiden i Schwann.

Međutim, važno je uzeti u obzir da su stanice opisane i proučavane mnogo godina prije, počevši od prvih nalaza Roberta Hookea koji je 1665. godine prvi put vidio stanice koje čine mrtvo tkivo plutaste ploče; i nastavlja s Antonijem van Leeuwenhoekom, koji je godinama kasnije pod mikroskopom promatrao uzorke s različitim mikroorganizmima.

Portret Roberta Hookea (Izvor: Gustav VH, putem Wikimedia Commons)

Nakon djela Hookea, Leeuwenhoeka Schleidena i Schwanna mnogi su se autori posvetili i proučavanju stanica s kojima su pročišćeni detalji o njihovoj unutarnjoj strukturi i funkcioniranju: jezgra eukariotskih stanica, DNK i kromosomi, mitohondriji, endoplazmatski retikulum, Golgijev kompleks itd.

Sredinom 20. stoljeća područje molekularne biologije bilježi znatan napredak. To je utjecalo na to da je stanična biologija tijekom 1950-ih također imala značajan porast, jer je tijekom tih godina bilo moguće održavati i umnožavati stanice in vitro, izolirane od živih organizama.

Napredak u mikroskopiji, centrifugiranju, formulaciji medija kulture, pročišćavanju proteina, identifikaciji i manipulaciji mutiranim staničnim linijama, eksperimentiranju s kromosomima i nukleinskim kiselinama, između ostalog, postavljaju presedan za brzo napredovanje stanične biologije u aktualno doba.

Što studiraš? (predmet proučavanja)

Stanična biologija odgovorna je za proučavanje prokariotskih i eukariotskih stanica; proučava procese svog formiranja, njegov život i smrt. Obično se može usredotočiti na signalne mehanizme i strukturu staničnih membrana, kao i na organizaciju citoskeleta i staničnog polariteta.

Proučava i morfogenezu, odnosno mehanizme koji opisuju kako se stanice morfološki razvijaju i kako se stanice koje "sazrijevaju" i transformiraju tijekom svog života s vremenom se mijenjaju.

Stanice kvasca vrste Saccharomyces cerevisiae.

Stanična biologija uključuje teme vezane za pokretljivost i energetski metabolizam, kao i dinamiku i biogenezu njihovih unutarnjih organela, u slučaju eukariotskih stanica (jezgra, endoplazmatski retikulum, Golgijev kompleks, mitohondrije, kloroplasti, lizosomi, peroksisomi, glikozomi, vakuoli, glioksizomi itd.).

Također uključuje proučavanje genoma, njihovu organizaciju i nuklearnu funkciju općenito.

U staničnoj biologiji proučavaju se oblik, veličina i funkcija stanica koje čine sve žive organizme, kao i kemijski procesi koji se događaju unutar njih te interakcija njihovih citosolnih komponenata (i njihovog subcelijskog položaja) i stanice sa svojom okolinom.

Bitni pojmovi u staničnoj biologiji

Ilustracija podjele ćelije. Izvor: pixabay.com

Ulazak u polje stanične biologije jednostavan je zadatak kada se uzmu u obzir neka osnovna znanja ili osnovni pojmovi, jer je s njima i uz uporabu razuma moguće dubinski razumjeti složeni svijet stanica.

Stanice

Shema dviju vrsta stanica u prirodi: eukarioti i prokarioti. Prikazani su glavni dijelovi, pokazujući razlike između njih (Izvor: Nije dostupan autor za čitanje autora. Pretpostavljeno je Mortadelo2005 (na temelju tvrdnji o autorskim pravima). Wikimedia Commons)

Među temeljnim konceptima koje moramo uzeti u obzir u panorami je koncepcija da su stanice osnovne jedinice života, odnosno da su one "blokovi" koji omogućavaju izgradnju organizama koje možemo nazvati "živima" i da su svi odvojeni su od vanćelijske okoline zahvaljujući prisutnosti membrane.

Bez obzira na njihovu veličinu, oblik ili funkciju u određenom tkivu, sve stanice obavljaju iste osnovne funkcije koje karakteriziraju živa bića: rastu, hrane se, komuniciraju s okolinom i razmnožavaju se.

DNA

Molekul DNK. Izvor: wikipedia.org

Iako postoje eukariotske stanice i prokariotske stanice, koje su u osnovi različite s obzirom na njihovu citosolnu organizaciju, sve što ćelija imati na umu, sve, bez izuzetka, imaju deoksiribonukleinsku kiselinu (DNK) u sebi, molekulu koja živi " strukturne, morfološke i funkcionalne razine «stanice.

citosolu

Dijagram životinjske stanice i njenih dijelova. Citosol je nazvan na dnu. (Izvor: Alejandro Porto putem Wikimedia Commons)

Eukariotske stanice u svom citosolu imaju specijalizirane organele za različite funkcije koje doprinose njihovim vitalnim procesima. Ovi organeli obavljaju proizvodnju energije iz hranjivih materijala, sintezu, pakiranje i transport mnogih staničnih proteina, kao i uvoz i probavu velikih čestica.

citoskelet

Stanice imaju unutarnji citoskelet koji održava oblik, usmjerava kretanje i transport proteina i organela koje ih koriste, kao i pomaže u kretanju ili premještanju cijele stanice.

Jednoćelijski i višećelijski organizmi

Postoje jednoćelijski i višećelijski organizmi (čiji je broj stanica vrlo varijabilan). Studije biološke stanice obično se usredotočuju na "modelne" organizme, koji su definirani prema vrsti stanice (prokarioti ili eukarioti) i prema vrsti organizma (bakterije, životinje ili biljke).

Geni

Geni su dio informacija kodiranih u molekulama DNA koje su prisutne u svim stanicama na zemlji.

Oni ne samo da ispunjavaju funkcije u pohrani i prijevozu podataka potrebnih za određivanje slijeda proteina, već također imaju važne regulatorne i strukturne funkcije.

Primjene stanične biologije

Postoji veliki broj primjena za staničnu biologiju u područjima kao što su medicina, biotehnologija i okoliš. Evo nekoliko aplikacija:

Fluorescentno obojenje in situ i hibridizacija (FISH) kromosoma može otkriti kromosomske translokacije u stanicama raka.

Tehnologija mikrorasta DNA "čipa" omogućava poznavanje kontrole ekspresije gena kvasca tijekom njegovog rasta. Ova se tehnologija koristi za razumijevanje ekspresije ljudskih gena u različitim tkivima i stanicama raka.

Protutijela koja su obilježena fluorescencijom, specifična protiv proteina srednjeg vlakna, omogućuju spoznavanje tkiva iz kojeg potječe tumor. Ove informacije pomažu liječniku da odabere najprikladniji tretman za borbu protiv tumora.

Upotreba zelenog fluorescentnog proteina (GFP) za lokalizaciju stanica unutar tkiva. Koristeći rekombinantnu DNK tehnologiju, GFP gen se uvodi u specifične stanice kompletne životinje.

Najnoviji istraživački primjeri u staničnoj biologiji

Izabrana su dva primjera članaka objavljenih u časopisu Nature Cell Biology Review. To su sljedeće:

Uloga epigenetskog nasljeđivanja u životinjama (Pérez i Ben Lehner, 2019)

Otkriveno je da i druge molekule, osim sekvence genoma, mogu prenositi informacije između generacija. Ove se informacije mogu mijenjati fiziološkim i okolišnim uvjetima prethodnih generacija.

Dakle, u DNK postoje informacije koje nisu povezane s sekvencom (kovalentne modifikacije histona, metilacijom DNA, male RNA) i informacijama neovisnim o genomu (mikrobiom).

U sisavaca pothranjenost ili dobra prehrana utječu na metabolizam glukoze u potomstvu. Očinski učinci nisu uvijek posredovani gametama, ali oni mogu djelovati neizravno preko majke.

Bakterije se mogu naslijediti preko majke kroz porođajni kanal, ili kroz dojenje. Kod miševa, prehrana s malo vlakana stvara pad taksonomske raznolikosti mikrobioma tijekom generacija. Na kraju dolazi do izumiranja subpopulacija mikroorganizama.

Regulacija kromatina i terapija raka (Valencia i Kadoch, 2019)

Trenutno su poznati mehanizmi koji upravljaju strukturom kromatina i njegovom ulogom u bolesti. U ovom je procesu ključan razvoj tehnika koje omogućuju prepoznavanje ekspresije onkogenih gena i otkrivanje terapijskih ciljeva.

Neke od korištenih tehnika su imunoprecipitacija kromatina nakon čega slijedi sekvencioniranje (ChIP-seq), RNA sekvenciranje (RNA-seq), transpostupan test kromatina koristeći sekvenciranje (ATAC-seq).

U budućnosti će upotreba CRISPR - Cas9 tehnologije i RNA smetnje igrati ulogu u razvoju terapije raka.

Reference

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… i Walter, P. (2013). Bitna stanična biologija. Garland Science.
2. Bolsaver, SR, Shephard, EA, White, HA, & Hyams, JS (2011). Stanična biologija: kratki tečaj. John Wiley & Sinovi.
3. Cooper, GM i Hausman, RE (2004). Stanica: Molekularni pristup. Medicinska naklada.
4. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, Matsudaira, P., Baltimore, D., i Darnell, J. (2000). Molekularna biologija, četvrto izdanje. Nacionalni centar za biotehnološke informacije, polica s knjigama.
5. Solomon, EP, Berg, LR, & Martin, DW (2011). Biologija (9. izd.). Brooks / Cole, Cengage Learning: SAD.