BIOLOGIA CEL·LULAR: HISTÒRIA, QUÈ ESTUDIA, APLICACIONS I CONCEPTES - BIOLOGIA - 2025

La biologia cel·lular és la branca de la biologia que estudia tots els aspectes relacionats amb la vida cel·lular. És a dir, amb l'estructura, funció, evolució i comportament de les cèl·lules que conformen els éssers vius sobre la terra; en altres paraules, tot el inherent al seu naixement, la seva vida i la seva mort.

És una ciència que integra gran quantitat de coneixements, entre els quals destaquen la bioquímica, la biofísica, la biologia molecular, les ciències computacionals, la biologia de el desenvolupament i de l'comportament i la biologia evolutiva, cadascun dels quals amb el seu propi enfocament i les seves pròpies estratègies d'experimentació per respondre preguntes específiques.

Silueta d'un microscopi (Font: Karen Arnold via Wikimedia Commons)

Ja que la teoria cel·lular afirma que tots els éssers vius estan compostos per cèl·lules, la biologia cel·lular no fa distinció entre animals, plantes, bacteris, arqueobacteris, algues o fongs i pot enfocar-se en cèl·lules individuals o en les cèl·lules pertanyents a teixits i òrgans de un mateix individu multicel·lular.

Així doncs, ja que es tracta d'una ciència experimental (més que descriptiva), la investigació en aquesta branca de la biologia depèn dels mètodes disponibles per a l'estudi de la ultraestructura cel·lular i de les seves funcions (la microscòpia, la centrifugació, el cultiu in vitro, etc.)

Història de la biologia cel·lular

Alguns autors consideren que el naixement de la biologia cel·lular va tenir lloc amb l'adveniment de la teoria cel·lular proposada per Schleiden i Schwann en 1839.

No obstant això, és important considerar que les cèl·lules van ser descrites i estudiades molts anys abans, començant amb les primeres troballes de Robert Hooke qui, en 1665, va veure per primera vegada les cel·les que constituïen el teixit mort d'una làmina de suro; i continuant amb Antoni van Leeuwenhoek, que anys més tard va observar a l'microscopi mostres amb diferents microorganismes.

Retrat de Robert Hooke (Font: Gustav VH, via Wikimedia Commons)

Després els treballs de Hooke, Leeuwenhoek Schleiden i Schwann, molts autors també es van dedicar a la tasca de l'estudi de les cèl·lules, de manera que van ser afinant detalls respecte a la seva estructura i funcionament interns: es va descriure el nucli de les cèl·lules eucariotes, l'ADN i els cromosomes, els mitocondris, el reticle endoplàsmic, el complex de Golgi, etc.

A mitjan el segle XX, el camp de la biologia molecular va veure considerables progressos. Això va influir en que, durant la dècada de 1950, la biologia cel·lular també experimentés un creixement considerable, ja que per aquests anys va ser possible mantenir i multiplicar cèl·lules in vitro, aïllades dels organismes vius.

Els avenços en matèria de microscòpia, centrifugació, formulació de mitjans de cultiu, purificació de proteïnes, identificació i manipulació de línies cel·lulars mutants, experimentació amb cromosomes i àcids nucleics, entre altres coses, van asseure precedent per al ràpid avanç de la biologia cel·lular fins a la època actual.

Què s'estudia? (Objecte d'estudi)

La biologia cel·lular s'encarrega de l'estudi de les cèl·lules procariotes i eucariotes; estudia els processos de la seva formació, de la seva vida i de la seva mort. Usualment pot enfocar-se en els mecanismes de senyalització i en l'estructuració de les membranes cel·lulars, així com en l'organització de l'citoesquelet i la polaritat cel·lular.

Estudia també la morfogènesi, és a dir, els mecanismes que descriuen com es desenvolupen les cèl·lules morfològicament i com canvien en el temps aquelles que "maduren" i es transformen al llarg de la seva vida.

Cèl·lules de llevat de l'espècie Saccharomyces cerevisiae.

Dins de la biologia cel·lular s'inclouen tòpics relacionats amb la mobilitat i el metabolisme energètic, així com amb la dinàmica i biogènesi dels seus orgànuls interns, en el cas de les cèl·lules eucariotes (nucli, reticle endoplàsmic, complex de Golgi, mitocondris, cloroplasts, lisosomes, peroxisomes, glicosomas, vacúols, glioxisomes, etc.).

També implica l'estudi dels genomes, de la seva organització i de la funció nuclear en general.

En la biologia cel·lular s'estudia la forma, la mida i la funció de les cèl·lules que componen a tots els organismes vius, així com els processos químics que ocorren en el seu interior i la interacció entre els seus components citosólicos (i la seva localització subcel·lular) i de les cèl·lules amb el seu entorn.

Conceptes essencials en biologia cel·lular

Il·lustració de la divisió d'una cèl·lula. Font: pixabay.com

Endinsar-se en el camp de la biologia cel·lular és una tasca senzilla quan es tenen en compte alguns coneixements bàsics o conceptes essencials, ja que amb aquests i amb l'ús de la raó és possible comprendre a profunditat el complex món de les cèl·lules.

cèl·lules

Esquema dels dos tipus de cèl·lules en la naturalesa: les eucariotes i les procariotes. Es mostren les parts principals, evidenciant les diferències entre elles (Font: No machine-readable Autor provided. Mortadelo2005 assumed (based on copyright claims). Via Wikimedia Commons)

Entre els conceptes fonamentals que s'han de tenir en el panorama està la concepció que les cèl·lules són les unitats bàsiques de la vida, és a dir, que són els "blocs" que permeten la construcció dels organismes que podem anomenar "vius" i que totes estan separades de l'medi extracel·lular gràcies a la presència d'una membrana.

Independentment de la seva mida, de la seva forma o de la seva funció en un teixit específic, totes les cèl·lules duen a terme les mateixes funcions bàsiques que caracteritzen els éssers vius: creixen, s'alimenten, interactuen amb el medi ambient i es reprodueixen.

ADN

Molècula d'ADN. Font: wikipedia.org

Si bé existeixen cèl·lules eucariotes i cèl·lules procariotes, que són fonamentalment diferents respecte a la seva organització citosòlica, sigui quina sigui la cèl·lula que es tingui en ment, totes, sense excepció, posseeixen en el seu interior àcid desoxiribonucleic (ADN), una molècula que alberga " els plànols estructurals, morfològics i funcionals "d'una cèl·lula.

citosol

Diagrama d'una cèl·lula animal i les seves parts. El citosol es nomena a la part inferior. (Font: Alejandro Porto via Wikimedia Commons)

Les cèl·lules eucariotes posseeixen en el seu citosol orgànuls especialitzats en diferents funcions que contribueixen en els processos vitals d'aquestes. Aquests orgànuls duen a terme la producció d'energia a partir de l'material nutritiu, la síntesi, empaquetament i transport de moltes proteïnes cel·lulars i també la importació i digestió de grans partícules.

citoesquelet

Les cèl·lules posseeixen un citoesquelet intern que manté la forma, dirigeix ​​el moviment i transport de proteïnes i dels orgànuls que les utilitzen, a més de col·laborar en el moviment o desplaçament de la cèl·lula completa.

Organismes unicel·lulars i multicel·lulars

Hi organismes unicel·lulars i multicel·lulars (el nombre de cèl·lules és summament variable). Els estudis de biologia cel·lular usualment s'enfoquen en organismes "model", els quals han estat definits d'acord amb el tipus de cèl·lula (procariotes o eucariotes) i d'acord amb el tipus d'organisme (bacteri, animal o planta).

els gens

Els gens són part de la informació codificada en les molècules d'ADN que estan presents en totes les cèl·lules de la terra.

Aquests no només compleixen funcions en l'emmagatzematge i transport de la informació necessària per a determinar la seqüència d'una proteïna, sinó que també exerceixen importants funcions reguladores i estructurals.

Aplicacions de la biologia cel·lular

Hi ha una gran quantitat d'aplicacions de la biologia cel·lular en camps com la medicina, la biotecnologia i el medi ambient. A continuació es presenten algunes aplicacions:

La coloració i hibridació fluorescent in situ (FISH) dels cromosomes permet detectar translocacions cromosòmiques en cèl·lules canceroses.

La tecnologia de les microdisposiciones de "xip" de DNA permet conèixer el control de l'expressió gènica del llevat, durant el seu creixement. Aquesta tecnologia s'ha utilitzat per conèixer l'expressió de gens humans en diferents teixits i cèl·lules canceroses

Els anticossos marcats amb fluorescència, específics contra proteïnes de filaments intermedis, permeten conèixer el teixit a partir de el qual es va originar un tumor. Aquesta informació ajuda a el metge a escollir el tractament més apropiat per combatre el tumor.

Ús de la proteïna fluorescent verda (GFP) per localitzar cèl·lules dins d'un teixit. Mitjançant tecnologia de DNA recombinant el gen GFP és introduït en cèl·lules específiques d'un animal complet.

Exemples d'investigacions recents en biologia cel·lular

Es van escollir dos exemples d'articles publicats a la revista Nature Cell Biology Review. Aquests són els següents:

Paper de l'herència epigenètica en els animals (Pérez i Ben Lehner, 2019)

S'ha descobert que altres molècules, a més de la seqüència de l'genoma, poden transferir informació entre generacions. Aquesta informació pot ser modificada per les condicions fisiològiques i mediambientals de les generacions prèvies.

D'aquesta manera, hi ha informació en el DNA no associada a la seqüència (modificacions covalents de les histones, metilació de l'ADN, RNA petits) i informació independent de l'genoma (microbioma).

En mamífers, la desnutrició o la bona alimentació afecta el metabolisme de la glucosa de la descendència. Els efectes paterns no sempre són intervinguts pels gàmetes, però podrien actuar per via materna indirectament.

Els bacteris poden ser heretades per via materna a través del canal de naixement, o la lactància. En els ratolins, una dieta pobra en fibra produeix una disminució de la diversitat taxonòmica de l'microbioma al llarg de les generacions. Eventualment, ocorre l'extinció de subpoblacions de microorganismes.

Regulació de la cromatina i teràpia contra el càncer (València i Kadoch, 2019)

Actualment es coneixen els mecanismes que governen l'estructura de la cromatina, i el seu paper en les malalties. En aquest procés, el desenvolupament de tècniques que permeten identificar l'expressió de gens oncogènics i el descobriment de blancs terapèutics ha estat clau.

Algunes de les tècniques emprades són immunoprecipitació de la cromatina seguida de l'seqüenciament (ChIP-seq), seqüenciament de l'RNA (RNA-seq), assaig transpoaccesible de la cromatina usant seqüenciament (ATAC-seq).

En el futur, l'ús de la tecnologia CRISPR-CAS9 i de l'RNA d'interferència tindran un paper en el desenvolupament de teràpies contra el càncer.

referències

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Essential Cell Biology. Garland Science.
2. Bolsover, SR, Shephard, EA, White, HA, & Hyams, JS (2011). Cell Biology: a short course. John Wiley & Sons.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2004). The cell: Molecular approach. Medicinska naklada.
4. Lodish et, H., Berk, A., Zipursky, SL, Matsudaira, P., Baltimore, D., & Darnell, J. (2000). Molecular cell biology 4th edition. National Center for Biotechnology Information, Bookshelf.
5. Solomon, EP, Berg, LR, & Martin, DW (2011). Biology (9th ed.). Brooks / Cole, Cengage Learning: USA.