BIOLOGIA CELLULARE: STORIA, COSA STUDIA, APPLICAZIONI E CONCETTI - BIOLOGIA - 2025

La biologia cellulare è la branca della biologia che studia tutti gli aspetti della vita cellulare. Cioè con la struttura, la funzione, l'evoluzione e il comportamento delle cellule che compongono gli esseri viventi sulla terra; in altre parole, tutto ciò che è inerente alla sua nascita, vita e morte.

È una scienza che integra una grande quantità di conoscenze, tra cui spiccano biochimica, biofisica, biologia molecolare, scienze computazionali, biologia dello sviluppo e comportamentale e biologia evolutiva, ognuna delle quali con il proprio approccio e le proprie strategie di sperimentazione per rispondere a domande specifiche.

Sagoma di un microscopio (Fonte: Karen Arnold tramite Wikimedia Commons)

Poiché la teoria cellulare afferma che tutti gli esseri viventi sono composti da cellule, la biologia cellulare non distingue tra animali, piante, batteri, archeobatteri, alghe o funghi e può concentrarsi su singole cellule o su cellule appartenenti a tessuti e organi di lo stesso individuo multicellulare.

Quindi, trattandosi di una scienza sperimentale (più che descrittiva), la ricerca in questo ramo della biologia dipende dai metodi disponibili per lo studio dell'ultrastruttura cellulare e delle sue funzioni (microscopia, centrifugazione, coltura in vitro, ecc.)

Storia della biologia cellulare

Alcuni autori ritengono che la nascita della biologia cellulare sia avvenuta con l'avvento della teoria cellulare proposta da Schleiden e Schwann nel 1839.

Tuttavia, è importante considerare che le cellule furono descritte e studiate molti anni prima, a partire dai primi ritrovamenti di Robert Hooke che, nel 1665, vide per la prima volta le cellule che costituivano il tessuto morto di un foglio di sughero; e continuando con Antoni van Leeuwenhoek, che anni dopo osservò campioni con diversi microrganismi al microscopio.

Ritratto di Robert Hooke (Fonte: Gustav VH, tramite Wikimedia Commons)

Dopo il lavoro di Hooke, Leeuwenhoek Schleiden e Schwann, molti autori si dedicarono anche al compito di studiare le cellule, con le quali furono affinati i dettagli riguardanti la loro struttura interna e il funzionamento: il nucleo delle cellule eucariotiche, il DNA e cromosomi, mitocondri, reticolo endoplasmatico, complesso di Golgi, ecc.

A metà del XX secolo, il campo della biologia molecolare ha registrato notevoli progressi. Ciò ha influenzato il fatto che, negli anni '50, anche la biologia cellulare ha conosciuto una notevole crescita, poiché in quegli anni era possibile mantenere e moltiplicare le cellule in vitro, isolate dagli organismi viventi.

I progressi in microscopia, centrifugazione, formulazione di terreni di coltura, purificazione di proteine, identificazione e manipolazione di linee cellulari mutanti, sperimentazione con cromosomi e acidi nucleici, tra le altre cose, hanno stabilito un precedente per il rapido progresso della biologia cellulare verso il era attuale.

Cosa Studi? (oggetto di studio)

La biologia cellulare è responsabile dello studio delle cellule procariotiche ed eucariotiche; studia i processi della sua formazione, della sua vita e della sua morte. Di solito può concentrarsi sui meccanismi di segnalazione e sulla strutturazione delle membrane cellulari, nonché sull'organizzazione del citoscheletro e sulla polarità cellulare.

Studia anche la morfogenesi, cioè i meccanismi che descrivono come le cellule si sviluppano morfologicamente e come le cellule che "maturano" e si trasformano nel corso della loro vita cambiano nel tempo.

Cellule di lievito della specie Saccharomyces cerevisiae.

All'interno della biologia cellulare sono inclusi argomenti relativi alla mobilità e al metabolismo energetico, nonché alla dinamica e biogenesi dei loro organelli interni, nel caso delle cellule eucariotiche (nucleo, reticolo endoplasmatico, complesso del Golgi, mitocondri, cloroplasti, lisosomi, perossisomi, glicosomi, vacuoli, gliossisomi, ecc.).

Comprende anche lo studio dei genomi, della loro organizzazione e della funzione nucleare in generale.

Nella biologia cellulare vengono studiate la forma, le dimensioni e la funzione delle cellule che compongono tutti gli organismi viventi, così come i processi chimici che avvengono al loro interno e l'interazione tra i loro componenti citosolici (e la loro posizione subcellulare) e cellule con il loro ambiente.

Concetti essenziali in biologia cellulare

Illustrazione della divisione di una cellula. Fonte: pixabay.com

Entrare nel campo della biologia cellulare è un compito semplice se si prendono in considerazione alcune conoscenze di base o concetti essenziali, poiché con queste e con l'uso della ragione è possibile comprendere in profondità il complesso mondo delle cellule.

cellule

Schema dei due tipi di cellule in natura: eucarioti e procarioti. Sono mostrate le parti principali, che mostrano le differenze tra loro (Fonte: Nessun autore leggibile dalla macchina fornito. Mortadelo2005 ipotizzato (in base alle rivendicazioni di copyright). Via Wikimedia Commons)

Tra i concetti fondamentali da tenere in considerazione nel panorama c'è la concezione che le cellule siano le unità base della vita, cioè che siano i "blocchi" che permettono la costruzione di organismi che possiamo chiamare "viventi" e che tutti sono separati dall'ambiente extracellulare grazie alla presenza di una membrana.

Indipendentemente dalla loro dimensione, forma o funzione in un tessuto specifico, tutte le cellule svolgono le stesse funzioni di base che caratterizzano gli esseri viventi: crescono, si nutrono, interagiscono con l'ambiente e si riproducono.

DNA

Molecola di DNA. Fonte: wikipedia.org

Sebbene ci siano cellule eucariotiche e procariotiche, che sono fondamentalmente diverse rispetto alla loro organizzazione citosolica, qualunque cellula si abbia in mente, tutte, senza eccezioni, hanno al loro interno acido desossiribonucleico (DNA), una molecola che ospita " i piani strutturali, morfologici e funzionali ”di una cellula.

citosol

Schema di una cellula animale e delle sue parti. Il citosol è chiamato in basso. (Fonte: Alejandro Porto tramite Wikimedia Commons)

Le cellule eucariotiche hanno organelli specializzati nel loro citosol per diverse funzioni che contribuiscono ai loro processi vitali. Questi organelli svolgono la produzione di energia da materiale nutritivo, la sintesi, l'imballaggio e il trasporto di molte proteine ​​cellulari e anche l'importazione e la digestione di particelle di grandi dimensioni.

citoscheletro

Le cellule hanno un citoscheletro interno che mantiene la forma, dirige il movimento e il trasporto delle proteine ​​e degli organelli che le utilizzano, oltre ad assistere nel movimento o nello spostamento dell'intera cellula.

Organismi unicellulari e multicellulari

Esistono organismi unicellulari e multicellulari (il cui numero di cellule è molto variabile). Gli studi di biologia cellulare si concentrano solitamente su organismi "modello", che sono stati definiti in base al tipo di cellula (procarioti o eucarioti) e in base al tipo di organismo (batteri, animale o pianta).

I geni

I geni fanno parte delle informazioni codificate nelle molecole di DNA che sono presenti in tutte le cellule della terra.

Questi non solo svolgono funzioni di immagazzinamento e trasporto delle informazioni necessarie per determinare la sequenza di una proteina, ma esercitano anche importanti funzioni regolatorie e strutturali.

Applicazioni di biologia cellulare

Esiste un gran numero di applicazioni per la biologia cellulare in campi come la medicina, la biotecnologia e l'ambiente. Ecco alcune applicazioni:

La colorazione fluorescente in situ e l'ibridazione (FISH) dei cromosomi possono rilevare le traslocazioni cromosomiche nelle cellule tumorali.

La tecnologia dei microarrays di DNA "chip" permette di conoscere il controllo dell'espressione genica del lievito, durante la sua crescita. Questa tecnologia è stata utilizzata per comprendere l'espressione dei geni umani in diversi tessuti e cellule tumorali.

Gli anticorpi marcati con fluorescenza, specifici contro le proteine ​​dei filamenti intermedi, consentono di conoscere il tessuto da cui ha avuto origine un tumore. Queste informazioni aiutano il medico a scegliere il trattamento più appropriato per combattere il tumore.

Uso della proteina fluorescente verde (GFP) per localizzare le cellule all'interno di un tessuto. Utilizzando la tecnologia del DNA ricombinante, il gene GFP viene introdotto in cellule specifiche di un animale completo.

Esempi di ricerche recenti in biologia cellulare

Sono stati scelti due esempi di articoli pubblicati sulla rivista Nature Cell Biology Review. Questi sono i seguenti:

Ruolo dell'eredità epigenetica negli animali (Pérez e Ben Lehner, 2019)

È stato scoperto che altre molecole, oltre alla sequenza del genoma, possono trasferire informazioni tra generazioni. Queste informazioni possono essere modificate dalle condizioni fisiologiche e ambientali delle generazioni precedenti.

Quindi, ci sono informazioni nel DNA non associate alla sequenza (modifiche covalenti degli istoni, metilazione del DNA, piccoli RNA) e informazioni indipendenti dal genoma (microbioma).

Nei mammiferi, la malnutrizione o una buona alimentazione influiscono sul metabolismo del glucosio della prole. Gli effetti paterni non sono sempre mediati dai gameti, ma potrebbero agire indirettamente attraverso la madre.

I batteri possono essere ereditati dalla madre attraverso il canale del parto o attraverso l'allattamento al seno. Nei topi, una dieta povera di fibre produce una diminuzione della diversità tassonomica del microbioma nel corso delle generazioni. Alla fine, si verifica l'estinzione di sottopopolazioni di microrganismi.

Regolazione della cromatina e terapia del cancro (Valencia e Kadoch, 2019)

Attualmente sono noti i meccanismi che governano la struttura della cromatina e il suo ruolo nella malattia. In questo processo, è stato fondamentale lo sviluppo di tecniche che permettano di identificare l'espressione di geni oncogeni e la scoperta di bersagli terapeutici.

Alcune delle tecniche utilizzate sono l'immunoprecipitazione della cromatina seguita da sequenziamento (ChIP-seq), sequenziamento dell'RNA (RNA-seq), dosaggio traspoaccessibile della cromatina mediante sequenziamento (ATAC-seq).

In futuro, l'uso della tecnologia CRISPR - Cas9 e l'interferenza dell'RNA giocheranno un ruolo nello sviluppo delle terapie contro il cancro.

Riferimenti

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