מהו שבירת הקפאה ומדוע זה שימושי בביולוגיה של תאים?

ממברנות התאים מורכבות מפוספוליפידים וחלבונים צמודים או מוטבעים. חלבוני ממברנה ממלאים תפקידים חיוניים בחילוף החומרים ובחיי התא. אינך יכול להשתמש במיקרוסקופ רגיל כדי לדמיין או לאפיין חלבוני הידבקות, הובלת חלבונים ותעלות חלבון בקרום התא. באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים וטכניקה הנקראת "שבר הקפאה", המפצל קרומי תאים קפואים זה מזה, מאפשר הדמיה של מבנה הממברנה וארגון החלבונים בתוך ים פוספוליפידים. שילוב שיטות אחרות עם שבר בהקפאה לא רק עוזר לנו להבין את המבנה של קרומי התא השונים ו חלבוני הממברנה, אך מאפשר הדמיה וניתוח מפורט של תפקודם של חלבונים, חיידקים ספציפיים וירוסים.

באמצעות חנקן נוזלי, דגימות רקמות ביולוגיות או תאים מוקפאים במהירות כדי לשתק את מרכיבי התאים. ממברנות התאים מורכבות משתי שכבות של פוספוליפידים, הנקראות דו שכבתי, כאשר הזנבות השומנים ההידרופוביים, או שונאי המים, מצביעים על החלק הפנימי של הממברנה והקצוות ההידרופיליים, או חובבי המים, של מולקולת השומנים מצביעים כלפי חוץ וכיוון החלק הפנימי של תָא. הדגימה הקפואה נסדקת או נשברת בעזרת מיקרוטום, שהוא מכשיר דמוי סכין לחיתוך פרוסות רקמה דקות. זה גורם לקרום התא להתפצל בדיוק בין שתי השכבות מכיוון שהמשיכה בין זנבות השומנים ההידרופוביים מייצגת את הנקודה החלשה ביותר. בעקבות השבירה, המדגם עובר הליך ואקום המכונה "תחריט הקפאה". פני השבר המדגם מוצל באדי פחמן ופלטינה כדי ליצור העתק יציב, העוקב אחר קווי המתאר של השבר מָטוֹס. חומצה משמשת לעיכול חומר אורגני הנצמד להעתק, ומשאיר מעטפת פלטינה דקה של פני הקרום השבורים. קליפה זו מנותחת על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים.

תחריט הקפאה הוא ייבוש ואקום של דגימה ביולוגית לא קבועה, קפואה ושבורה בהקפאה. הליך ייבוש הוואקום דומה לייבוש פירות וירקות בהקפאה שנארזים ונמכרים בחנויות מכולת. ללא תחריט הקפאה פרטים רבים על מבנה הסלולר מוסתרים על ידי גבישי קרח. שלב תחריט העמקה או הקפאה משפר ומרחיב את שיטת שבר ההקפאה המקורית, ומאפשר תצפית על קרומי התא במהלך פעילויות שונות. זה מאפשר ניתוח לא רק של מבנה הממברנה, אלא גם של רכיבים תוך תאיים ומספק מידע מבני מפורט על חיידקים, נגיפים וחלבון תא גדול מתחמים.

מיקרוסקופ אלקטרונים יכול לחשוף ולהגדיל יותר ממיליון פעמים את האורגניזמים או המבנים הזעירים ביותר, כמו חיידקים, נגיפים, רכיבים תאיים ואפילו חלבונים. הדמיה נוצרת על ידי הפצצת דגימה דקה במיוחד עם קרן אלקטרונים. שתי שיטות המיקרוסקופ אלקטרונים הן סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים, או SEM, ומיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת, או TEM. דגימות שבר להקפיא מנותחות באופן שגרתי עם TEM. ל- TEM יש רזולוציה טובה יותר מ- SEM ומציע מידע מבני עד 3 ננומטר של העתקים.

הפיתוח והשימוש במיקרוסקופ אלקטרונים של שבר הקפאה הראו כי קרומי פלזמה של תאים מורכבים משכבות דו שומניות והבהירו כיצד חלבונים מאורגנים בתוך קרומי התא. שבר הקפאה מעניק מבט ייחודי על פנים קרומי התאים, מכיוון שהוא מתפצל ומפריד בין פוספוליפידים של הממברנה לשני יריעות או פרצופים מנוגדים ומשלימים. במשך יותר מ -50 שנה מאז שהוצגה מכונת שבר ההקפאה הראשונה, יצירת העתק פלטינה היא עדיין הדרך היחידה להשיג מידע מבני על קרום התא. הטכניקה מראה אם ​​חלבונים ספציפיים צפים או מעוגנים בקרום התא, וכיצד וכמה חלבונים מצטברים. שיטה חדשה יותר - באמצעות נוגדנים הממוקדים לחלבונים ספציפיים - משולבת עם שבר הקפאה כדי לזהות חלבונים ותפקודם בקרום התא.