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Ultraestructura

La ultraestructura de una sola célula bacteriana ( Bacillus subtilis ). La barra de escala es de 200 nm .

La ultraestructura (o ultraestructura ) es la arquitectura de células y biomateriales que es visible con mayores aumentos que los que se encuentran en un microscopio óptico de luz estándar . Tradicionalmente, esto significaba la resolución y el rango de aumento de un microscopio electrónico de transmisión (TEM) convencional al observar muestras biológicas como células , tejidos u órganos . La ultraestructura también se puede ver con microscopía electrónica de barrido y microscopía de superresolución , aunque TEM es una técnica histológica estándar para ver la ultraestructura. Estructuras celulares como los orgánulos , que permiten que la célula funcione correctamente dentro de su entorno específico, pueden examinarse a nivel ultraestructural.

La ultraestructura, junto con la filogenia molecular , es una forma filogenética confiable de clasificar organismos. [1] Las características de la ultraestructura se utilizan industrialmente para controlar las propiedades de los materiales y promover la biocompatibilidad.

Historia

En 1931, los ingenieros alemanes Max Knoll y Ernst Ruska inventaron el primer microscopio electrónico. [2] Con el desarrollo y la invención de este microscopio, la gama de estructuras observables que podían explorarse y analizarse aumentó enormemente, a medida que los biólogos se interesaron progresivamente en la organización submicroscópica de las células. Esta nueva área de investigación se centró en la subestructura, también conocida como ultraestructura. [3]

Aplicaciones

Muchos científicos utilizan observaciones ultraestructurales para estudiar lo siguiente, incluidos, entre otros:

Biología

Una característica ultraestructural común que se encuentra en las células vegetales es la formación de cristales de oxalato de calcio . [9] Se ha teorizado que estos cristales funcionan para almacenar calcio dentro de la célula hasta que sea necesario para el crecimiento o desarrollo. [10]

También se pueden formar cristales de oxalato de calcio en animales , y los cálculos renales son una forma de estas características ultraestructurales. En teoría, las nanobacterias podrían usarse para disminuir la formación de cálculos renales de oxalato de calcio. [11]

Ingeniería

El control de la ultraestructura tiene usos en ingeniería para controlar el comportamiento de las células. Las células responden fácilmente a los cambios en su matriz extracelular (ECM), por lo que la fabricación de materiales para imitar la ECM permite un mayor control sobre el ciclo celular y la expresión de proteínas . [12]

Muchas células, como las plantas, producen cristales de oxalato de calcio , y estos cristales generalmente se consideran componentes ultraestructurales de las células vegetales. El oxalato de calcio es un material que se utiliza para fabricar esmaltes cerámicos [6], y también tiene propiedades biomateriales . Para el cultivo de células y la ingeniería de tejidos , este cristal se encuentra en el suero fetal bovino y es un aspecto importante de la matriz extracelular para el cultivo de células. [13]  

La ultraestructura es un factor importante a considerar al diseñar implantes dentales . Dado que estos dispositivos interactúan directamente con el hueso, su incorporación al tejido circundante es necesaria para el funcionamiento óptimo del dispositivo. Se ha descubierto que aplicar una carga a un implante dental en curación permite una mayor osteointegración con los huesos faciales . [14] Analizar la ultraestructura que rodea un implante es útil para determinar qué tan biocompatible es y cómo reacciona el cuerpo ante él. Un estudio encontró que la implantación de gránulos de un biomaterial derivado del hueso de cerdo hizo que el cuerpo humano incorporara el material a su ultraestructura y formara hueso nuevo. [15]

La hidroxiapatita es un biomaterial que se utiliza para interconectar dispositivos médicos directamente con el hueso mediante ultraestructura. Se pueden crear injertos junto con 𝛃-fosfato tricálcico , y se ha observado que el tejido óseo circundante incorpora el nuevo material a su matriz extracelular. [16] La hidroxiapatita es un material altamente biocompatible y sus características ultraestructurales, como la orientación cristalina, pueden controlarse cuidadosamente para garantizar una biocompatibilidad óptima. [17] La ​​orientación adecuada de las fibras cristalinas puede hacer que los minerales introducidos, como la hidroxiapatita, sean más similares a los materiales biológicos que pretenden reemplazar. El control de las características ultraestructurales hace posible la obtención de propiedades materiales específicas.

Referencias

  1. ^ Laura Wegener Parfrey ; Érika Barbero; Elyse Lasser; Miqueas Dunthorn; Debashish Bhattacharya; David J. Patterson ; Laura A Katz (diciembre de 2006). "Evaluación del apoyo a la clasificación actual de la diversidad eucariota". PLOS Genética . 2 (12): e220. doi : 10.1371/JOURNAL.PGEN.0020220 . ISSN  1553-7390. PMC  1713255 . PMID  17194223. Wikidata  Q21090155.
  2. ^ Maestros, Barry R (marzo de 2009). «Historia del microscopio electrónico en biología celular» (PDF) . Enciclopedia de Ciencias de la Vida (ELS) . Chichester: John Wiley & Sons, Ltd. doi :10.1002/9780470015902.a0021539. ISBN 9780470016176.
  3. ^ Brieger, EM (1963). "Ultraestructura de la célula". Estructura y Ultraestructura de Microorganismos . Elsevier. pag. 1–7. doi :10.1016/b978-0-12-134350-7.50005-8. ISBN 978-0-12-134350-7.
  4. ^ Eyden, B.; Banerjee, SS; Ru, Y.; Liberski, P. (2014). La ultraestructura de los tumores humanos: aplicaciones en diagnóstico e investigación . Springer Berlín Heidelberg. ISBN 978-3-642-39168-2.
  5. ^ Musser, Robert L.; Thomas, Shirley A.; Sabio, Robert R.; Pelador, Thomas C.; Naylor, Aubrey W. (1 de abril de 1984). "Ultraestructura del cloroplasto, fluorescencia de clorofila y composición de pigmentos en soja estresada por frío". Fisiología de las plantas . 74 (4): 749–754. doi : 10.1104/pp.74.4.749. ISSN  0032-0889. PMC 1066762 . PMID  16663504. 
  6. ^ Moreira, Carolina A.; Dempster, David W.; Barón, Roland (2000). "Anatomía y ultraestructura del hueso: histogénesis, crecimiento y remodelación". Endotexto . South Dartmouth (MA): MDText.com, Inc. PMID  25905372.
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  10. ^ Tilton, realidad virtual; Horner, HT (1980). "Cristales de rafuro de oxalato de calcio e idioblastos cristalíferos en los carpelos de Ornithogalum caudatum". Anales de botánica . 46 (5): 533–539. doi : 10.1093/oxfordjournals.aob.a085951. ISSN  1095-8290.
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  12. ^ Khademhosseini, Ali (2008). Micro y nanoingeniería del microambiente celular: tecnologías y aplicaciones. Boston: Casa Artech. ISBN 978-1-59693-149-7.
  13. ^ Pedraza, Claudio E.; Chien, Yung-Ching; McKee, Marc D. (2008). "Cristales de oxalato de calcio en suero fetal bovino: implicaciones para estudios de cultivo celular, fagocitosis y biomineralización in vitro". Revista de bioquímica celular . 103 (5): 1379-1393. doi :10.1002/jcb.21515. ISSN  0730-2312. PMID  17879965. S2CID  43217705.
  14. ^ Meyer, U.; Joos, U.; Mythili, J.; Stamm, T.; Hohoff, A.; Potras, T.; Stratmann, U.; Wiesmann, HP (2004). "Caracterización ultraestructural de la interfaz implante/hueso de implantes dentales de carga inmediata". Biomateriales . 25 (10): 1959-1967. doi :10.1016/j.biomaterials.2003.08.070. PMID  14738860.
  15. ^ Orsini, Giovanna; Scarano, Antonio; Piattelli, Mauricio; Piccirilli, Marcello; Caputi, Sergio; Piattelli, Adriano (2006). "Análisis histológico y ultraestructural del hueso regenerado en el aumento del seno maxilar utilizando un biomaterial derivado del hueso porcino". Revista de Periodoncia . 77 (12): 1984-1990. doi :10.1902/jop.2006.060181. ISSN  0022-3492. PMID  17209782.
  16. ^ Fujita, Rumi; Yokoyama, Atsuro; Nodasaka, Yoshinobu; Kohgo, Takao; Kawasaki, Takao (2003). "Ultraestructura de la interfaz cerámica-hueso utilizando cerámicas de hidroxiapatita y β-fosfato tricálcico y mecanismo de sustitución de β-fosfato tricálcico en el hueso". Tejido y Célula . 35 (6): 427–440. doi :10.1016/S0040-8166(03)00067-3. PMID  14580356.
  17. ^ Zhuang, Zhi; Miki, Takuya; Yumoto, Midori; Konishi, Toshiisa; Aizawa, Mamoru (2012). "Observación ultraestructural de cerámicas de hidroxiapatita con orientación preferida a un plano mediante microscopía electrónica de transmisión de alta resolución". Ingeniería de Procedia . 36 : 121-127. doi : 10.1016/j.proeng.2012.03.019 .

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