La definizione di ricerca in vitro e in vivo dipende dal modello sperimentale utilizzato. La ricerca in vitro è generalmente indicata come la manipolazione di organi, tessuti, cellule e biomolecole in un ambiente artificiale controllato. La caratterizzazione e l’analisi di biomolecole e sistemi biologici nel contesto di organismi intatti è nota come ricerca in vivo.,
L’unità di base degli organismi viventi è la cellula, che in termini di scala e dimensione si trova all’interfaccia tra il livello molecolare e quello microscopico. La cellula vivente è a sua volta divisa in domini funzionali e strutturali come il nucleo, il citoplasma e la via secretoria, che sono composti da una vasta gamma di biomolecole. Queste molecole della vita svolgono le reazioni chimiche che consentono a una cellula di interagire con il suo ambiente, utilizzare e immagazzinare energia, riprodursi e crescere., La struttura di ogni biomolecola e la sua localizzazione subcellulare determinano in quali reazioni chimiche è in grado di partecipare e quindi quale ruolo svolge nel processo di vita della cellula. Qualsiasi manipolazione che scompone questa unità di vita, cioè la cellula nei suoi componenti non viventi è considerata un approccio in vitro. Pertanto, in vitro, che letteralmente significa “in vetro”, si riferisce alla manipolazione sperimentale condotta utilizzando estratti senza cellule e biomolecole purificate o parzialmente purificate in provette., La maggior parte degli approcci e delle tecniche biologiche biochimiche e molecolari sono considerati ricerche di manipolazione genetica. La clonazione molecolare di un gene con l’obiettivo di esprimere il suo prodotto proteico include alcune fasi che sono considerate esperimenti in vitro come l’amplificazione PCR del gene e la legatura di quel gene al vettore di espressione. L’espressione di quel gene in una cellula ospite è considerata una procedura in vivo. Ciò che caratterizza un esperimento in vitro è in linea di principio il fatto che le condizioni sono artificiali e sono ricostruzioni di ciò che potrebbe accadere in vivo., Molti test in vitro sono ricostituzione approssimativa dei processi biologici miscelando i componenti e i reagenti necessari in condizioni controllate. Esempi di processi biologici che possono essere ricostituiti in vitro sono reazioni enzimatiche, folding e refolding di proteine e DNA, e la replicazione del DNA nella reazione PCR.
Microbiologi e genetista del lievito che lavorano con singole cellule o popolazioni cellulari stanno conducendo ricerche in vivo mentre un immunologo che lavora con linfociti purificati in coltura tissutale di solito considera i suoi esperimenti come un approccio in vitro., L’approccio in vivo prevede esperimenti eseguiti nel contesto del grande sistema del corpo di un animale sperimentale. Nel caso della fecondazione in vitro (IVF), i medici e i biologi riproduttivi stanno manipolando i sistemi viventi e molti dei processi biologici coinvolti avvengono all’interno dell’uovo vivente e dello sperma. Questa procedura è considerata un processo in vitro per distinguerla dalla fecondazione naturale dell’uovo nel corpo intatto della femmina.,
La ricerca sperimentale in vivo si è diffusa con l’uso di microrganismi e modelli animali in esperimenti di manipolazione genetica, nonché l’uso di modelli animali per studiare la tossicità dei farmaci in farmacologia. I genetisti hanno usato procarioti, eucarioti unicellulari come il lievito e organismi interi come Drosophila, rane e topi per studiare la genetica, la biologia molecolare e la tossicologia. La funzione dei geni è stata studiata osservando gli effetti di mutazioni spontanee in organismi interi o introducendo mutazioni mirate in cellule coltivate., L’introduzione della clonazione genica e della mutagenesi in vitro ha permesso di produrre mutazioni specifiche in animali interi facilitando notevolmente la ricerca in vivo. I topi con copie extra o copie alterate di un gene nel loro genoma possono essere generati dalla transgenesi, che ora è una tecnica ben consolidata. In molti casi, la funzione di un particolare gene può essere pienamente compresa solo se si può ottenere un animale mutante che non esprime il gene., Questo è ora ottenuto dalla tecnologia gene knock-out, che comporta prima isolare un gene di interesse e quindi sostituirlo in vivo con una copia difettosa.
Sia gli approcci in vitro che in vivo sono solitamente combinati per ottenere informazioni dettagliate sulle relazioni struttura-funzione nei geni e nei loro prodotti proteici, sia nelle cellule coltivate e nelle provette o nell’intero organismo.