Оптогенетика в вопросах и ответах

На нашем портале уже есть много разных видов материалов: статьи, новости, интервью, «10 фактов», биографии, «картинки дня». Предлагаем вам ещё один жанровый эксперимент: вопросы и ответы. И первый такой материал посвящён одному из самых современных методов нейронаук — оптогенетике.

88c70105dc8e987b1c8473aa0014e8c4

Бычий родопсин

 

Что такое оптогенетика?

Оптогенетика — это набор технологий, которые позволяют при помощи излучения возбуждать или затормаживать активность определённого нейрона при помощи белков-опсинов.

Что такое опсины?

Опсины — это мембранные белки-насосы: при воздействии света определённого спектра они перекачивают ионы с одной стороны мембраны на другую, что приводит к изменению её потенциала.

7dfee18ccdfa725e4f46f48c0eadbcc8

Под воздействием синего света белок ченнелродопсин-2  (ChR2) открывает доступ притоку Na+ в клетку, а связанный с опсином на внутриклеточной стороне флуоресцентный белок светится под воздействием зелёного света, позволяя визуализировать ChR2-экспрессирующие клетки.

 

Как обнаружили опсины?

Первый организм, в котором нашлись опсины в 70-х годах ХХ века — это архея Halobacterium salinarum, которая, в свою очередь, обитала на солёной рыбе, что определили ещё в 1922 годуОпсины в мембране этого микроорганизма придают характерный розовый цвет ракообразным обитателям солёных озер (а также перьям фламинго, поедающим их). Опсины (разных цветов) найдены и у бактерий, микроскопических грибов и растений. Экологи заинтересовались опсинами, потому что эти белки используются микроорганизмами для перемещения к свету и для генерации энергии.

 

Как и когда появилась оптогенетика?

Годом возникновения оптогенетики можно назвать 2005 год, когда небольшая группа учёных из Стэнфордского университета под руководством Карла Дейссерота (Karl Deisseroth) опубликовала исследование, в котором смогла простимулировать при помощи света определённые нейроны мозга, экспрессирующие опсины. Потом Дейссерот для того, чтобы было лучше наблюдать «загорающиеся» нейроны придумал метод делать прозрачным мозг лабораторного животного (CLARITY).

deisseroth-345x239

Портрет Карла Дейссерота с сайта его лаборатории

Прозрачный мозг мыши. Видео лаборатории Дейссерота

 

Что нужно для идеального оптогенетического эксперимента?

1.   Выбрать опсин, исходя из его биофизических свойств (например, чувствительности к свету конкретной волны); придумать, как внедрить ген с этим опсином в нужные нейроны;

2.   Проверить, будет ли опсин экспрессироваться в этих клетках (то есть появится ли в мембранах белок опсин, который будет перекачивать ионы при активации светом);

3.   Придумать, как доставить свет к этим самым нейронам (например, при помощи оптоволокна и лазера).

deisseroth-fig1a

Крыса со световодом для оптогенетики

 

Как работают опсины внутри нейронов?

Нейроны передают информацию через электрические импульсы через изменение потенциала мембраны. На этот потенциал, в свою очередь, влияет соотношение концентраций ионов внутри и снаружи клетки, поэтому для быстрого изменения потенциала в мембране нейронов есть множество белков-насосов, которые перекачивают ионы через мембрану. Опсины микроорганизмов, встроившись в клеточные стенки нейронов, тоже будут перекачивать ионы (тем самым изменяя потенциал мембраны), но только тогда, когда их активируют светом. По сути, исследователи получили настоящий и действенный переключатель активности нейронов.

 

Что можно узнать при помощи оптогенетики?

Оптогенетика активно развивается: за десять лет опубликовано более двух тысяч исследований, которые использовали оптогенетические технологии. Их адаптировали для многих модельных организмов: круглого червя Caenorhabditis elegans, фруктовой мухи дрозофилы, рыбы данио-рерио, мышей, крыс и макак. Это позволило узнать больше  о причинно-следственных связей многих болезней: начиная от болезни Паркинсона до депрессии, тревожных расстройств и аутизма.

 

Что дальше?

Оптогенетика — элегантный пример того, как работает современная наука, и как очень многое в ней взаимосвязано: казалось бы, какая может быть связь между микробиологами, изучающими жизнь в экстремальных условиях, и нейробиологами, озадаченными энигмами человеческого мозга?

Очевидно, что развитие технологий оптогенетики позволит адаптировать их и к человеку. Учитывая, что уже сейчас оптогенетические манипуляции на мышах и обезьянах позволяют менять настроение, память, изменять поведение,  возникает вопрос: где та граница, которую нельзя переступать? Неслучайно в 2015 году, через десять лет после появления термина оптогенетики, Турзан Канли ввёл понятие нейрогенЭтики, нового направление биоэтики, которая и будет заниматься этими вопросами.

Текст: Даша Овсянникова 

Tye K.M., Deisseroth, K. (2012). Optogenetic investigation of neural circuits underlying brain disease in animal models. Nature Reviews Neurosciences, Volume 13(4):251-66.

Canli, T. (2015). Neurogenethics: An emerging discipline at the intersection of ethics, neuroscience, and genomics. Applied & Translational Genomics,

Volume 5:18–22.

Boyden, E.S. (2011). A history of optogenetics: the development of tools for controlling brain circuits with light. F1000 Biology Reports  3:11.

 

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *