Оптогенетика у питаннях та відповідях
На нашому порталі вже багато різних видів матеріалів: статті, новини, інтерв'ю, «10 фактів», біографії, «картинки дня». Пропонуємо вам ще один жанровий експеримент: запитання та відповіді. І перший такий матеріал присвячений одному із найсучасніших методів нейронаук — оптогенетиці.
Що таке оптогенетика?
Оптогенетика - це набір технологій, які дозволяють за допомогою випромінювання збуджувати або загальмовувати активність певного нейрона за допомогою білків-опсинів.
Що таке опсини?
Опсини - це мембранні білки-насоси: при дії світла певного спектру вони перекачують іони з одного боку мембрани на іншу, що призводить до зміни її потенціалу.
Під впливом синього світла білок ченнелродопсин-2 (ChR2) відкриває доступ притоку Na+ в клітину, а пов'язаний з опсином на внутрішньоклітинному боці флуоресцентний білок світиться під впливом зеленого світла, що дозволяє візуалізувати ChR2-експресуючі клітини.
Як виявили опсини?
Перший організм, у якому знайшлися опсини в 70-х роках ХХ століття - це архея Halobacterium salinarum, яка, у свою чергу, мешкала на солоній рибі, що визначили ще 1922 року. Опсини в мембрані цього мікроорганізму надають характерного рожевого кольору ракоподібним мешканцям солоних озер (а також пір'ям фламінго, що їх поїдають). Опсини (різних кольорів) знайдені і у бактерій, мікроскопічних грибів та рослин. Екологи зацікавилися опсинами, тому що ці білки використовуються мікроорганізмами для переміщення до світла та генерації енергії.
Як і коли з'явилася оптогенетика?
Портрет Карла Дейссерота із сайту його лабораторії
Що потрібно для ідеального оптогенетичного експерименту?
1. Вибрати опсин,виходячи з його біофізичних властивостей (наприклад, чутливість до світла конкретної хвилі); придумати, як впровадити ген із цим опсином у необхідні нейрони;
2. Перевірити, чи опсин експресуватиметься у цих клітинах (тобто з'явиться у мембранах білок опсин, який перекачуватиме іони при активації світлом);
3. Придумати, як доставити світло до цих самих нейронів (наприклад, за допомогою оптоволокна та лазера).
Як працюють опсини всередині нейронів?
Нейрони передають інформацію через електричні імпульси через зміну потенціалу мембрани. На цей потенціал, своєю чергою, впливає співвідношення концентрацій іонів усередині та зовні клітини, тому для швидкої зміни потенціалу в мембрані нейронів є безліч білків-насосів, які перекачують іони через мембрану. Опсини мікроорганізмів, вбудувавшись у клітинні стінки нейронів, теж перекачуватимуть іони (тим самим змінюючи потенціал мембрани), але тільки тоді, коли їх активують світлом. Насправді, дослідники отримали реальний і ефективний перемикач активності нейронів.
Що можна дізнатися за допомогою оптогенетики?
Що далі?
Оптогенетика — елегантний приклад того, як працює сучасна наука, і як дуже багато в ній взаємопов'язано: здавалося б, який може бути зв'язок між мікробіологами, які вивчають життя в екстремальних умовах, та нейробіологами, спантеличеними енігмами людського мозку?
Очевидно, що розвиток технологій оптогенетики дозволить адаптувати їх до людини. Враховуючи, що вже зараз оптогенетичні маніпуляції на мишах та мавпах дозволяють змінювати настрій, пам'ять, змінювати поведінку, виникає питання: де той кордон, який не можна переступати? Невипадково у 2015 році, через десять років після появиТермін оптогенетики, Турзан Канлі ввів поняття нейрогенетики, нового напряму біоетики, яка і займатиметься цими питаннями.
TyeK.M.,Deisseroth, K. (2012). Optogenetic investigation neural circuits underlying brain disease в animal models. Nature Reviews Neurosciences, Volume 13(4):251-66.
Canli,T.(2015). Neurogenethics: An emerging discipline at the intersection of ethics, neuroscience, і genomics. Applied & Translational Genomics,