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.

оптогенетика
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.

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).

Портрет Карла Дейссерота с сайта его лаборатории

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).

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 

Ссылка на источник