Was ist Optogenetik?
Optogenetik ist die Kontrolle der Zellwirkung unter Verwendung einer Kombination von genetischen und optischen Techniken. Diese Methode begann mit der Entdeckung von Biochemikalien, die bei Belichtung zelluläre Reaktionen hervorrufen. Durch die Isolierung der Gene, die für diese Proteine kodieren, stimulieren die Wissenschaftler damit die Lichtreaktionen in anderen lebenden Zellen. Die Erkenntnisse aus der Optogenetik ermöglichen Forschern einen besseren Einblick in verschiedene Krankheitsprozesse.
In den 1970er Jahren entdeckten Wissenschaftler, dass bestimmte Organismen Proteine produzieren, die die elektrischen Ladungen steuern, die normalerweise über Zellmembranen geleitet werden. Diese Proteine verursachten eine Wechselwirkung zwischen Zellen, wenn sie bestimmten Lichtwellenlängen ausgesetzt wurden. Diese Proteine, die üblicherweise als G-Proteine bezeichnet werden, werden von einer Gruppe von Genen kodiert, die als Opsine bekannt sind. Während dieser Zeit stellten die Forscher fest, dass Bakteriorhodopsine auf grünes Licht reagieren. Weitere Untersuchungen ergaben, dass auch andere Mitglieder der Opsinfamilie, darunter Channelrhodopsin und Halorhodopsin, betroffen waren.
Während des Jahrzehnts 2000 bis 2010 stellten Neurowissenschaftler fest, dass es möglich ist, Opsin-Gene zu extrahieren und in andere lebende Zellen einzufügen, die dann die gleiche Lichtempfindlichkeit erlangen. Eine der ursprünglich angewandten Methoden bestand darin, Opsin-Gene zu entfernen, sie mit einem gutartigen Virus zu kombinieren und sie in lebende Neuronen in einer Petrischale einzufügen. Wenn die injizierten Zellen Impulsen von grünem Licht ausgesetzt wurden, reagierten die Neuronen durch Öffnen von Ionenkanälen. Bei geöffneten Kanälen erhielten die Zellen einen Ionenstrom, durch den ein elektrischer Strom floss, der die Kommunikation mit einem anderen Neuron initiierte. Wissenschaftler entdeckten, dass andere G-Proteine auf unterschiedliche Lichtfarben reagieren und Kalziumionenkanäle und die Freisetzung von Adrenalin hemmen oder verstärken.
Die Forschung schritt schließlich von der Anwendung der Optogenetik auf eine kleine Gruppe lebender Zellen zur Verwendung lebender Säugetiere voran. Durch die Einführung der Opsin-Gene in das Gehirn von Mäusen begannen die Zellen, die G-Proteine zu produzieren. Mit diesen G-Proteinen und der Faseroptik konnten die Wissenschaftler die Geschwindigkeit der Neuronenauslösung steuern. Sie entwickelten auch eine Methode zur Umwandlung einer kleinen optischen Faser in eine Elektrode, um eine elektrische Anzeige der Zellaktivität zu ermöglichen. Diese Schnittstelle zwischen Gehirn und Computer ermöglicht es Forschern, bestimmte Zellgruppen überall im Gehirn zu bewerten und zu regulieren.
Durch die Kombination von Magnetresonanztomographie (MRT) und Optogenetik können Forscher neuronale Aktivitäten und Bahnen im Gehirn abbilden. Durch die Untersuchung der Feinheiten der neurologischen Funktion erhalten Ärzte ein besseres Verständnis dafür, was normale und abnormale Gehirnaktivität ausmacht. Im Gegensatz zu Medikamenten und Elektrotherapie ermöglicht die Optogenetik die Regulation spezifischer Zellen und Bahnen. Das Wissen und die Technologie, die aus der Optogenetik gewonnen wurden, ermöglichen auch die Kontrolle der Funktion von Herzzellen, Lymphozyten und Insulin ausscheidenden Pankreaszellen.