オプトジェネティクスとは

オプトジェネティクスとは、遺伝的手法と光学的手法を組み合わせて細胞の作用を制御することです。 この方法は、光にさらされると細胞反応を引き起こす生化学物質の発見から始まりました。 これらのタンパク質をコードする遺伝子を分離することにより、科学者はそれらを使用して他の生細胞の光応答を刺激します。 オプトジェネティクスから得られた知識は、研究者にさまざまな病気のプロセスに対するより深い洞察を提供します。

1970年代、科学者は、特定の生物が、通常細胞膜を通過する電荷を制御するタンパク質を生産することを発見しました。 これらのタンパク質は、特定の波長の光にさらされると細胞間で相互作用を引き起こしました。 一般にGタンパク質と呼ばれるこれらのタンパク質は、オプシンとして知られる遺伝子のグループによってエンコードされます。 この間、研究者はバクテリオロドプシンが緑色の光に反応することを発見しました。 さらなる研究により、チャンネルロドプシンおよびハロロドプシンを含むオプシンファミリーの他のメンバーが発見されました。

2000年から2010年の10年間に、神経科学者はオプシン遺伝子を抽出し、それらを他の生細胞に挿入し、同じ光感受性を獲得することが可能であることを発見しました。 最初に使用された方法の1つは、オプシン遺伝子を除去し、それらを良性ウイルスと組み合わせ、ペトリ皿の生きているニューロンに挿入することでした。 注入された細胞が緑色の光のパルスにさらされると、ニューロンはイオンチャネルを開くことで反応しました。 チャネルが開いた状態で、細胞はイオンの流入を受けて電流を流し、別のニューロンとの通信を開始しました。 科学者は、他のGタンパク質が異なる光の色に反応し、カルシウムイオンチャネルとエピネフリン放出を抑制または増強することを発見しました。

最終的に、研究は、光遺伝学を生細胞の小さなグループに適用することから、生きている哺乳類の被験者を使用することまで進みました。 マウスの脳にオプシン遺伝子を導入することにより、細胞はGタンパク質の産生を開始しました。 これらのGタンパク質と光ファイバーにより、科学者はニューロンの発火率を制御することができました。 彼らはまた、細胞活動の電気的読み出しを提供するために、小さな光ファイバーを電極に変換する方法を開発しました。 この脳とコンピューターのインターフェイスにより、研究者は脳内の任意の場所にある特定の細胞グループを評価および調整できます。

磁気共鳴画像法（MRI）と光遺伝学を組み合わせることで、研究者は脳内の神経活動と経路をマッピングできます。 神経機能の複雑さを調べることにより、医師は、正常および異常な脳活動を構成するものをよりよく理解できます。 薬物療法や電気療法とは異なり、光遺伝学は特定の細胞や経路の調節を可能にします。 光遺伝学から得られた知識と技術により、心臓細胞、リンパ球、およびインスリン分泌膵臓細胞の機能を制御することもできます。