Co to jest optogenetyka?

Optogenetyka to kontrola działania komórki za pomocą kombinacji technik genetycznych i optycznych. Ta metoda rozpoczęła się od odkrycia biochemikaliów, które wytwarzają odpowiedzi komórkowe pod wpływem światła. Izolując geny kodujące te białka, naukowcy wykorzystują je do stymulacji odpowiedzi światła w innych żywych komórkach. Wiedza uzyskana z optogenetyki zapewnia badaczom lepszy wgląd w różne procesy chorobowe.

W latach 70. naukowcy odkryli, że niektóre organizmy wytwarzają białka, które kontrolują ładunki elektryczne, które normalnie przechodzą przez błony komórkowe. Białka te powodowały interakcję między komórkami po wystawieniu ich na światło o określonej długości fali. Białka te, powszechnie nazywane białkami G, są kodowane przez grupę genów znanych jako opsyny. W tym czasie naukowcy odkryli, że bakteriorodopsyny reagują na zielone światło. Dalsze badania odkryły innych członków rodziny opsyny, w tym channelrhodopsin i halorhodopsin.

W ciągu dekady 2000–2010 neuronaukowcy odkryli, że można wyodrębnić geny opsyny i wstawić je do innych żywych komórek, które następnie nabywają tę samą światłoczułość. Jedna z początkowo zastosowanych metod polegała na usunięciu genów opsyny, połączeniu ich z łagodnym wirusem i wstawieniu ich do żywych neuronów na płytce Petriego. Kiedy wstrzyknięte komórki były wystawione na impulsy zielonego światła, neurony zareagowały otwierając kanały jonowe. Przy otwartych kanałach komórki otrzymały napływ jonów, co spowodowało przepływ prądu elektrycznego, inicjując komunikację z innym neuronem. Naukowcy odkryli, że inne białka G reagują na różne barwy światła, hamując lub wzmacniając kanały jonowe wapnia i uwalnianie adrenaliny.

Ostatecznie badania posunęły się od zastosowania optogenetyki do niewielkiej grupy żywych komórek do wykorzystania żywych osobników ssaków. Wprowadzając geny opsyny do mózgów myszy, komórki zaczęły wytwarzać białka G. Dzięki tym białkom G i światłowodom naukowcy byli w stanie kontrolować szybkość wyzwalania neuronu. Opracowali także metodę przekształcania małego światłowodu w elektrodę, aby zapewnić elektryczny odczyt aktywności komórkowej. Ten interfejs mózg-komputer umożliwia badaczom ocenę i regulację określonych grup komórek w dowolnym miejscu w mózgu.

Łącząc obrazowanie rezonansu magnetycznego (MRI) i optogenetykę, naukowcy są w stanie zmapować aktywność neuronalną i ścieżki w mózgu. Badając zawiłości funkcji neurologicznej, lekarze lepiej rozumieją, co stanowi normalną i nienormalną aktywność mózgu. W przeciwieństwie do leków i elektroterapii, optogenetyka umożliwia regulację określonych komórek i szlaków. Wiedza i technologia uzyskane z optogenetyki pozwala również kontrolować funkcję komórek serca, limfocytów i komórek trzustki wydzielających insulinę.