Что такое оптогенетика?

Оптогенетика - это контроль действия клеток с использованием комбинации генетических и оптических методов. Этот метод начался с открытия биохимических веществ, которые вызывают клеточные реакции при воздействии света. Выделив гены, которые кодируют эти белки, ученые используют их для стимулирования световых реакций в других живых клетках. Знания, полученные из оптогенетики, дают исследователям лучшее понимание различных процессов заболевания.

В 1970-х годах ученые обнаружили, что некоторые организмы производят белки, которые контролируют электрические заряды, которые обычно проходят через клеточные мембраны. Эти белки вызывали взаимодействие между клетками при воздействии света определенной длины волны. Эти белки, обычно называемые G-белками, кодируются группой генов, известных как опсины. За это время исследователи обнаружили, что бактериородопсины реагируют на зеленый свет. Дальнейшие исследования выявили других членов семейства опсинов, в том числе каналродопсин и галородопсин.

В течение десятилетия с 2000 по 2010 г. нейробиологи обнаружили, что возможно извлечь гены опсина и вставить их в другие живые клетки, которые затем приобретают ту же фоточувствительность. Один из первоначально использованных методов включал удаление генов опсина, объединение их с доброкачественным вирусом и вставку их в живые нейроны в чашке Петри. Когда инъецированные клетки подвергались воздействию импульсов зеленого света, нейроны реагировали открытием ионных каналов. С открытыми каналами клетки получали приток ионов, который вызывал протекание электрического тока, инициируя связь с другим нейроном. Ученые обнаружили, что другие G-белки реагируют на различные светлые цвета, ингибируя или усиливая кальциевые ионные каналы и высвобождение адреналина.

В конечном итоге исследования продвинулись от применения оптогенетики к небольшой группе живых клеток до использования живых млекопитающих. Введя гены опсина в мозг мышей, клетки начали продуцировать G-белки. С помощью этих G-белков и волоконной оптики ученые смогли контролировать скорость запуска нейронов. Они также разработали метод преобразования небольшого оптического волокна в электрод для обеспечения электрического считывания клеточной активности. Это взаимодействие между мозгом и компьютером позволяет исследователям оценивать и регулировать определенные группы клеток в любом месте мозга.

Сочетая магнитно-резонансную томографию (МРТ) и оптогенетику, исследователи могут картировать нейронную деятельность и пути в мозге. Изучая тонкости неврологической функции, врачи лучше понимают, что представляет собой нормальную и ненормальную деятельность мозга. В отличие от лекарств и электротерапии, оптогенетика позволяет регулировать специфические клетки и пути. Знания и технологии, полученные из оптогенетики, также позволяют контролировать функцию клеток сердца, лимфоцитов и секретирующих инсулин клеток поджелудочной железы.