Vad är optogenetik?

Optogenetik är kontrollen av cellverkan med hjälp av en kombination av genetiska och optiska tekniker. Denna metod började med upptäckten av biokemikalier som producerar cellulära svar när de utsätts för ljus. Genom att isolera generna som kodar för dessa proteiner använder forskare dem för att stimulera ljusrespons i andra levande celler. Kunskapen från optogenetik ger forskare större insikt i olika sjukdomsprocesser.

På 1970-talet upptäckte forskare att vissa organismer producerar proteiner som kontrollerar de elektriska laddningarna som normalt passerar över cellulära membran. Dessa proteiner orsakade intertaktion mellan celler när de utsattes för vissa ljusvåglängder. Dessa proteiner, vanligtvis benämnda G-proteiner, kodas av en grupp gener som kallas opins. Under denna tid fann forskare att bakteriorhodopsins svarar på grönt ljus. Ytterligare forskning upptäckte andra medlemmar av Opins-familjen, inklusive channelrhodopsin och halorhodopsin.

Under decenniet 2000 till 2010 fann neurovetenskapsmän att det är möjligt att extrahera opsingener och infoga dem i andra levande celler, som sedan får samma ljuskänslighet. En av metoderna som ursprungligen användes innebar att ta bort opsingener, kombinera dem med ett godartat virus och infoga dem i levande neuroner i en petriskål. När de injicerade cellerna exponerades för pulser av grönt ljus, svarade neuronerna genom att öppna jonkanaler. Med kanalerna öppna fick cellerna ett tillströmning av joner som fick en elektrisk ström att flöda, vilket inledde kommunikation med en annan neuron. Forskare upptäckte att andra G-proteiner svarar på olika ljusfärger, hämmar eller förbättrar kalciumjonkanaler och frisläppning av epinefrin.

Forskningen fortsatte så småningom från att tillämpa optogenetik på en liten grupp levande celler till användning av levande däggdjurspersoner. Genom att införa opsingenerna i hjärnan från möss började cellerna producera G-proteinerna. Med dessa G-proteiner och fiberoptik kunde forskare kontrollera hastigheten för avfyrning av neuron. De utvecklade också en metod för att konvertera en liten optisk fiber till en elektrod för att ge en elektrisk avläsning av cellulär aktivitet. Detta hjärn-datorgränssnitt gör det möjligt för forskare att utvärdera och reglera specifika grupper av celler var som helst i hjärnan.

Genom att kombinera magnetisk resonansavbildning (MRI) och optogenetik kan forskare kartlägga neurala aktiviteter och vägar i hjärnan. Genom att utforska komplikationerna med neurologisk funktion får läkare en bättre förståelse för vad som utgör normal och onormal hjärnaktivitet. Till skillnad från mediciner och elektroterapi tillåter optogenetik reglering av specifika celler och vägar. Den kunskap och teknik som erhållits från optogenetik möjliggör också kontroll av hjärtcellernas funktion, lymfocyter och insulinutsöndrande pancreasceller.