Как работают технологии оптогенетики?

Оптогенетика экспериментальный метод в биологических исследованиях, включающий сочетание оптики и генетики в технологиях, предназначенных для контроля (путем вызова или подавления) четко определенных событий в клетках живых тканей животных .В отличие от ранее разработанных экспериментальных методов управления светом оптогенетика позволяет исследователям использовать свет для включения и выключения клеток с поразительной точностью и разрешением (вплоть до отдельных клеток или даже областей клеток) у живых, свободно перемещающихся животных. В результате его можно использовать не только для контроля определенного поведения животных, например, запуска или блокировки страха или боли.реакции, но также и для того, чтобы таким образом сделать вывод о вкладе отдельных клеток в такое поведение.

Оптогенетика разрабатывалась в период с 2004 по 2009 год. Впоследствии исследователи в тысячах лабораторий по всему миру начали использовать оптогенетику, и с использованием этого метода были опубликованы тысячи научных результатов в основном в нейробиологии, но также и в других областях. Действительно, оптогенетика использовалась для изучения не только мозга но и сердечной ткани, стволовых клеток и развития организмов.

Технологии оптогенетики
Технология оптогенетики работает в несколько этапов. Во-первых, специальные гены одноклеточных организмов (например, некоторых водорослей и бактерий адаптируются для использования в качестве инструментов для изучения специфического поведения животных (обычно мышей). Эти отдельные гены, известные как микробные опсины, производят белки которые действуют как светочувствительные ионные каналы или насосы, активируя или подавляя выработку электрического тока в клетках, направляя движение заряженных ионов (например, протонов или ионов хлорида) через клетку мембранав ответ на свет. Во-вторых, передовые генетические инструменты используются для нацеливания генов опсина на определенные клетки. Таргетинг гарантирует, что продукты генов (белки опсины) производятся только в определенных типах клеток. Например, клетки мозга, которые не предназначены для получения генов опсина, не будут производить белки опсина; таким образом, нецелевые клетки мозга останутся невосприимчивыми к прямому свету. В-третьих, передовая оптика используется для точного направления импульсов света на определенные участки тканей или клетки. В идеале это происходит в то время, когда подопытный демонстрирует интересующее поведение. Световые импульсы стимулируют гены опсина, что приводит к выработке электрического тока в целевых клетках. В зависимости от типа используемого опсина электрический ток либо активирует, либо тормозитцелевые клетки. Затем исследователи смогут определить, вызывают ли определенные виды электрической активности в клетках интересующее поведение, и если да, то каким образом.

В природе обнаружено множество микробных опсинов, а некоторые из них были генетически модифицированы в лаборатории. Ученые также успешно синтезировали новые опсины. Разработанные и синтезированные опсины созданы так, чтобы действовать быстрее или медленнее, чем их природные аналоги, и могут иметь разные свойства ионной проводимости или различную чувствительность к цвету (длине волны света). Встречающиеся в природе бактериородопсины (которые выводят протоны из клетки) и встречающиеся в природе галородопсины (которые перемещают ионы хлорида в клетку) оказывают ингибирующее действие на нервную систему. Оба этих опсина являются насосами (им требуется энергия для перемещения ионов против химических или электрических градиентов), а производимые ими электрические токи затрудняют работу нейронов .стрелять. Напротив, встречающиеся в природе канальные родопсины, которые, как следует из их названия, представляют собой каналы (позволяющие положительно заряженным ионам свободно течь через пору опсина), обычно являются возбуждающими.

Поскольку ингибирующие каналы опсина являются самым быстрым и наиболее чувствительным средством контроля света, были предприняты интенсивные усилия по поиску или созданию ингибирующего канала родопсина. Ключевой прорыв произошел в 2012 году, когда была получена кристаллическая структура каналородопсина с высоким разрешением; Знание этой структуры позволило ученым сконструировать пору опсинового канала для создания тормозного канала, проводящего хлориды. Возможен также биохимический контроль (вместо электрического контроля). Начиная с 2009 года, оптогенетика была расширена до контроля определенных биохимических событий, открывая тем самым двери для оптогенетического контроля любого типа клеток.

Доставка света обычно достигается с помощью оптоволоконного интерфейса, который может воздействовать на различные типы клеток (в отличие от отдельных клеток) в глубоких структурах мозга. Другие стратегии световодства позволяют нацеливаться на отдельные клетки в живом, неповрежденном мозге млекопитающих; такие методы основаны на современной оптике (например, голографических методах и мощных лазерах). Однако требования к мощности света, связанные с нацеливанием на большое количество индивидуально определенных клеток, могут быть недостатком. Наиболее распространенные методы оптогенетического контроля типов клеток (например, оптоволоконные интерфейсы), по сравнению с ними, относительно просты и недороги и широко используются вместе с генетическими методами нацеливания на опсин, в которых используются биологические материалы, такие как вирусы .чтобы обеспечить производство опсина в целевых группах населения.

Приложения оптогенетики
Оптогенетические методы применялись к широкому кругу вопросов поведения и физиологии, обеспечивая понимание движения, навигации, обучения, памяти, обмена веществ, голода, жажды, дыхания, сна, кровяного давления, вознаграждения, мотивации, страха и сенсорной обработки Также были сделаны клинически вдохновенные открытия, помогающие пролить свет на клеточную активность, связанную с такими состояниями, как эпилепсия болезнь Паркинсона болезнь Хантингтона инсульт хроническая боль, обсессивно-компульсивное расстройство наркомания, депрессия социальная дисфункция и тревога.. Например, оптогенетика позволила определить, какие клетки и связи в мозге играют важную роль в определении и объединении различных особенностей тревоги, включая изменения частоты дыхания и избегание риска, в отдельное поведенческое состояние. Появление оптогенетики в качестве исследовательского инструмента также помогло дать толчок крупным проектам по исследованию мозга национального масштаба, в том числе Инициативе по исследованию мозга посредством продвижения инновационных нейротехнологий (BRAIN) которая была запущена в США в 2013 году.