Prostredníctvom optogenetiky sa dozvedáme, ako neuróny v mozgu fungujú, navzájom komunikujú, spolupracujú a aké sú ich reakcie.
Aktívna nervová bunka. Ilustračný obrázok. Zdroj: iStockphoto.com
Otázka, ako funguje ľudský mozog, zaujímala ľudstvo už oddávna. Ukázalo sa, že mozog človeka pracuje ako veľmi zložitý stroj. Jeho jednotlivé stavebné kamene – mozgové bunky (neuróny) – navzájom komunikujú pomocou elektrických impulzov a chemických poslov.
V ostatných rokoch sa vedcom podarilo využiť vedecké postupy, pri ktorých možno v mozgu experimentálnych zvierat regulovať a dokonca aj priamo ovládať aktivitu jednotlivých neurónov pomocou svetla. Takýto prístup k riešeniu vedeckých problémov súvisiacich s výskumom mozgu poskytuje neurovedcom optogenetika.
V ktorých vedných disciplínach sa objavuje slovo genetika?
Stručne si pripomeňme, že pojem genetika charakterizujú okrem klasickej genetiky (vedy o dedičnosti a premenlivosti organizmov) aj ďalšie špeciálne genetické disciplíny (molekulová genetika, cytogenetika, mikrobiálna genetika, rastlinná genetika, živočíšna genetika, humánna genetika a vlnová genetika).
So slovom genetika sa v podobe zloženého slova optogenetika stretávame predovšetkým v neurovedách pri výskumoch zameraných na objasňovanie princípov fungovania a komunikácie nervových buniek v mozgu.
Optogenetika nie je genetická disciplína
Optogenetika teda nie je typická genetická disciplína, ako by sa dalo z jej názvu usudzovať. Optogenetika len využíva prístupy a metódy molekulárnej genetiky, predovšetkým génového inžinierstva, pri príprave takzvaných optogenetických proteínov.
Nachádza uplatnenie v neurovedách ako originálna neuromodulačná technika, ktorej metodické princípy spočívajú v kombinovaní optických a genetických metód pri kontrole a sledovaní činnosti jednotlivých nervových buniek v mozgu.
Spoločne aplikované genetické a optické metódy umožňujú priestorovú a časovú kontrolu aktivity špecifických druhov neurónov v mozgu. Optogenetika je technika, ktorá v roku 2005 odštartovala novú éru cielenej kontroly a regulácie aktivity neurónov pomocou svetla.
Prostredníctvom genetických manipulácií sa do určitých mozgových buniek vnášajú gény kódujúce optogenetické proteíny zvané opsíny. Neuróny sa geneticky upravujú tak, aby sa v nich gén kódujúci opsín náležite prejavil (exprimoval).
Čo sú opsíny?
Opsíny patria medzi prirodzene sa vyskytujúce bielkoviny. Sú citlivé na svetlo. V jazyku odborníkov opsíny fungujú v bunke buď ako typické iónové kanály, pumpy, alebo receptory. Opsíny sa kovalentne viažu na nebielkovinové látky – retinaly, predstavujúce určitú formu vitamínu A, ktorá je schopná absorbovať svetlo.
U človeka sú opsín a retinal zložkami fotosenzitívneho očného pigmentu – rodopsínu (očného purpuru), ktorý sa nachádza napríklad v tyčinkách (fotoreceptoroch) sietnice. Pri absorpcii svetla fotosenzitívnym očným pigmentom dochádza k spusteniu reťazca chemických reakcií, ktoré vedú k stimulácii neuronálnej aktivity. Proces transformácie svetelnej energie na elektrický signál je kľúčovým dejom v procese videnia. Zjednodušene povedané, proces videnia sa skladá z kaskády chemických reakcií, ktoré sa začínajú dopadom fotónu a končia sa vznikom a prenosom nervového vzruchu (impulzu).
Optogenetické činitele a senzory
Všeobecne platí, že reguláciu aktivity neurónov možno dosiahnuť pomocou optogenetických činiteľov, ako sú optogenetické proteíny. Experimentálne sa najčastejšie využívajú tie, ktoré sú mikrobiálneho pôvodu, napríklad transmembránový kanálový rodopsín (channelrhodopsin, ChR2), halorodopsín alebo archaerodopsín.
Optický záznam ich aktivity možno získať pomocou optogenetických senzorov, napríklad pre vápnik je to proteín GCaMP. Označenie GCaMP patrí geneticky modifikovanému indikátoru vápnika, ktorý sa vedcom podarilo vytvoriť syntetickou fúziou troch proteínov.
Pri optogenetických štúdiách sa ako prvý začal využívať kanálový proteín – rodopsín ChR2. Ten pochádza zo zelenej jednobunkovej riasy Chlamydomona reinhardtii, ktorá patrí k dôležitým modelovým organizmom využívaným v rôznych biologických výskumoch. Je špecificky aktivovateľný modrým svetlom, takže nereaguje na iné typy svetla. Neuróny, v ktorých sa gén ChR2 exprimuje, budú aktívne len dovtedy, pokiaľ bude svietiť modré svetlo. To poskytuje vedcom kontrolu nad presným načasovaním aktivity geneticky modifikovaného neurónu.
Nové typy experimentov a opsínov
V posledných rokoch odborníci naštartovali nový typ experimentov, v ktorých sa geneticky modifikujú aj samotné opsíny alebo sa dokonca využívajú umelo syntetizované opsíny. Pre výber opsínov, ktoré sa buď prirodzene nachádzajú v rôznych organizmoch (počnúc mikroorganizmami a končiac primátmi), alebo sa umelo syntetizujú v laboratóriu, je pri optogenetických výskumoch dôležité, aby boli čo najcitlivejšie na nižšie a dlhšie vlnové dĺžky svetla.
Myš so svetelným implantátom počas optogenetického výskumu. Zdroj: Wikimedia Commons
Aké zdroje svetla sa bežne využívajú v optogenetike? Sú to napríklad svetelné diódy (LED, optické vlákna a lasery). Tie umožňujú multimodiálnu optickú reguláciu viacerých opsínov naraz. Keď sa geneticky pozmenené neuróny ovplyvnia svetlom, budú sa prechodne aktivovať (zapínať) alebo inaktivovať (vypínať), alebo sa budú modulovať ich signálne dráhy v závislosti od génu kódujúceho konkrétny druh opsínu, ktorý bol vybraný na expresiu.
Pozrite si
Štyria zakladatelia optogenetiky
Čitateľovi isto napadne otázka, kto je zakladateľom optogenetiky. Prekvapí ho konštatovanie, že na túto otázku nejestvuje jednoznačná odpoveď. Vedecká komunita sa nedokáže dohodnúť na jednom mene, a tak sa za otcov optogenetiky považujú až štyria vedci profesori. Patrí medzi nich dvojica amerických neurovýskumníkov Karl A. Deisseroth a Edward S. Boyden.
Karl A. Deisseroth pôsobí ako profesor bioinžinierstva, psychiatrie a behaviorálnych vied na Stanfordovej univerzite. Je známy aplikovaním optických a genetických metód pri štúdiu funkcie a dysfunkcie nervových okruhov, najmä v prípade neurologických a psychiatrických ochorení. Druhý z dvojice, Edward S. Boyden, je profesorom neurotechnológie a neurovedcom na McGovern Institute for Brain Research. Je uznávaný za prácu v oblasti optogenetiky a expanznej mikroskopie. Použil nové revolučné nástroje na sondovanie, analýzu a inžinierstvo mozgových obvodov.
Štyria vedci považovaní za zakladateľov optogenetiky. Zľava Zhuo-Hua Pan, Karl A. Deisseroth (foto Christopher Michel), Gero Miesenböck a Edward S. Boyden (foto Jimmy Day | MIT Media Lab). Zdroj: Wikimedia Commons / Wayne State University
Ďalším adeptom je americký neurovedec čínskeho pôvodu Zhuo-Hua Pan, ktorý pôsobí ako profesor oftalmológie na Wayne State University. Zameriava sa najmä na vývoj optogenetických prístupov k liečbe slepoty spôsobenej degeneráciou sietnice.
Za jedného zo zakladateľov optogenetiky sa považuje aj rakúsky neurovedec profesor Gero A. Miesenböck. Je zakladajúcim riaditeľom Centra pre nervové okruhy a správanie na Oxfordskej univerzite a členom Magdalen College v Oxforde. Dokázal geneticky modifikovať mozgové bunky experimentálnych zvierat tak, aby bolo možné svetlom ovládať ich aktivitu aj na diaľku.
Prelom v oblasti neurovied
Každý zo štyroch uvedených vedcov zohral kľúčovú úlohu pri rozvoji optogenetiky, a preto nie je dôležité riešiť otázku, kto z nich bol skutočne prvý. Optogenetika vyvolala jeden z najväčších prelomov v neurovedách za posledné desaťročia. Umožňuje neurovedcom monitorovať a presne kontrolovať aktivitu geneticky manipulovaných neurónov pomocou svetelných signálov. Prostredníctvom optogenetiky sa dozvedáme, ako neuróny v mozgu fungujú, navzájom komunikujú a spolupracujú a aké sú ich reakcie, ak pomocou svetelných signálov vyvoláme zapnutie alebo vypnutie iných neurónov.
Optogenetika má potenciál liečiť slepotu, Parkinsonovu chorobu, depresie, cievnu mozgovú príhodu a zmierňovať chronickú bolesť. Okrem toho prispela k objasňovaniu molekulárnych mechanizmov procesov vedúcich k drogovým závislostiam a asociálnemu správaniu.
Zdroj: Nature, Mightex, Vědavýzkum.cz, DPAG
(zh)
