Kas ir optoģenētika?

1970. gados zinātnieki atklāja, ka daži organismi ražo olbaltumvielas, kas kontrolē elektriskos lādiņus, kas parasti iziet cauri šūnu membrānām. Šie proteīni izraisīja mijiedarbību starp šūnām, pakļaujoties noteiktam gaismas viļņa garumam. Šīs olbaltumvielas, ko parasti dēvē par G-proteīniem, kodē gēnu grupa, kas pazīstama kā opsīni. Šajā laikā pētnieki atklāja, ka bakteriorodopsīni reaģē uz zaļo gaismu. Turpmākie pētījumi atklāja citus opsīnu ģimenes locekļus, tostarp kanalrodopsīnu un halorodopsīnu.

Laikā no 2000. līdz 2010. gadam neirozinātnieki atklāja, ka ir iespējams iegūt opsīna gēnus un ievietot tos citās dzīvās šūnās, kuras pēc tam iegūst tādu pašu fotosensitivitāti. Viena no sākotnēji izmantotajām metodēm ietvēra opsīna gēnu izņemšanu, apvienošanu ar labdabīgu vīrusu un ievietošanu dzīvos neironos Petri trauciņā. Kad injicētās šūnas tika pakļautas zaļās gaismas impulsiem, neironi reaģēja, atverot jonu kanālus. Kad kanāli bija atvērti, šūnas saņēma jonu pieplūdumu, kas izraisīja elektriskās strāvas plūsmu, uzsākot saziņu ar citu neironu. Zinātnieki atklāja, ka citi G proteīni reaģē uz dažādām gaismas krāsām, kavējot vai uzlabojot kalcija jonu kanālus un epinefrīna izdalīšanos.

Pētījumi galu galā virzījās no optoģenētikas piemērošanas nelielai dzīvu šūnu grupai līdz dzīvu zīdītāju izmantošanai. Ieviešot opsīna gēnus peļu smadzenēs, šūnas sāka ražot G-olbaltumvielas. Izmantojot šos G-proteīnus un optisko šķiedru, zinātnieki varēja kontrolēt neironu izšaušanas ātrumu. Viņi arī izstrādāja metodi nelielas optiskās šķiedras pārvēršanai elektrodā, lai nodrošinātu šūnu aktivitātes elektrisko nolasījumu. Šī smadzeņu un datora saskarne ļauj pētniekiem novērtēt un regulēt noteiktas šūnu grupas jebkurā smadzeņu vietā.

Apvienojot magnētiskās rezonanses attēlveidošanu (MRI) un optoģenētiku, pētnieki spēj kartēt neironu aktivitātes un ceļus smadzenēs. Izpētot neiroloģisko funkciju sarežģījumus, ārsti iegūst labāku izpratni par to, kas ir normāla un patoloģiska smadzeņu darbība. Atšķirībā no medikamentiem un elektroterapijas, optoģenētika ļauj regulēt noteiktas šūnas un ceļus. Optoģenētikā iegūtās zināšanas un tehnoloģijas ļauj kontrolēt arī sirds šūnu, limfocītu un insulīnu izdalošo aizkuņģa dziedzera šūnu darbību.