YaChudo

Оптогенетика

Переглядів: 0. Оновлено 10.10.2026.

Оптогенетика — це біотехнологічний метод, який використовується для контролю клітинної активності за допомогою світла. Це передбачає введення чужорідних генів у клітини-мішені, що призводить до експресії світлочутливих іонних каналів, транспортерів або ферментів. У ширшому сенсі, флуоресцентні білки також вважаються оптогенетичними інструментами, що дозволяють вимірювати клітинну активність за допомогою світла. Оптогенетичний контроль активності нервових клітин вже призвів до численних нових відкриттів, що покращують розуміння функцій нейронних ланцюгів.[1] За відкриття у сфері світлозалежних іонних каналів та оптогенетики, Карл Дейссерот, Петер Геґеманн та Георг Нагель отримають Нобелівську премію з фізіології та медицини 10 грудня 2026 року.

Історія та головні герої

Основою для цього напрямку досліджень стало відкриття родопсину в бактеріях (бактеріородопсину) на початку 1970-х років Дітером Естергельтом, який отримав премію від Фонду Ласкера за це відкриття у 2021 році.

Провідними розробниками оптогенетики є Карл Дейссерот та його колишні колеги Едвард Бойден та Фен Чжан. Вирішальний прорив стався з відкриттям того, що світлоконтрольовані канали водоростей можуть бути інкорпоровані в клітини інших організмів, тим самим роблячи їх світлочутливими. Георг Нагель та Петер Геґеманн опублікували це відкриття у 2002[2] та 2003[3] роках і надіслали свій флуоресцентно мічений генетичний інструмент дослідницьким групам Карла Дейссерота, Роджера Цяня та Александера Готтшалка[4]. Геро Мізенбек та Борис Земельман, з їхніми дослідженнями 2002 та 2003[5] років, також вважаються піонерами оптогенетики avant la lettre. Оптогенетика була названа методом року 2010 журналом Nature Methods. Піонери оптогенетики були нагороджені премією Brain Prize у 2013 році.

У 2020 році лікар Ботонд Роска був удостоєний премії Кербера за дослідження в галузі оптогенетики. Він досліджує, як пошкоджені сітківки можна вилікувати за допомогою генної терапії. У 2021 році міжнародній дослідницькій групі вперше вдалося частково відновити зір 58-річному пацієнту, який втратив зір через пігментний ретиніт, за допомогою оптогенетичної терапії.

Нобелівська премія з медицини буде присуджена у 2026 році Карлу Дейссероту, Петеру Геґеманну та Георгу Нагелю, які проводять дослідження в цій галузі.

Опис

Ця технологія являє собою поєднання методів оптики та генетики з метою ввімкнення (gain-of-function) або вимкнення (loss-of-function) певних функціональних подій у певних клітинах або живих тканинах. У цьому процесі світлочутливі білки модифікуються за допомогою генної інженерії шляхом маніпуляції з кодуючою ДНК (тобто відповідним геном), а потім вводяться в специфічні клітини або тканини-мішені. Під впливом світла стає можливим контролювати поведінку модифікованих таким чином клітин.

Отже, оптогенетика дозволяє цілеспрямовано та надзвичайно швидко (в діапазоні мілісекунд) керувати чітко визначеними процесами у складних біологічних системах.[6] Це дає змогу проводити дослідження на рівні білків (застосування в молекулярній біології), на рівні окремих клітин (клітинна біологія) та певних тканин (гістологія), або навіть на рівні ссавців, що вільно рухаються (поведінкова біологія).

Ця технологія, яку науковий журнал Nature Methods визнав «Методом року 2010», випробовується на тваринних моделях для лікування хвороби Паркінсона та епілепсії.[6][7][8]

Оптогенетичні методи вже сьогодні використовуються для дослідження та контролю різних внутрішньоклітинних процесів, таких як, наприклад, локалізація білків у певних ділянках клітини або синтез специфічних молекул, таких як вторинні посередники.[9] Завдяки такій цілеспрямованій модифікації клітинних сигнальних каскадів клітинна біологія наразі отримує все більше знань про внутрішньоклітинні процеси, що навряд чи можна було уявити ще кілька років тому. Також у нейробіології, де цей метод був вперше розроблений, він дає змогу отримати раніше немислиме детальне уявлення про механізми роботи нервової системи та мозку.[7]

Канальний родопсин як приклад оптогенетичного перемикача

Схематичне зображення химерного білка ChR2-RFP. RFP — це варіант зеленого флуоресцентного білка (GFP), що світиться червоним.

Прикладом застосування оптогенетики на молекулярному рівні є використання генетично модифікованої форми канального родопсину (ChR2) як молекули-«перемикача». Канальні родопсини за своєю природою є самостійними іонними каналами, що керуються світлом. Незважаючи на структурну спорідненість, вони не є так званими G-білкоспряженими рецепторами. Тепер стало можливим замінити або змінити (модифікувати) C-кінцеву частину білка ChR2, що проникає у внутрішньоклітинний простір, без порушення функції білка як іонного каналу. Генетично модифіковані химерні білки можна потім ввести у збудливі клітини, такі як нейрони, за допомогою низки методів трансфекції (вірусна трансфекція, електропорація, генна гармата) та забезпечити там їх експресію (синтез). Вітамін А, попередник світлопоглинаючого хромофору ретиналу, зазвичай вже присутній у клітинах хребетних, завдяки чому збудливі клітини, що експресують канальний родопсин, можна легко деполяризувати за допомогою освітлення. Це, у свою чергу, дозволяє використовувати модифіковані канальні родопсини, наприклад, для таких застосувань, як фотостимуляція нейронів. Чутливий до синього світла ChR2 у поєднанні з галородопсином — хлоридним насосом, що активується жовтим світлом, дозволяє вмикати та вимикати нейронну активність протягом мілісекунд.[10]

Якщо ChR2 помітити флуоресцентною міткою, можна ідентифікувати аксони та синапси, збуджені світлом, у неушкодженій тканині мозку.[11] Цю техніку можна використовувати для вивчення молекулярних процесів під час індукції синаптичної пластичності.[12] За допомогою ChR2 було складено карту великих нейронних шляхів у мозку.[13] Той факт, що поведінку трансгенних тварин, які експресують ChR2 у частині своїх нейронів, можна контролювати без фізичного контакту за допомогою інтенсивного освітлення синім світлом, вже був продемонстрований на прикладі нематод, дрозофіл, даніо реріо та мишей.[14][15] Несподіваним відкриттям стало те, що за допомогою цілеспрямованих мутацій іонну селективність ChR2 можна переорієнтувати з катіонів (Na⁺, K⁺) на аніони (Cl⁻).[16] Канальні родопсини, що пропускають аніони, використовуються для пригнічення нейронної активності за допомогою світла.[17][18]

Примітки

  1. ↑ The Development and Application of Optogenetics. Т. 34. 21 липня 2011. с. 389—412. doi:10.1146/annurev-neuro-061010-113817. ISSN 0147-006X. PMC 6699620. PMID 21692661. [Архівовано [Дата відсутня], у www.annualreviews.org]
  2. ↑ Channelrhodopsin-1: A Light-Gated Proton Channel in Green Algae. Т. 296. 28 червня 2002. с. 2395—2398. doi:10.1126/science.1072068. ISSN 0036-8075. PMID 12089443.
  3. ↑ Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Т. 100. 25 листопада 2003. с. 13940—13945. doi:10.1073/pnas.1936192100. ISSN 0027-8424. PMID 14615590.
  4. ↑ Light Activation of Channelrhodopsin-2 in Excitable Cells of Caenorhabditis elegans Triggers Rapid Behavioral Responses. Т. 15. с. 2279—2284. doi:10.1016/j.cub.2005.11.032.
  5. ↑ Boris V. Zemelman, Nasri Nesnan, Georgia A. Lee und Gero Miesenböck: [Архівовано [Дата відсутня], у pnas.org], in: PNAS, Band 100, Nr. 3 (2003), S. 1352—1357.
  6. ↑ а б Optogenetics. Т. 8. 2011. с. 26—29. doi:10.1038/nmeth.f.324. PMID 21191368.
  7. ↑ а б Im Licht der Zellen. Zeit Online. Процитовано 26 січня 2011.
  8. ↑ Special Feature: Method of the Year 2010. Nature. Процитовано 26 січня 2011.
  9. ↑ The promise of optogenetics in cell biology: interrogating molecular circuits in space and time. Т. 8. 2011. с. 35—38. doi:10.1038/nmeth.f.326. PMID 21191368.
  10. ↑ Multimodal fast optical interrogation of neural circuitry. Т. 446. 5 березня 2007. с. 633—639. doi:10.1038/nature05744. PMID 17410168.
  11. ↑ Optical induction of synaptic plasticity using a light-sensitive channel. Т. 4. 2007–01. с. 139—141. doi:10.1038/nmeth988. PMID 17195846.{{cite book}}: Обслуговування CS1: Сторінки з неправильним форматом в діапазонах дат (посилання)
  12. ↑ Optical induction of plasticity at single synapses reveals input-specific accumulation of αCaMKII. Т. 105. 2008. с. 12039—12044. doi:10.1073/pnas.0802940105. PMID 18697934.
  13. ↑ Channelrhodopsin-2-assisted circuit mapping of long-range callosal projections. Т. 10. 15 квітня 2007. с. 663—668. doi:10.1038/nn1891. PMID 17435752.
  14. ↑ Escape Behavior Elicited by Single, Channelrhodopsin-2-Evoked Spikes in Zebrafish Somatosensory Neurons. Т. 18. 5 липня 2008. с. 1133—1137. doi:10.1016/j.cub.2008.06.077. PMID 18682213.
  15. ↑ Sparse optical microstimulation in barrel cortex drives learned behaviour in freely moving mice. Т. 451. 3 січня 2008. с. 61—64. doi:10.1038/nature06445. PMID 18094685.
  16. ↑ Conversion of Channelrhodopsin into a Light-Gated Chloride Channel. Т. 344. 25 квітня 2014. с. 409—412. doi:10.1126/science.1249375. ISSN 0036-8075.
  17. ↑ An improved chloride-conducting channelrhodopsin for light-induced inhibition of neuronal activity in vivo. Т. 5. 7 жовтня 2015. doi:10.1038/srep14807. ISSN 2045-2322.
  18. ↑ Active cortical dendrites modulate perception. Т. 354. 23 грудня 2016. с. 1587—1590. doi:10.1126/science.aah6066. ISSN 0036-8075.

Література

Джерело: стаття у Вікіпедії та історія редагувань (автори).