Особый светочувствительный белок, извлеченный из микробов, помог нейрофизиологам из Массачусетского технологического института создать и успешно проверить первую в мире систему беспроводного управления работой нервных клеток. В будущем этот метод манипуляции нейронами поможет медикам спасти эпилептиков от припадков и вернуть зрение людям с поврежденной сетчаткой. Кратко об этом исследовании говорится на сайте MIT.
«Наше открытие служит примером того, как неисчерпаемое генетическое разнообразие живой природы может давать крайне мощные инструменты и химические реактивы, которые могут быть полезны для биологических и нейрофизиологических исследований. Данный белок поможет создать новые методы лечения эпилепсии и других расстройств нервной системы. Правда, с клинической практикой придется подождать: этому мешает бактериальное происхождение белка, из-за чего придется провести множество новых исследований для проверки его безопасности для организма», — рассказывает участник исследования Эдвард Бойден.
Он и его коллеги являются ведущими специалистами в области оптогенетики — методики контроля и наблюдения за работой нервных клеток в мозге и других частях тела при помощи импульсов света. В марте 2013 года Бойден и некоторые другие ученые получили «Премию мозга» фонда Греты Лундбек за открытие и совершенствование оптогенетики и открытие потенциальных методов лечения расстройств мозга.
До 2005 года, когда начались первые оптогенетические эксперименты, нейрофизиологи могли напрямую наблюдать за работой индивидуальных нервных клеток фактически лишь одним способом — имплантируя электроды в кору или глубинные слои мозга. Этот способ наблюдения за нейронами имеет массу ограничений: например, ученым не всегда удается подобраться к нужной части мозга, а электроды крайне плохо считывают серии быстрых сигналов. Кроме того, их почти невозможно использовать для долговременного изучения работы нейронов: электроды зарастают соединительной тканью мозга, которая воспринимает их как инородное тело и старается изолировать от нервных клеток.
Ситуация изменилась в начале 2000-х годов, когда молекулярные биологи открыли несколько белков внутри бактерий и водорослей, способных светиться под воздействием электрического тока или испускать электрические импульсы при облучении светом. Нейрофизиологи научились использовать эти молекулы для считывания или «записи» сигналов из нервных клеток. В отличие от электродов, такие молекулы или инструкции по их сборке вставляются внутрь самих нейронов, что позволяет наблюдать за работой одиночных нервных клеток и следить за мельчайшими изменениями в их электрической активности почти в режиме реального времени.
Тем не менее у оптогенетики есть один большой недостаток: видимый свет крайне плохо проникает через ткани тела, из-за чего ученым, если они пытаются управлять работой нейронов, приходится вводить в мозг особые световоды. По этой причине, несмотря на все теоретические преимущества оптогенетики, она испытывает те же проблемы, что и классические электродные методики нейрофизиологии.
Бойден и его коллеги почти 10 лет пытаются создать или найти в природе светочувствительные молекулы, которые реагировали бы не на видимый свет, а на волны других диапазонов электромагнитного излучения, примером чего является инфракрасное излучение. Биологи успели открыть несколько десятков молекул в клетках бактерий и водорослей, чья чувствительность к ИК-импульсам была недостаточной для использования в оптогенетике.
Ученые из MIT решили усовершенствовать набор белков-родопсинов, слабо реагирующих на инфракрасное излучение, которые им удалось найти внутри архей Haloarcula marismortui и Haloarcula vallismortis: нейрофизиологи встроили гены, содержащие в себе инструкции по сборке светочувствительных молекул, в ДНК обычной кишечной палочки (Escherichia coli).
Убедившись, что гены родопсинов успешно интегрировались в геном бактерий, Бойден и его коллеги обработали несколько сотен колоний микробов огромными дозами радиации. Ученые получили тысячи новых вариантов белков, один из которых, получивший кодовое имя Jaws, обладал всеми нужными свойствами. Это вещество, в отличие от своих бактериальных прародителей, не только реагировало на инфракрасный свет, но и вырабатывало мощный электрический импульс, силы которого должно хватить на то, чтобы заставить нейрон испустить сигнал.
Ученые извлекли ген, содержащий в себе инструкции по сборке молекул Jaws, из генома кишечной палочки и вставили его в часть нервных клеток в мозге лабораторной мыши. При воздействии инфракрасного лазера на голову грызуна модифицированные нейроны практически мгновенно отключились и не вырабатывали сигналов, пока работал источник света. Как отмечают сами исследователи, их беспроводной стимулятор нейронов пока работает на относительно небольшое расстояние — всего три миллиметра.
Бойден и его коллеги полагают, что после облучения новой порции бактерий или получения новых версий Jaws им удастся увеличить дальность воздействия. Если эти опыты завершатся удачно, ученые попытаются использовать методику стимуляции для подавления очагов эпилепсии в мозге крыс или других животных.