Białko „magneto”: genetycznie zaprojektowane, aby kontrolować mózg i zachowanie

Naukowcy ze Stanów Zjednoczonych opracowali nową metodę kontrolowania obwodów mózgowych związanych ze złożonymi zachowaniami zwierząt, wykorzystując inżynierię genetyczną do stworzenia namagnesowanego białka, które na odległość aktywuje określone grupy komórek nerwowych.

Zrozumienie, w jaki sposób mózg generuje zachowanie, jest jednym z ostatecznych celów neuronauki – i jednym z najtrudniejszych pytań. W ostatnich latach naukowcy opracowali szereg metod umożliwiających im zdalne sterowanie określonymi grupami neuronów oraz badanie działania obwodów neuronalnych.

Najpotężniejszą z nich jest metoda o nazwie optogenetyka, który umożliwia naukowcom włączanie i wyłączanie populacji powiązanych neuronów w skali milisekundy na milisekundę za pomocą impulsów światła laserowego. Inna niedawno opracowana metoda, zwana chemogenetyka, wykorzystuje zmodyfikowane białka, które są aktywowane przez zaprojektowane leki i mogą być ukierunkowane na określone typy komórek.

Chociaż potężne, obie te metody mają wady. Optogenetyka jest inwazyjna, wymagająca wprowadzenia włókien optycznych dostarczających impulsy świetlne do mózgu, a ponadto zakres, w jakim światło wnika w gęstą tkankę mózgową, jest poważnie ograniczony. Podejścia chemogenetyczne przezwyciężają oba te ograniczenia, ale zazwyczaj wywołują reakcje biochemiczne, których aktywacja komórek nerwowych trwa kilka sekund.

Nowa technika, opracowana w Ali Gulerlaboratorium na Uniwersytecie Wirginii w Charlottesville oraz opisane we wcześniejszej publikacji online w czasopiśmie Nature Neuroscience, jest nie tylko nieinwazyjny, ale może również szybko i odwracalnie aktywować neurony.

Kilka wcześniejszych badań wykazało, że białka komórek nerwowych, które są aktywowane pod wpływem ciepła i nacisku mechanicznego, mogą być genetycznie modyfikowane tak, aby stały się wrażliwy na fale radiowe i Pola magnetyczne, łącząc je z białkiem magazynującym żelazo zwanym ferrytyną lub z nieorganicznymi cząsteczkami paramagnetycznymi. Metody te stanowią ważny postęp – były już wykorzystywane na przykład do: regulują poziom glukozy we krwi u myszy – ale obejmują wiele elementów, które należy wprowadzić osobno.

Nowa technika opiera się na tej wcześniejszej pracy i opiera się na białku zwanym TRPV4, które jest wrażliwy na obie temperatury i siły rozciągające. Te bodźce otwierają jego centralny por, umożliwiając przepływ prądu elektrycznego przez błonę komórkową; to wywołuje impulsy nerwowe, które wędrują do rdzenia kręgowego, a następnie do mózgu.

In vivo manipulacja zachowaniem danio pręgowanego za pomocą Magneto. Larwy danio pręgowanego wykazują zwijanie się w
reakcja na zlokalizowane pola magnetyczne. Od Wheelera i wsp (2016).

Güler i jego koledzy doszli do wniosku, że siły magnetyczne (lub rotacyjne) mogą aktywować TRPV4 poprzez otwarcie jego centralnego poru, więc wykorzystali inżynierię genetyczną, aby połączyć białko z paramagnetycznym regionem ferrytyny, wraz z krótkimi sekwencjami DNA, które sygnalizują komórkom transport białka do błony komórek nerwowych i wstawiają je do niej.

Kiedy wprowadzili ten konstrukt genetyczny do ludzkich embrionalnych komórek nerkowych rosnących na szalkach Petriego, komórki zsyntetyzowały białko "Magneto" i umieściły je w swojej błonie. Zastosowanie pola magnetycznego aktywowało zmodyfikowane białko TRPV1, o czym świadczą przejściowe wzrosty stężenia jonów wapnia w komórkach, które wykryto za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego.

Następnie naukowcy wprowadzili sekwencję Magneto DNA do genomu wirusa wraz z genem kodującym białko zielonej fluorescencji oraz regulatorowymi sekwencjami DNA, które powodują, że konstrukt ulega ekspresji tylko w określonych typach neuronów. Następnie wstrzyknęli wirusa do mózgów myszy, celując w korę śródwęchową, i przeprowadzili sekcję mózgów zwierząt, aby zidentyfikować komórki emitujące zieloną fluorescencję. Za pomocą mikroelektrod wykazali, że przyłożenie pola magnetycznego do skrawków mózgu aktywowało Magneto, dzięki czemu komórki wytwarzają impulsy nerwowe.

Aby ustalić, czy Magneto można wykorzystać do manipulowania aktywnością neuronalną u żywych zwierząt, wstrzyknęli Magneto do larw danio pręgowanego, celując w neurony w tułowiu i ogonie, które normalnie kontrolują reakcję ucieczki. Następnie umieścili larwy danio pręgowanego w specjalnie zbudowanym namagnesowanym akwarium i odkryli, że ekspozycja na pole magnetyczne indukowała ruchy zwijające podobne do tych, które występują podczas reakcji ucieczki. (Ten eksperyment obejmował łącznie dziewięć larw danio pręgowanego, a późniejsze analizy wykazały, że każda larwa zawierała około 5 neuronów wyrażających Magneto.)

Przeczytaj całą historię tutaj…