Πέμπτη, 17 Ιουνίου 2021

Η γενετικά τροποποιημένη πρωτεΐνη «Magneto» ελέγχει εξ αποστάσεως τον εγκέφαλο και τη συμπεριφορά

 


Ο τοροειδής μαγνητικός θάλαμος (Tokamak) του Κοινού ευρωπαϊκού Torus (JET) στο Culham Science Center.  Φωτογραφία: AFP / Getty Images
Ο τοροειδής μαγνητικός θάλαμος (Tokamak) του Κοινού ευρωπαϊκού Torus (JET) στο Culham Science Center. Φωτογραφία: AFP / Getty Images

Η νέα μέθοδος «Badass» χρησιμοποιεί μια μαγνητισμένη πρωτεΐνη για την ενεργοποίηση των εγκεφαλικών κυττάρων γρήγορα, αναστρέψιμα και μη επεμβατικά

Ερευνητές στις Ηνωμένες Πολιτείες έχουν αναπτύξει μια νέα μέθοδο για τον έλεγχο των εγκεφαλικών κυκλωμάτων που σχετίζονται με πολύπλοκες συμπεριφορές ζώων, χρησιμοποιώντας γενετική μηχανική για τη δημιουργία μαγνητισμένης πρωτεΐνης που ενεργοποιεί συγκεκριμένες ομάδες νευρικών κυττάρων από απόσταση.

Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ο εγκέφαλος δημιουργεί συμπεριφορά είναι ένας από τους απώτερους στόχους της νευροεπιστήμης - και μία από τις πιο δύσκολες ερωτήσεις του. Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει μια σειρά μεθόδων που τους επιτρέπουν να ελέγχουν εξ αποστάσεως συγκεκριμένες ομάδες νευρώνων και να ανιχνεύουν τη λειτουργία των νευρωνικών κυκλωμάτων.

Η πιο ισχυρή από αυτές είναι μια μέθοδος που ονομάζεται οπτογενετική , η οποία επιτρέπει στους ερευνητές να ενεργοποιούν ή να απενεργοποιούν πληθυσμούς σχετικών νευρώνων σε κλίμακα χρόνου χιλιοστών του δευτερολέπτου με χιλιοστό του δευτερολέπτου με παλμούς φωτός λέιζερ. Μια άλλη πρόσφατα αναπτυγμένη μέθοδος, που ονομάζεται χημειογενετική , χρησιμοποιεί μηχανικές πρωτεΐνες που ενεργοποιούνται από φάρμακα σχεδιαστών και μπορούν να στοχευθούν σε συγκεκριμένους τύπους κυττάρων.

Αν και ισχυρές, και οι δύο αυτές μέθοδοι έχουν μειονεκτήματα. Η οπτογενετική είναι επεμβατική, απαιτεί την εισαγωγή οπτικών ινών που μεταφέρουν τους παλμούς φωτός στον εγκέφαλο και, επιπλέον, η έκταση στην οποία το φως διεισδύει στον πυκνό ιστό του εγκεφάλου είναι πολύ περιορισμένη. Οι χημειογενετικές προσεγγίσεις ξεπερνούν και τους δύο αυτούς τους περιορισμούς, αλλά συνήθως προκαλούν βιοχημικές αντιδράσεις που χρειάζονται αρκετά δευτερόλεπτα για την ενεργοποίηση των νευρικών κυττάρων.

Η νέα τεχνική, που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο του Ali Güler στο Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια στο Charlottesville, και περιγράφεται σε μια εκ των προτέρων διαδικτυακή έκδοση στο περιοδικό Nature Neuroscience , δεν είναι μόνο μη επεμβατική, αλλά μπορεί επίσης να ενεργοποιήσει τους νευρώνες γρήγορα και αναστρέψιμα.

Αρκετές προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι οι πρωτεΐνες των νευρικών κυττάρων που ενεργοποιούνται από θερμότητα και μηχανική πίεση μπορούν να τροποποιηθούν γενετικά έτσι ώστε να γίνουν ευαίσθητες σε ραδιοκύματα και μαγνητικά πεδία , συνδέοντάς τις με μια πρωτεΐνη αποθήκευσης σιδήρου που ονομάζεται φερριτίνη ή σε ανόργανα παραμαγνητικά σωματίδια . Αυτές οι μέθοδοι αντιπροσωπεύουν μια σημαντική πρόοδο - για παράδειγμα, έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί για τη ρύθμιση των επιπέδων γλυκόζης στο αίμα σε ποντίκια - αλλά περιλαμβάνουν πολλαπλά συστατικά που πρέπει να εισαχθούν ξεχωριστά.

Η νέα τεχνική βασίζεται σε αυτήν την προηγούμενη εργασία και βασίζεται σε μια πρωτεΐνη που ονομάζεται TRPV4, η οποία είναι ευαίσθητη τόσο στις θερμοκρασίες όσο και στις δυνάμεις τεντώματος . Αυτά τα ερεθίσματα ανοίγουν τον κεντρικό πόρο του, επιτρέποντας στο ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει μέσω της κυτταρικής μεμβράνης. Αυτό προκαλεί νευρικά ερεθίσματα που ταξιδεύουν στον νωτιαίο μυελό και μετά στον εγκέφαλο.

Ο Güler και οι συνάδελφοί του υποστήριξαν ότι οι μαγνητικές ροπές (ή περιστρεφόμενες) δυνάμεις μπορεί να ενεργοποιήσουν το TRPV4 τραβώντας το άνοιγμα του κεντρικού πόρου του και έτσι χρησιμοποίησαν γενετική μηχανική για να συντήξουν την πρωτεΐνη στην παραμαγνητική περιοχή της φερριτίνης, μαζί με μικρές ακολουθίες DNA που σηματοδοτούν τα κύτταρα να μεταφέρουν πρωτεΐνες στη μεμβράνη των νευρικών κυττάρων και τις εισάγουμε σε αυτήν.

In vivo χειραγώγηση της συμπεριφοράς του zebrafish χρησιμοποιώντας το Magneto. Οι προνύμφες Zebrafish εμφανίζουν συμπεριφορά περιέλιξης σε απόκριση σε εντοπισμένα μαγνητικά πεδία. Από τους Wheeler et al (2016).

Όταν εισήγαγαν αυτό το γενετικό κατασκεύασμα σε ανθρώπινα εμβρυϊκά νεφρικά κύτταρα που αναπτύσσονται σε τρυβλία Petri, τα κύτταρα συνέθεσαν την πρωτεΐνη «Magneto» και την εισήγαγαν στη μεμβράνη τους. Η εφαρμογή μαγνητικού πεδίου ενεργοποίησε την τροποποιημένη πρωτεΐνη TRPV1, όπως αποδεικνύεται από παροδικές αυξήσεις της συγκέντρωσης ιόντων ασβεστίου εντός των κυττάρων, οι οποίες ανιχνεύθηκαν με μικροσκόπιο φθορισμού.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές εισήγαγαν την αλληλουχία Magneto DNA στο γονιδίωμα ενός ιού, μαζί με το γονίδιο που κωδικοποιεί πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη, και ρυθμιστικές αλληλουχίες DNA που προκαλούν την έκφραση του κατασκευάσματος μόνο σε συγκεκριμένους τύπους νευρώνων. Έπειτα ένεσαν τον ιό στους εγκεφάλους των ποντικών, στοχεύοντας στον ενδορρινικό φλοιό, και ανατομήσαν τον εγκέφαλο των ζώων για να αναγνωρίσουν τα κύτταρα που εκπέμπουν πράσινο φθορισμό. Χρησιμοποιώντας μικροηλεκτρόδια, έδειξαν στη συνέχεια ότι η εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου στον εγκέφαλο τεμαχίζει το Magneto έτσι ώστε τα κύτταρα να παράγουν νευρικούς παλμούς

Για να προσδιορίσουν εάν το Magneto μπορεί να χρησιμοποιηθεί για χειρισμό νευρωνικής δραστηριότητας σε ζωντανά ζώα, ένεσαν το Magneto σε προνύμφες ζέβρα, στοχεύοντας νευρώνες στον κορμό και την ουρά που κανονικά ελέγχουν μια απόκριση διαφυγής. Έπειτα τοποθέτησαν τις προνύμφες του zebrafish σε ένα ειδικά κατασκευασμένο μαγνητισμένο ενυδρείο και διαπίστωσαν ότι η έκθεση σε ένα μαγνητικό πεδίο προκάλεσε ελιγμούς ελιγμών παρόμοια με αυτά που εμφανίζονται κατά την απόκριση διαφυγής. (Αυτό το πείραμα περιελάμβανε συνολικά εννέα προνύμφες zebrafish και οι επακόλουθες αναλύσεις αποκάλυψαν ότι κάθε προνύμφη περιείχε περίπου 5 νευρώνες που εκφράζουν το Magneto.)

Σε ένα τελευταίο πείραμα, οι ερευνητές ένεσαν το Magneto στο ραβδωτό σώμα των ποντικιών που συμπεριφέρονται ελεύθερα, μια βαθιά δομή του εγκεφάλου που περιέχει νευρώνες που παράγουν ντοπαμίνη και εμπλέκονται στην ανταμοιβή και τα κίνητρα και στη συνέχεια έβαλαν τα ζώα σε μια συσκευή χωρισμένη σε μαγνητισμένα μη μαγνητισμένα τμήματα . Τα ποντίκια που εξέφραζαν το Magneto πέρασαν πολύ περισσότερο χρόνο στις μαγνητισμένες περιοχές από τα ποντίκια που δεν το έκαναν, επειδή η ενεργοποίηση της πρωτεΐνης προκάλεσε τους ραβδωτούς νευρώνες να το εκφράζουν να απελευθερώνουν ντοπαμίνη, έτσι ώστε τα ποντίκια να βρέθηκαν σε αυτές τις περιοχές ανταμείβοντας. Αυτό δείχνει ότι το Magneto μπορεί να ελέγξει εξ αποστάσεως την πυροδότηση νευρώνων βαθιά μέσα στον εγκέφαλο και επίσης να ελέγξει σύνθετες συμπεριφορές.

Ο νευροεπιστήμονας Steve Ramirez του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, ο οποίος χρησιμοποιεί την οπτογενετική για να χειραγωγεί τις αναμνήσεις στον εγκέφαλο των ποντικών, λέει ότι η μελέτη είναι « badass ».

«Προηγούμενες προσπάθειες [χρησιμοποιώντας μαγνήτες για τον έλεγχο της νευρωνικής δραστηριότητας] χρειάζονταν πολλά συστατικά για να λειτουργήσει το σύστημα - ένεση μαγνητικών σωματιδίων, έγχυση ενός ιού που εκφράζει ένα ευαίσθητο στη θερμότητα κανάλι, [ή] σταθεροποίηση του κεφαλιού του ζώου έτσι ώστε ένα πηνίο να μπορεί να προκαλέσει αλλαγές στο μαγνητισμό », εξηγεί. "Το πρόβλημα με το να έχουμε ένα σύστημα πολλών συστατικών είναι ότι υπάρχει πολύς χώρος για κάθε μεμονωμένο κομμάτι να σπάσει."

«Αυτό το σύστημα είναι ένας μοναδικός, κομψός ιός που μπορεί να εγχυθεί οπουδήποτε στον εγκέφαλο, γεγονός που το καθιστά τεχνικά ευκολότερο και λιγότερο πιθανό να σπάσουν τα κουδούνια και οι σφυρίχτρες», προσθέτει, «και ο εξοπλισμός συμπεριφοράς τους σχεδιάστηκε έξυπνα για να περιέχει μαγνήτες όπου χρειάζεται, ώστε τα ζώα να μπορούν να κινούνται ελεύθερα. "

Η «μαγνητογενετική» είναι επομένως μια σημαντική προσθήκη στο κιβώτιο εργαλείων των νευροεπιστημόνων, το οποίο αναμφίβολα θα αναπτυχθεί περαιτέρω και θα παρέχει στους ερευνητές νέους τρόπους μελέτης της ανάπτυξης και της λειτουργίας του εγκεφάλου.

Αναφορά

Wheeler, ΜΑ, et αϊ . (2016). Γενετικά στοχευμένος μαγνητικός έλεγχος του νευρικού συστήματος. Νατ. Neurosci ., DOI: 10.1038 / nn.4265 [ Περίληψη ]

The Gurdian

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου