Учёные, выяснившие, как управлять клетками мозга с помощью света, стали лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине этого года. Карл Дайссерот, Петер Хегеман и Георг Нагель удостоены награды за исследования «светочувствительных ионных каналов и оптогенетики».
Петер Хегеман из Берлинского университета имени Гумбольдта и Георг Нагель из Вюрцбургского университета хотели понять, как крошечная одноклеточная водоросль хламидомонада (Chlamydomonas) воспринимает свет. Восприятие света свойственно не только животным с глазами: организмы по всему живому миру используют свет, чтобы определять, что их окружает, и реагировать на изменения среды. Даже у одноклеточных организмов есть белки, реагирующие на свет. Они помогают двигаться к свету или от него, вырабатывать энергию и приспосабливаться к разным требованиям 24-часового дня.
Хегеман и Нагель обнаружили, что у хламидомонады есть удивительно изобретательный механизм восприятия света, основанный на одном-единственном белке — канальном родопсине (channelrhodopsin).
Канальный родопсин встроен во внешнюю мембрану клетки водоросли. Одна часть белка обращена к воде снаружи клетки, а другая — внутрь. В состав белка также входит небольшая молекула ретиналь (retinaldehyde), способная поглощать свет.
Когда свет попадает на ретиналь внутри канального родопсина, тот меняет форму. Это заставляет изменить форму и сам белок. В результате в клеточной мембране открывается крошечный проход. Положительно заряженные частицы, в том числе натрий, могут тогда перетекать из воды снаружи в клетку водоросли. Это движение заряженных частиц посылает внутри водоросли сигнал, помогающий ей плыть.
Как здорово, что удалось решить такой интересный биологический вопрос, но при чём тут Нобелевская премия по физиологии и медицине? Ответ кроется в том, как работают нервные клетки. Нервные клетки управляют своей активностью с помощью перемещения заряженных частиц (так называемых ионов) через мембрану. Когда положительно заряженные частицы поступают в нервную клетку, это может повысить её активность.
Исследователи поняли: если встроить канальный родопсин в нервные клетки, их, возможно, удастся включать, просто направив на них свет. Именно это и сделали Хегеман, Нагель и третий лауреат Нобелевской премии Карл Дайссерот — психиатр и биоинженер из Стэнфордского университета в Калифорнии.
Способность управлять нервными клетками с помощью света называется оптогенетикой. Она стала мощным инструментом исследований, потому что с её помощью учёные могут включать и выключать определённые группы нервных клеток и смотреть, что при этом происходит.
Сначала учёные доставляют ген канального родопсина в нервные клетки, которые хотят изучить. Обычно ген переносит в клетки вирус, изменённый так, чтобы он не вызывал болезней. Затем клетки производят белок канальный родопсин, благодаря которому начинают реагировать на свет.
У животных, например мышей, свет можно направлять в мозг через тонкое оптическое волокно. Когда свет достигает клеток, канальный родопсин открывается, и клетки становятся активными. Соседние нервные клетки, в которых этого белка нет, остаются незатронутыми.
Свет можно направить на очень небольшой участок мозга и включать и выключать чрезвычайно быстро. Благодаря этому оптогенетика — мощный способ изучать работу мозга. Например, если учёные хотят узнать, участвует ли определённая группа нервных клеток в памяти, сне, ощущениях или движении, они могут включить эти клетки светом и посмотреть, что произойдёт.
В одном из экспериментов 2012 года группа из Массачусетского технологического института подвергла мышей слабому удару током в определённой клетке. С помощью оптогенетики исследователи пометили нервные клетки в центре памяти мозга, которые были активны во время этого эксперимента по формированию условного рефлекса страха. Через несколько дней в другой клетке они включили эти нейроны светом. Мыши замерли от страха, как будто помнили об ударе током.
Мыши, которых током не били, не замирали, что показало: свет вновь активирует конкретное воспоминание. Дайссерот был одним из авторов исследования.
Оптогенетика изменила возможности учёных в изучении работы мозга и нервной системы. Возможно, у неё есть будущее и как метода лечения. Оптогенетика уже проходит ранние клинические испытания у людей с дегенерацией сетчатки. В этих испытаниях исследователи вводят светочувствительные белки в нервные клетки, оставшиеся в сетчатке после гибели клеток, которые обычно воспринимают свет, — палочек и колбочек. Это может сделать уцелевшие клетки чувствительными к свету и вернуть часть зрения.
Исследователи также изучают, можно ли в будущем применять оптогенетику для лечения неврологических заболеваний, в том числе болезни Паркинсона и эпилепсии.
