Optogenetik Teknolojiler Nasıl Çalışır?

Optogenetik Teknolojiler Nasıl Çalışır?

Işık kontrolünün daha önce geliştirilmiş deneysel yöntemlerinden farklı olarak, optogenetik, araştırmacıların canlı, serbestçe hareket eden hayvanlarda dikkat çekici bir hassasiyet ve çözünürlük (tek tek hücrelere veya hatta hücre bölgelerine) ile hücreleri açmak veya kapatmak için ışığı kullanmasını sağlar. Sonuç olarak, hayvanlarda korku veya acıyı tetikleme veya engelleme gibi spesifik davranışları kontrol etmek için kullanılabilir. Yanıtlar, aynı zamanda bireysel hücrelerin bu davranışlara olan katkılarını da ortaya çıkarmaktadır.

Optogenetik, 2004’ten 2009’a kadar olan süreçte geliştirildi. Dünya çapında binlerce laboratuvarda araştırmacılar daha sonra optogenetik kullanmaya başladılar ve binlerce bilimsel bulgu, özellikle sinirbilim alanında değil, aynı zamanda diğer alanlarda da yayınlandı. Gerçekten de, optogenetik sadece beyin değil, aynı zamanda kalp dokusu, kök hücreler ve organizmaların gelişmesi için de kullanılmıştır.

Optogenetik Teknolojileri

Optogenetik teknolojisi birkaç adımda çalışır. İlk olarak, tek hücreli organizmalardan (örneğin, belirli alg ve bakteri ) gelen özel genler, hayvanlarda (tipik olarak fareler) spesifik davranışları incelemek için araçlar olarak kullanılmak üzere uyarlanmıştır. Mikrobiyal opsinler olarak bilinen bu tek genler, ışığa duyarlı iyon kanalları veya pompalar olarak işlev gören, yüklü iyonların hareketini yönlendirerek hücrelerde elektrik akımı üretimini aktive eden veya inhibe eden proteinler üretir.ışığa tepki olarak hücre zarı boyunca (örneğin, protonlar veya klorür iyonları). İkincisi, opsin genlerini belirli hücrelere hedeflemek için gelişmiş genetik araçlar kullanılır. Hedefleme, genlerin ürünlerinin (opsin proteinleri) sadece belirli hücre türlerinde yapılmasını sağlar. Örneğin, beyindeki opsin genlerini almayı hedeflemeyen hücreler, opsin proteinleri üretmeyecektir; Böylece, hedeflenmemiş beyin hücreleri doğrudan ışığa karşı tepkisiz kalacaktır. Üçüncüsü, gelişmiş optikler, belirli doku bölgelerinde veya hücrelerinde ışığın tam zamanlı atımlarını hedeflemek için kullanılır. İdeal olarak, bu deney konusu bir ilgi davranışı yürütürken gerçekleştirilir. Işık darbeleri, opsin genlerini uyarır, bu da hedeflenen hücrelerde elektrik akımının üretilmesine neden olur. Kullanılan opsin türüne bağlı olarak, elektrik akımı ya aktive olur ya dahedeflenen hücreleri engeller. Araştırmacılar, hücrelerdeki belirli elektriksel aktivite türlerinin ilginin davranışını üretip üretmediğini ve eğer öyleyse nasıl yaptıklarını belirleyebilir.

Doğada birçok mikrobik opsin keşfedilmiştir ve bunların bazıları laboratuarda genetik olarak yapılandırılmıştır. Bilim adamları ayrıca yeni opsinleri başarılı bir şekilde sentezlemiştir. Tasarlanmış ve sentezlenmiş opsinler, doğal olarak oluşan benzerlerinden daha hızlı veya daha yavaş olacak şekilde tasarlanmıştır ve farklı iyon iletkenlik özelliklerine veya farklı renk (ışık dalga boyu) duyarlılığına sahip olabilir. Doğal olarak oluşan bakteriohodopsinler (protonları hücrenin dışına taşırlar) ve doğal olarak oluşan klorhodopsinler (klorür iyonlarını hücreye taşırlar) sinir sistemlerinde inhibitördür. Bu opsinlerin her ikisi de pompalardır (kimyasal veya elektriksel degradelere karşı iyonları hareket ettirmek için enerjiye ihtiyaç duyarlar) ve ürettikleri elektrik akımları nöronları zorlaştırır.ateş etmek Tersine, doğal olarak ortaya çıkan kanalrhodopsinler – ki bunların isminden de anlaşılacağı gibi, kanallar (pozitif yüklü iyonların opsin gözeneği içinden serbestçe akmasına izin verir) – çoğunlukla uyarıcıdır.

İnhibitör opsin kanalları ışık kontrolünün en hızlı ve en hassas aracı olduğu için, bir inhibitör kanalrhodopsin bulmak veya yaratmak için yoğun çaba sarf edildi. Kanalrhodopsin’in yüksek çözünürlüklü kristal yapısının elde edildiği 2012’de önemli bir atılım gerçekleşti ; Bu yapının bilinmesi, bilim adamlarının, inhibitör klorür ileten bir kanal oluşturmak için opsin kanal gözeneklerini denetlemelerine olanak sağlamıştır. Biyokimyasal kontrol (elektrik kontrolü yerine) da mümkündür. 2009’dan itibaren, optogenetikler spesifik biyokimyasal olayların kontrolüne genişletildi, böylece herhangi bir hücre tipinin optogenetik kontrolüne kapı açıldı.

Işık iletimi genellikle derin beyin yapıları içinde çok yönlülük hücre tipleriyle (tek tek hücrelere zıt olarak) hedef alabilen bir fiber optik arayüzle elde edilir. Diğer ışık rehberlik stratejileri, tek hücrelerin yaşayan, sağlam memeli beyninde hedeflenmesini sağlar; Bu gibi yöntemler gelişmiş optiklere dayanır (örneğin, holografik teknikler ve güçlü lazerler). Bununla birlikte, çok sayıda tek tek belirtilen hücrelerin hedeflenmesiyle ilişkili ışık-güç gereksinimleri bir dezavantaj olabilir. Hücre türlerinin optojenetik kontrolü için en yaygın yöntemler (ör., Fiber optik arayüzler), nispeten basit ve ucuzdur ve virüsler gibi biyolojik materyalleri kullanan genetik opsin-hedefleme yöntemleri ile birlikte yaygın olarak kullanılır. Hedeflenen popülasyonlarda opsin üretimini mümkün kılmak.

Optogenetik Uygulamaları

Optogenetik yöntemler, davranış ve fizyolojide çok çeşitli sorulara uygulanmış, hareket, seyrüsefer, öğrenme, hafıza, metabolizma, açlık, susama, solunum, uyku, tansiyon, ödül, motivasyon, korku ve duyusal süreç hakkında bilgi vermiştir. Epilepsi, Parkinson hastalığı, Huntington hastalığı, inme, kronik ağrı, obsesif kompulsif bozukluk, uyuşturucu bağımlılığı, depresyon, sosyal işlev bozukluğu ve anksiyete gibi durumlarla ilişkili hücresel aktivitelere ışık tutmaya yardımcı olan klinik olarak yapılmış keşifler de yapılmıştır.. Örneğin, optogenetikler, beyindeki hangi hücrelerin ve bağlantıların, solunumsal oran değişiklikleri ve risk kaçınma dahil olmak üzere, farklı bir davranışsal duruma kaygı oluşturan anksiyetenin farklı özelliklerini tanımlamak ve birleştirmek için önemli olduğunu belirlemeyi mümkün kılmıştır. Bir araştırma aracı olarak optogenetiğin ortaya çıkışı, ABD’de 2013 yılında başlatılan Yenilikçi Nöroteknolojiler (BRAIN) İnisiyatifi ile Beyin Araştırması da dahil olmak üzere geniş çaplı ulusal ölçekli beyin araştırma projelerine ivme kazandırdı.