Нобелевскую премию по физиологии и медицине присудили за открытие светочувствительных каналов и развитие оптогенетики

В этом году лауреатами премии стали Карл Дейссерот из США, Петер Хегеманн и Георг Нагель из Германии. Они обнаружили белки, которые управляются при помощи света, и использовали их для активации клеток. Сегодня этот принцип лежит в основе терапии, которая возвращает зрение людям с наследственными заболеваниями сетчатки.

Георгий Носов, научный сотрудник группы «Молекулярные нейроинтерфейсы» LIFT, рассказал, как свет помогает управлять нейронами, о применении оптогенетики в медицине, ее ограничениях и термогенетике, где вместо света работает тепло:

Оптогенетика основана на том, что мы берем ген светочувствительного белка (неважно из какого источника – им может быть бактерия, водоросль или животное) и доставляем его в клетки, которые сами по себе не являются чувствительными к свету. Одним из интереснейших объектов для изучения при помощи этой технологии являются нервные клетки. Сами по себе нейроны как правило на свет не реагируют. Но, доставив светочувствительные белки, можно научиться управлять ими при помощи световых импульсов: если доставить в мембрану клетки канал для натрия – в ответ на вспышку нейрон будет возбуждаться, если канал для хлора – наоборот, мы подавим ему активность в ответ на освещение.

В мозге огромное число нервных клеток, которые расположены близко друг к другу. Благодаря контролю на генетическом уровне мы можем сделать чувствительными к свету только некоторые из них. Когда мы контролируем доставку белков генетически, мы можем активировать только нейроны отвечающие, например, за чувство сытости или агрессию.

Представим, как это выглядит в опыте. Допустим, у нас есть лабораторная мышь, в мозге которой есть такие светочувствительные белки, и они расположены в нейронах, отвечающих за агрессивное поведение. К ее черепу подведено оптоволокно для возможности стимулировать эти белки. Мышь сидит в клетке и мирно чистит свою шерсть, но как только вы включите свет через оптоволокно – мышь яростно бросится на вас или на сородичей. Когда мы выключим свет – мышь вернется к чистке шерсти, и агрессии как не бывало.

Таким образом можно находить связи между нейронами и управлять ими. Ввели в одну группу нейронов светочувствительный белок, посветили, увидели ответ в другой части мозга – понятно, связь установлена. Так ученые не только картируют мозг, но и изучают процессы формирования памяти, сна и бодрствования, моделируют различные заболевания. Кроме того, оптогенетика уже находит свое применение в медицине. Используя доставку светочувствительных белков в сетчатку можно вернуть зрение при ряде патологий. А доставляя их в мозг, можно обеспечит стимуляцию тех или иных зон, подведя к ним только тонкое оптоволокно.

В последнее время также активно развивается оптогенетика внутриклеточных органелл. Используя светочувствительные белки, можно менять активность не только целой клетки, но и отдельных ее внутриклеточных компонентов. Так можно, например, можно управлять потенциалом митохондрий, кислотностью лизосом и загрузкой нейромедиаторов в синаптические везикулы.

Георгий Носов также рассказал о термогенетике – области, в которую LIFT активно развивает совместно с коллегами из ИБХ РАН:

Но тут нельзя не упомянуть и об ограничениях оптогенетики. Когда мы используем светочувствительные молекулы для стимуляции каких-то зон в мозге, приходится подводить к ним оптоволокно практически вплотную, что делает подобную операцию хоть и «мало-», но все-таки «инвазивной». А доставка инородных белков из водорослей может вызвать отторжение со стороны иммунной системы.

Преодолеть ограничения оптогенетики сможет другая область науки – термогенетика, где для активации клеток используются не свето-, а термочувствительные белки. Для адресной активации таких молекул нет нужды в оптоволокне, более того, можно использовать молекулы, идентичные тем, что содержатся в организме пациента – это устраняет любые проблемы со стороны иммунной системы. Первенство в этой отрасли принадлежит российским ученым – первая работа по термогенетике вышла под руководством Всеволода Белоусова, который в настоящее время возглавляет группу «Молекулярные нейроинтерфейсы» LIFT.