Μια έρευνα που ξεκίνησε από ένα μικροσκοπικό φύκι και τον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβάνεται το φως, οδήγησε στο φετινό Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής. Οι επιστήμονες Καρλ Ντάιζεροτ, Πίτερ Χέγκεμαν και Γκέοργκ Νάγκελ τιμήθηκαν χθες (5/10) με το φετινό Νόμπελ για την πρωτοποριακή τους έρευνα στην οπτογενετική και τις ανακαλύψεις τους στα φωτοευαίσθητα κανάλια ιόντων.
Η ανίχνευση του φωτός, ωστόσο, δεν αποτελεί αποκλειστικό χαρακτηριστικό των ζώων που διαθέτουν μάτια. Οργανισμοί σε ολόκληρο τον ζωντανό κόσμο χρησιμοποιούν το φως για να αντιλαμβάνονται το περιβάλλον τους και να ανταποκρίνονται στις αλλαγές του. Ακόμη και οι μονοκύτταροι οργανισμοί διαθέτουν πρωτεΐνες που αντιδρούν στο φως. Οι πρωτεΐνες αυτές τους επιτρέπουν να κινούνται προς ή μακριά από το φως, να παράγουν ενέργεια και να ανταποκρίνονται στις διαφορετικές απαιτήσεις ενός 24ώρου.
Ο Χέγκεμαν και ο Νάγκελ ανακάλυψαν ότι το μονοκύτταρο πράσινο φύκι Chlamydomonas διαθέτει έναν ιδιαίτερα έξυπνο μηχανισμό ανίχνευσης του φωτός, ο οποίος βασίζεται σε μία μόνο πρωτεΐνη που ονομάζεται καναλοροδοψίνη (channelrhodopsin). Η πρωτεΐνη αυτή βρίσκεται ενσωματωμένη στην εξωτερική μεμβράνη του κυττάρου του φυκιού. Η συγκεκριμένη πρωτεΐνη περιέχει επίσης ένα μικρό μόριο που ονομάζεται ρετιναλδεΰδη, το οποίο έχει την ικανότητα να απορροφά το φως.
Όταν το φως προσπίπτει στην ρετιναλδεΰδη που βρίσκεται στο εσωτερικό της καναλοροδοψίνης, αυτή αλλάζει σχήμα. Η αλλαγή αυτή προκαλεί το άνοιγμα ενός μικροσκοπικού διαύλου στη μεμβράνη του κυττάρου. Θετικά φορτισμένα σωματίδια, μεταξύ των οποίων και ιόντα νατρίου, μπορούν τότε να περάσουν από το νερό στο εξωτερικό του φυκιού προς το εσωτερικό του κυττάρου. Η κίνηση αυτών των φορτισμένων σωματιδίων στέλνει ένα σήμα στο εσωτερικό του οργανισμού και τον βοηθά να κολυμπήσει.
Πρόκειται για μια σημαντική ανακάλυψη στη βιολογία, αλλά γιατί οδήγησε σε Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής; Η απάντηση βρίσκεται στον τρόπο λειτουργίας των νευρικών κυττάρων. Τα νευρικά κύτταρα χρησιμοποιούν την κίνηση φορτισμένων σωματιδίων, τα λεγόμενα «ιόντα», μέσα από τις κυτταρικές τους μεμβράνες για να ελέγχουν τη δραστηριότητά τους. Η είσοδος θετικά φορτισμένων σωματιδίων στο νευρικό κύτταρο μπορεί να ενισχύσει τη δραστηριότητά του και να το ενεργοποιήσει.
Ενεργοποιώντας τα νευρικά κύτταρα με φως
Η δυνατότητα ελέγχου των νευρικών κυττάρων με τη χρήση φωτός ονομάζεται οπτογενετική. Η τεχνική έχει εξελιχθεί σε ένα ισχυρό ερευνητικό εργαλείο, καθώς επιτρέπει στους επιστήμονες να ενεργοποιούν και να απενεργοποιούν συγκεκριμένες ομάδες νευρικών κυττάρων και να παρατηρούν τι συμβαίνει.
Αρχικά, οι επιστήμονες εισάγουν στα νευρικά κύτταρα που θέλουν να μελετήσουν, το γονίδιο της καναλοροδοψίνης. Το γονίδιο μεταφέρεται συνήθως στα κύτταρα μέσω ενός ιού που έχει τροποποιηθεί έτσι ώστε να μην μπορεί να προκαλέσει ασθένεια. Τα κύτταρα παράγουν στη συνέχεια την πρωτεΐνη, με αποτέλεσμα να γίνονται ευαίσθητα στο φως.
Σε ζώα όπως τα ποντίκια, οι επιστήμονες μπορούν να διοχετεύσουν φως στον εγκέφαλο μέσω μιας λεπτότατης οπτικής ίνας. Όταν το φως φτάσει στα κύτταρα, η καναλοροδοψίνη ανοίγει και τα κύτταρα ενεργοποιούνται. Τα γειτονικά νευρικά κύτταρα που δεν περιέχουν την πρωτεΐνη δεν επηρεάζονται.
Το φως μπορεί να κατευθυνθεί σε μια πολύ μικρή περιοχή του εγκεφάλου και να ενεργοποιηθεί ή να απενεργοποιηθεί εξαιρετικά γρήγορα. Αυτό καθιστά την οπτογενετική ένα ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη του τρόπου λειτουργίας του εγκεφάλου. Για παράδειγμα, εάν οι επιστήμονες θέλουν να διαπιστώσουν εάν μια συγκεκριμένη ομάδα νευρικών κυττάρων εμπλέκεται στη μνήμη, στον ύπνο, στην αντίληψη των αισθήσεων ή στην κίνηση, μπορούν να ενεργοποιήσουν αυτά τα κύτταρα με φως και να παρατηρήσουν τι συμβαίνει.
Σε ένα πείραμα του 2012, ερευνητική ομάδα του MΙΤ υπέβαλε ποντίκια που βρίσκονταν μέσα σε ένα κλουβί, σε ένα ήπιο ηλεκτρικό σοκ. Με τη βοήθεια της οπτογενετικής, οι επιστήμονες εντόπισαν και «σημάδεψαν» τα νευρικά κύτταρα του κέντρου μνήμης του εγκεφάλου που ενεργοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια του πειράματος πρόκλησης φόβου. Μέρες αργότερα, μετέφεραν τα ποντίκια σε διαφορετικό κλουβί και ενεργοποίησαν τα συγκεκριμένα κύτταρα με φως. Τα ποντίκια «πάγωσαν» από φόβο, σαν να θυμούνταν το ηλεκτρικό σοκ. Αντίθετα, τα ποντίκια που δεν είχαν υποστεί το ηλεκτρικό σοκ δεν αντέδρασαν με τον ίδιο τρόπο. Αυτό σημαίνει ότι το φως ενεργοποίησε μια συγκεκριμένη μνήμη.
Από την έρευνα στη θεραπεία
Η τεχνική ενδέχεται στο μέλλον να αξιοποιηθεί και ως θεραπευτική μέθοδος. Η οπτογενετική αξιοποιείται ήδη σε πρώιμα στάδια κλινικών δοκιμών για ανθρώπους με εκφύλιση του αμφιβληστροειδούς. Στις δοκιμές αυτές, οι ερευνητές εισάγουν φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες σε νευρικά κύτταρα που παραμένουν στον αμφιβληστροειδή μετά την απώλεια των κυττάρων που ανιχνεύουν φυσιολογικά το φως, δηλαδή των ραβδίων και των κωνίων. Με αυτόν τον τρόπο, τα κύτταρα που έχουν απομείνει μπορούν να ανταποκριθούν στο φως και να αποκατασταθεί εν μέρει η όραση.
Οι ερευνητές εξετάζουν επίσης εάν η οπτογενετική θα μπορούσε στο μέλλον να χρησιμοποιηθεί για την αντιμετώπιση νευρολογικών παθήσεων, όπως η νόσος του Πάρκινσον και η επιληψία.
Πηγή: Medicalxpress
Κάνε like στη σελίδα μας στο Facebook
Ακολούθησε μας στο Twitter
Κάνε εγγραφή στο κανάλι μας στο Youtube
Γίνε μέλος στο κανάλι μας στο Viber
– Αναφέρεται ως πηγή το ertnews.gr στο σημείο όπου γίνεται η αναφορά.
– Στο τέλος του άρθρου ως Πηγή
– Σε ένα από τα δύο σημεία να υπάρχει ενεργός σύνδεσμος