Kontrola ćelija svetlošću

Svetlosni valovi koje cepa prizma

Gde god da pogledamo u prirodi, jedne promene utiču na druge. Svetlost je ključna komponenta životne sredine koja utiče na mnoge biološke procese, ona je uvek tu, oko nas, čak i kada se čini mračno! Svetlost je deo elektromagnetnog spektra .U vakuumu, vidljiva svetlost putuje brzinom od oko 299.792.458 metara u sekundi (m/s). To je najbrža brzina kojom se bilo šta u svemiru može kretati! Poređenja radi, brzina zvuka je samo približno 300 m/s.

elektromagnetni spektar- svetlost je talas električnih i magnetnih polja.

Pojedinačne vrste zavise od svetlosti bilo u razvoju,poput klijanja semena npr.( fotomorfogeneza), rasta ( fototropizam), ponašanju, npr. okretanje prema svetlosti ili suprotno, od svetlosti. Drugim rečima te vrste zaviseod svetlosti.

Značajan uticaj svetlosti na organizme potaknuli su naučnike da traže pristupe za kontrolu ćelijskih i molekularnih procesa pomoću svetlosti. Tehnike kontrole svetlosti su poslednjih godina revolucionisale preciznu manipulaciju na tim nivoima.Iako je tehnologija još uvek u fazi intenzivnog razvoja i kliničkih istraživanja, najviše obećava u mnogim područjima: selektivno uništavanje stanica raka bez mučnine i gubitka kose ( onkologija); vraćanje vida kod određenih vrsta slepoće aktivacijom živčanih stanica u oku pomoću svetla ( oftamologija); precizno upravljanje receptorima u mozgu za ublažavanje boli ili neuroloških poremećaja ( neurologija);uništavanje superbakterija na koži ili u ranama ( antimikrobna terapija).

Pogodan primer za manipulaciju svetlošću je fotogarmakologija, laboratorijski spravljena molekula-lek u koju je ugrađen takozvani fotoprekidač. Lek putuje kroz krvotok potpuno bezopasan za zdrava tkiva, ne deluje u "mraku", aktivira se isključivo usmeravanjem svetlosti određene valne duljine (npr. plavo ili UV svetlo) i tada fotoprekidač promeni svoj geometrijski oblik, lek "proradi" i počinje lečiti ciljano tkivo, na primer tumor.

Pojedini organizmi su razvili, tj. imaju specijalizovane fotoreceptivne proteine ​​(fotoreceptore) za regulaciju ćelijskih odgovora na svetlost i oni su upotrebljeni kao alat za manipulaciju.

OPTOGENETIKA

Optogenetika je kombinacija genetskih i optičkih metoda, ona radi na tehnologiji za isporuku svetlosti u tkiva, na ćelije od interesa.

Ove godine je nobelova nagrada za fiziologiju ili medicinu dodeljena naučnicima iz područja optogenetike.Peter Hegemann i Georg Nagel otkrili su izvanredan protein, kanalrodopsin, u jednoćelijskoj algi, dok je Karl Deisseroth transformisao protein u svetlošću kontrolisanom prekidaču za nervne ćelije. Optogenetika je temeljno promenila naše razumevanje funkcionisanja mozga.

"Koristeći svetlost, istraživači sada mogu uključivati ​​ili isključivati ​​pojedinačne neuronske krugove u mozgu. Mogu oživeti sećanja, stvoriti osećaje, pokrenuti ponašanja i proučavati vrste neurona koji su uključeni u različite psihijatrijske i neurološke poremećaje, poput depresije, anksioznosti, shizofrenije, Alzheimerove i Parkinsonove bolesti.

To pruža važne uvide u to kako nervni sistem interaguje sa različitim ćelijama u drugim delovima tela, kao što su srce, creva. Srčani ritam utiče na naše emocije - ako je srce prisiljeno raditi jače, to može pojačati osećaje teskobe; specifične ćelije u crevima mogu objasniti zašto neki ljudi radije jedu šećer, i na njih je moguće uticati.

U tekućim kliničkim ispitivanjima naučnici pokušavaju vratiti vid ljudima koji su oslepili zbog retinitis pigmentose, bolesti koja uništava štapiće i čunjiće oka. Kada su u mrežnicu slepe osobe umetnuli protein sličan kanal-rodopsinu, osoba je donekle povratila vid. Koristeći posebne naočale koje emituju svetlost, osoba je mogla razaznati i uhvatiti predmete na stolu.

Jednokomponentna optogenetika- početak istorije..

Određena istraživanja prethode optogenetici, ako nisu razvijena kao tehnologija kontrole,još sedamdesetih godina. Fundamentalni prelazak na optogenetiku započeo je 2005. godine.
Godine 1979, Fransis Krik je sugerisao da je glavni izazov sa kojim se suočava neuronauka potreba da se kontroliše jedna vrsta ćelija u mozgu, a da se druge ne pogode. Pošto se elektrode nisu mogle koristiti za precizno ciljanje određenih ćelija, a lekovi su delovali presporo, Krik je kasnije spekulisao da svetlost može imati potencijal da posluži kao alat za kontrolu, ali u to vreme neuronaučnici nisu imali jasnu strategiju za stvaranje ćelija osetljivih na svetlost.

I pre 40 godina, mikrobni biolozi su znali da neki mikroorganizmi proizvode proteine kontrolisane vidljivom svetlošću koji direktno regulišu protok jona kroz plazma membranu. Godine 1971, Stekenijus i Esterhelt su otkrili da bakteriorodopsin deluje kao jonska pumpa koja se može brzo aktivirati fotonima vidljive svetlosti. I ova originalna tema iz 1971. godine o kontroli jednog gena i jedne komponente nastavila se kasnijom identifikacijom drugih članova ove porodice: halorodopsina 1977. godine od strane Macuno-Jagija i Mukohate 5 i kanalrodopsina 2002. godine od strane Hegemana, Nagela i kolega.

Ali, neuronaučnicima je trebalo više od 30 godina da spoje dve oblasti jer se smatralo da je takav pristup veoma malo verovatan za uspeh. Izveštaj iz avgusta 2005. godine opisao je da su, nakon uvođenja gena mikrobnog opsina bez ikakvih drugih delova, hemikalija ili komponenti, neuroni postali precizno osetljivi na svetlost.Tokom sledeće godine usledilo je nekoliko dodatnih izveštaja, a do 2010. godine pokazano je da kanalorodopsin, bakteriorodopsin i halorodopsin mogu brzo i pouzdano da uključuju ili isključuju neurone kao odgovor na različite boje svetlosti.

U budućnosti, primena ovih i drugih alata na tkiva i sisteme u biologiji postat će glavna tema. Takvi alati su već primenjeni na neneuronske sisteme, uključujući glialne, mišićne, srčane i embrionalne matične ćelije. Vremenska preciznost svetlosti može i dalje biti ključna, različite brzine rada su potrebne za različite ćelije i tkiva; na primer, srčana optogenetika ne mora uvek zahtevati preciznost alata na milisekundnoj skali koji se koriste u neuronima centralnog nervnog sistema sa brzim impulsima jer srce na neki način funkcioniše na sporijim vremenskim skalama. Uoošte, odredeni optogenetski alati su prikladni za odabrano ciljno tkivo, s obzirom na električnu ili biohemijsku efektorsku funkciju, brzinu i druga svojstva.

Važnost optogenetike kao istraživačkog alata nastavlja brzo rasti i sada se koristi u više od 800 laboratorija širom sveta. U tom kontekstu, intrigantno je primetiti da je mikrobni opsin poboljšan membranskim transportom nedavno dostavljen u živo ljudsko nervno tkivo ( ex vivo mrežnjaču) sa snažnom optogenetskom funkcionalnošću . Najfundamentalniji uticaj optogenetike momentalni, čak i na ljudsko zdravlje, ne proizlazi iz direktnog unošenja opsina u ljudsko tkivo, već iz upotrebe kao istraživačkog alata za sticanje uvida u složenu funkciju tkiva. Još mnogo toga predstoji, uključujući unapređenje genomskog širenja optogenetskih alata, usavršavanje molekularnog inženjeringa za optimizovanu funkcionalnost i razvoj strategija svetlosnog i genetskog ciljanja za različite biološke sisteme i životinjske modele. 

Izvor 1

Izvor 2