Люминесценция помогает ученым изучать работу отдельных нейронов мозга животных
Виды живых организмов, способных люминесцировать, встречаются не так уж и редко. Это и светлячки, бактерии, и медузы с червями, не говоря уже о глубоководных рыбах и других животных. Люминесценция помогает этим организмам привлекать добычу, общаться или просто освещать пространство рядом с собой. Команде ученых из Университета Вандербильдта удалось поставить люминесценцию себе на службу. Ученые получили генетически модифицированную форму энзима, вызывающего биолюминесценцию клеток тела и с его помощью «научили» светиться клетки мозга.
Цель проекта — обеспечить биолюминесценцию нейронов мозга во время их работы. Это, по мнению ученых, позволяет лучше понять принцип работы мозга простых организмов, что может привести и к пониманию принципов работы мозга более сложноорганизованных животных.
Современные ученые уже имеют в своем распоряжении технологии для отслеживания отдельных нейронов мозга. Но у этих технологий есть ряд ограничений. Например, с их помощью можно отслеживать работу лишь определенного количества нейронов. А в мозге человека их более 86 миллиардов, так что существующие электрофизиологические методы не позволяют вести наблюдение одновременно за работой всех отделов этого сложного органа. Возможно, модифицированная люцифераза поможет решить эту проблему уже в ближайшем будущем.
Команда исследователей опубликовала результаты своей работы в издании Nature Communications. Основа — предыдущие результаты исследований специалистов в области люминесценции (команда ранее изучала одноклеточную водоросль хламидомонаду) и оптогенетики.
Оптогенетика — методика исследования работы нервных клеток, которая основана на внедрении в их мембрану специальных каналов — опсинов, реагирующих на возбуждение светом. Для экспрессии каналов используются методы генной инженерии. Для последующей активации либо приостановки активности нейронов и их сетей используются лазеры, оптоволокно и другая сложная оптическая аппаратура. Оптогенетика появилась в 2005 году. Тогда ученые впервые использовали такой опсин, как каналродопсин-2 (channelrhodopsin-2, ChR2).
Оптогенетика позволяет не только охватить в наблюдении большее количество нейронов, чем в случае работы с электрофизиологических методов изучения нейронных сетей. Также она открывает возможность высокоселективной активации или подавления определенных нейрональных связей. Специалисты говорят, что это поможет проводить эффективную терапию болезни Паркинсона, депрессии, тревожности и эпилепсии. В случае применения методов оптогенетики ученые обычно работают с флуоресценцией.
По мнению профессора биологии Карла Х. Джонсона (Carl H. Johnson), возглавляющего исследование, биолюминесценцию стоит использовать вместо флуоресценции. «Свет, который генерируется флюоресцирующими клетками, подавляется освещением, необходимым для наблюдения. Люминесценция же работает в темноте», заявил ученый. Проблема еще и в том, что флуоресцентный материал не так просто ввести во все интересующие ученых отделы мозга, учитывая необходимость внедрения его в каждый отдельно взятый нейрон.
Поэтому ученые нашли другой подход. Они взяли люциферазу из организма люминесцирующего вида креветок, и генетически его модифицировали таким образом, что световая активность люциферазы стала проявляться при наличии молекул кальция. Концентрация кальция довольно высока в нейронах, но, в то же время, этого элемента мало вне клеток мозга. Когда нейрон получает сигнал, концентрация кальция становится максимальной, что приводит к люминесценции задействованной клетки. Модифицированный фермент удалось прикрепить к клеткам мозга благодаря вирусу. С его помощью ученые внедрили фермент в сенсор кальция, введя его внутрь нейрона.
Люминесценция отдельных нейронов стала возможной благодаря использованию генетически модифицированного фермента (Источник: Johnson Lab/Vanderbilt University)
Пока что новая технология отрабатывается на нейронах, выращенных в лаборатории, а также на срезах гиппокампа мозга мышей. На подготовку люминесцирующей пробы необходимо три недели. И в том, и в другом случае нейроны начинали люминесцировать при получении электрического сигнала, приводящего к повышению концентрации кальция. Успех ученых обусловлен еще и тем, что недавно была создана новая люцифераза, получившая название NanoLuc.
«Мы показали, что наша технология работает», — заявил Джонсон. «Теперь нам нужно определить, насколько она чувствительна. Мы считаем, что новый метод достаточно точен для того, чтобы определять активизацию отдельных нейронов, но для того, чтобы убедиться в этом, нам необходимо провести дополнительные тесты».
Исследователи разместили информацию о генетически модифицированном ферменте на ресурсе AddGene. Доступ к этой информации — свободный.
