Genetskim inženjeringom modificiran protein “Magneto” daljinski kontrolira mozak i ponašanje

Nova metoda koristi magnetizirani protein za brzo, reverzibilno i neinvazivno aktiviranje moždanih stanica

Istraživači iz Sjedinjenih američkih država razvili su novu metodu za kontrolu moždanih krugova povezanih sa složenim životinjskim ponašanjem, koristeći genetski inženjering za stvaranje magnetiziranog proteina koji iz daljine aktivira određene skupine živčanih stanica.

Razumjeti kako mozak generira ponašanje jedan je od krajnjih ciljeva neuroznanosti – i jedno od najtežih pitanja. Posljednjih godina istraživači su razvili niz metoda koje im omogućavaju daljinsko upravljanje određenim skupinama neurona i ispitivanje rada neuronskih krugova.

Najsnažnija od njih je metoda koja se naziva optogenetika, a koja omogućava istraživačima da uključe ili isključe populacije srodnih neurona na vremenskoj skali od milisekunde do milisekunde pomoću impulsa laserskog svjetla. Druga nedavno razvijena metoda, nazvana kemogenetika, koristi konstruirane proteine ​​koji se aktiviraju dizajnerskim lijekovima i mogu ciljati na određene tipove stanica.

Iako su moćne, obje metode imaju nedostatke. Optogenetika je invazivna, zahtijeva umetanje optičkih vlakana koja dovode svjetlosne impulse u mozak, a osim toga, opseg do kojeg svjetlost prodire u gusto tkivo mozga ozbiljno je ograničen. Kemogenetski pristup prevladava oba ova ograničenja, ali obično inducira biokemijske reakcije kojima treba nekoliko sekundi da aktiviraju živčane stanice.

Nova tehnika, razvijena u laboratoriju Ali Gülera na Sveučilištu Virginia u Charlottesvilleu, opisana u prethodno objavljenoj internetskoj publikaciji u časopisu Nature Neuroscience, nije samo neinvazivna, već također može brzo i reverzibilno aktivirati neurone.

Nekoliko ranijih studija pokazalo je da se proteini živčanih stanica koji se aktiviraju toplinom i mehaničkim tlakom mogu genetskim inženjeringom modificirati tako da postanu osjetljivi na radio valove i magnetska polja, pričvršćujući ih na protein koji pohranjuje željezo zvan feritin ili na anorganske paramagnetske čestice. Ove metode predstavljaju važan napredak – one su se, na primjer, već koristile za regulaciju razine glukoze u krvi kod miševa – ali uključuju više komponenti koje se moraju uvesti odvojeno.

Nova tehnika igrađena na ovom ranijem radu, temelji se na proteinu nazvanom TRPV4, koji je osjetljiv i na temperaturu i na sile istezanja. Ti podražaji otvaraju njegovu središnju poru, dopuštajući električnoj struji da prolazi kroz staničnu membranu; ovo potiče živčane impulse koji potom putuju u leđnu moždinu, a zatim do mozga.

Güler i njegovi kolege zaključili su da bi sile magnetskog momenta (ili rotacije) mogle aktivirati TRPV4 otvaranjem njegove središnje pore, pa su genetskim inženjeringom stopili protein u paramagnetsko područje feritina, zajedno s kratkim sekvencama DNA koje signaliziraju stanici da transportira bjelančevine na membranu živčanih stanica i ubacuju ih u nju.

Kad su uveli ovaj genetski konstrukt u stanice bubrega ljudskog embria koje rastu u Petrijevim zdjelicama, stanice su sintetizirale protein ‘Magneto’ i umetnule ga u svoju membranu. Primjena magnetskog polja aktivirala je konstruirani protein TRPV1, o čemu svjedoče privremena povećanja koncentracije kalcijevih iona unutar stanica, koja su otkrivena fluorescentnim mikroskopom.

Kad su uveli ovaj genetski konstrukt u stanice embrionalnog bubrega koje rastu u Petrijevim zdjelicama, stanice su sintetizirale protein ‘Magneto’ i umetnule ga u svoju membranu. Primjena magnetskog polja aktivirala je konstruirani protein TRPV1, o čemu svjedoče privremena povećanja koncentracije kalcijevih iona unutar stanica, koja su otkrivena fluorescentnim mikroskopom.

Istraživači su zatim umetnuli sekvencu Magneto DNA u genom virusa, zajedno s genom koji kodira zeleni fluorescentni protein i regulatorne sekvence DNA zbog kojih se konstrukt eksprimira samo u određenim vrstama neurona. Zatim su ubrizgali virus u mozak miševa, ciljajući entorinalni korteks, i secirali mozak životinja kako bi identificirali stanice koje emitiraju zelenu fluorescenciju. Koristeći mikroelektrode, tada su pokazali da je primjena magnetskog polja na moždane opne aktivirala Magneto tako da stanice proizvode živčane impulse.

Da bi utvrdili može li se Magneto koristiti za manipulaciju neuronskom aktivnošću živih životinja, ubrizgali su Magneto u ličinke zebra ribe, ciljajući neurone u trupu i repu koji obično kontroliraju odgovor na bijeg. Zatim su ličinke zebra ribe smjestili u posebno izgrađeni magnetizirani akvarij i otkrili da je izlaganjem magnetskim poljima inducirano namotavanje, slično onome koje se javlja tijekom reakcije na bijeg. (U ovom je eksperimentu sudjelovalo ukupno devet ličinki zebrica, a naknadne analize otkrile su da svaka ličinka sadrži oko 5 neurona koji izražavaju Magneto.)

U jednom posljednjem eksperimentu, istraživači su ubrizgali Magneto u striatum miševa koji se slobodno ponašaju. Dakle Magento je ubrizgan u duboku moždanu strukturu koja sadrži neurone koji proizvode dopamin, neurotransmiter ključan za nagradu i motivaciju, a zatim su životinje smjestili u aparat podijeljen na magnetizirane i nemagnetizirane dijelove. Miševi koji su izražavali Magneto provodili su mnogo više vremena u namagnetiranim područjima od miševa koji to nisu, jer je aktivacija proteina uzrokovala da striatalni neuroni koji ga eksprimiraju oslobađaju dopamin, tako da su miševi na smatrali da je biti na tim područjima korisnije. To pokazuje da Magneto može daljinski upravljati otpuštanjem neurona duboko u mozgu, a također kontrolirati složena ponašanja.

Neuroznanstvenik Steve Ramirez sa Sveučilišta Harvard, koji koristi optogenetiku za manipulaciju sjećanjima u mozgu miševa, kaže da je studija “žestoka“.

“Prethodnim pokušajima [upotreba magneta za kontrolu neuronske aktivnosti] bile su potrebne brojne komponente da bi sustav mogao raditi – ubrizgavanje magnetskih čestica, ubrizgavanje virusa koji izražava toplinski osjetljiv kanal i [ili] fiksiranje glave životinje tako da zavojnica može izazvati promjene u magnetizmu ”, objašnjava. “Problem s višekomponentnim sustavom je u tome što ima toliko prostora za razgradnju svakog pojedinog komada.”

„Ovaj sustav je cjelovit, elegantan virus koji se može ubrizgati bilo gdje u mozak, što ga čini tehnički lakšim i manje vjerojatnim za kvarenje senzora”, dodaje, „a njihova oprema za ponašanje je pametno dizajnirana tako da sadrži magnete gdje je to prikladno kako bi se životinje mogle slobodno kretati. “

‘Magnetogenetika’ je stoga važan dodatak alatu neuroznanstvenika, koji će se nesumnjivo dalje razvijati, a istraživačima pruža nove načine proučavanja razvoja i funkcije mozga.

Referenca: Wheeler, M. A. i sur. (2016.). Genetski ciljana magnetska kontrola živčanog sustava. Nat. Neurosci., DOI: 10.1038 / nn.4265

Izvor: https://www.theguardian.com/science/neurophilosophy/2016/mar/24/magneto-remotely-controls-brain-and-behaviour

Prijevod: Vigor