Oamenii de știință care au descoperit cum se pot controla celulele creierului cu ajutorul luminii au câștigat premiul Nobel din acest an pentru fiziologie sau medicină. Karl Deisseroth, Peter Hegemann și Georg Nagel au fost premiați luni pentru cercetările lor privind „canalele ionice sensibile la lumină și optogenetica”.
Peter Hegemann, de la Universitatea Humboldt din Berlin, și Georg Nagel, de la Universitatea din Würzburg, au dorit să înțeleagă cum o algă minusculă, unicelulară, numită Chlamydomonas, percepe lumina. Percepția luminii nu este specifică doar animalelor cu ochi: organismele din întreaga lume a vieții folosesc lumina pentru a-și detecta împrejurimile și pentru a răspunde la schimbările din mediul înconjurător. Chiar și organismele unicelulare au proteine care răspund la lumină. Aceste proteine sunt folosite pentru a se îndrepta spre lumină sau a se îndepărta de ea, pentru a genera energie și pentru a răspunde la diversele cerințe ale unei zile de 24 de ore, scrie The Conversation.
Hegemann și Nagel au descoperit că Chlamydomonas dispune de un mecanism de detectare a luminii extrem de ingenios, care se bazează pe o singură proteină numită canalrodopsină.
Canalrodopsina este integrată în membrana externă a celulei algelor. O parte a proteinei este orientată spre apa din exteriorul celulei, iar cealaltă parte spre interior. Proteina conține, de asemenea, o mică moleculă numită retinaldehidă, care are capacitatea de a absorbi lumina.
Când lumina lovește retinaldehida din interiorul canalrodopsinei, aceasta își schimbă forma. Acest lucru determină și proteina canalrodopsină să-și schimbe forma. Această schimbare deschide un mic canal prin membrana celulară. Particulele cu sarcină pozitivă, inclusiv sodiul, pot apoi să curgă din apa din exteriorul algelor în interiorul celulei. Această mișcare a particulelor încărcate trimite un semnal în interiorul algelor care le ajută să înoate.
Ce realizare fantastică să fi rezolvat o problemă biologică atât de interesantă, dar de ce tocmai Premiul Nobel pentru fiziologie sau medicină? Răspunsul se află în modul în care funcționează celulele nervoase. Celulele nervoase utilizează mișcarea particulelor încărcate (numite „ioni”) prin membranele lor pentru a-și controla activitatea. Când particulele încărcate pozitiv pătrund într-o celulă nervoasă, ele o pot face mai activă.
Cercetătorii și-au dat seama că, dacă ar putea introduce canalrodopsina în celulele nervoase, ar putea activa acele celule pur și simplu prin expunerea lor la lumină. Exact asta au făcut Hegemann, Nagel și al treilea laureat al Premiului Nobel, Karl Deisseroth, psihiatru și bioinginer la Universitatea Stanford din California.
Activarea celulelor nervoase cu ajutorul luminii
Capacitatea de a controla celulele nervoase cu ajutorul luminii se numește optogenetică. Aceasta a devenit un instrument de cercetare puternic, deoarece oamenii de știință o pot folosi pentru a activa și dezactiva grupuri specifice de celule nervoase și a observa ce se întâmplă.
În primul rând, oamenii de știință introduc gena pentru canalrodopsină în celulele nervoase pe care doresc să le studieze. De obicei, gena este transportată în celule de un virus care a fost modificat astfel încât să nu poată provoca boli. Celulele produc apoi proteina canalrodopsină, care le face să răspundă la lumină.
La animale precum șoarecii, oamenii de știință pot direcționa lumina către creier printr-o fibră optică subțire. Când lumina ajunge la celule, canalrodopsina se deschide și celulele devin active. Celulele nervoase din apropiere care nu conțin proteina nu sunt afectate.
Lumina poate fi direcționată către o zonă foarte mică a creierului și poate fi activată și dezactivată extrem de rapid. Acest lucru face din optogenetică o metodă puternică de a investiga modul în care funcționează creierul. De exemplu, dacă cercetătorii doresc să afle dacă un anumit grup de celule nervoase este implicat în memorie, somn, senzații sau mișcare, pot activa acele celule cu ajutorul luminii și pot observa ce se întâmplă.
Într-un experiment din 2012, o echipă de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts a aplicat șoarecilor un șoc electric ușor într-o anumită cușcă. Ei au folosit optogenetica pentru a marca celulele nervoase din centrul memoriei creierului care erau active în timpul acelui experiment de condiționare a fricii. Câteva zile mai târziu, într-o altă cușcă, au activat acele celule cu ajutorul luminii. Șoarecii au înghețat de frică, ca și cum și-ar fi amintit de șoc.
Șoarecii care nu au fost supuși șocului nu au înghețat, ceea ce a demonstrat că lumina reactiva o amintire specifică. Deisseroth a fost unul dintre autorii studiului.
Optogenetica a transformat capacitatea oamenilor de știință de a investiga modul în care funcționează creierul și sistemul nervos. De asemenea, ar putea avea un viitor ca tratament. Optogenetica se află deja în stadiul incipient al studiilor clinice pentru persoanele cu degenerare retiniană. În aceste studii, cercetătorii introduc proteine fotosensibile în celulele nervoase care rămân în retină după ce celulele care detectează în mod normal lumina – numite bastonașe și conuri – au fost pierdute. Acest lucru poate face ca celulele supraviețuitoare să răspundă la lumină și să restabilească parțial vederea.
Cercetătorii investighează, de asemenea, dacă optogenetica ar putea fi utilizată în viitor pentru tratarea afecțiunilor neurologice, inclusiv a bolii Parkinson și a epilepsiei.
Premiul Nobel din acest an celebrează o cercetare care a pornit de la o întrebare ce poate părea ezoterică: cum înoată Chlamydomonas spre lumină? Această întrebare nu are o importanță practică evidentă. Ea nu răspunde unei nevoi urgente în domeniul sănătății umane și nici nu reprezintă o cale clară către bogăție. Succesul optogeneticii ilustrează importanța de a continua să punem întrebări pur și simplu pentru a înțelege lumea din jurul nostru, deoarece este imposibil să prevedem unde ne va duce cunoașterea, conchide The Conversation.
Editor : B.E.
About the Author
