Молекулярные биологи из Института биоорганической химии РАН совместно с нейробиологами из Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, а также физиками из МГУ им. М.В. Ломоносова создали новое направление в науке термогенетике. В частности, они разработали новую технологию стимуляции нервных клеток инфракрасным излучением, генетически встраивая в нейроны млекопитающих белки-терморецепторы змей.
Результаты исследований опубликованы в Nature Communications.
Данная работа отечественных ученых открывает возможность неинвазимно стимулировать нейронные сети любых животных, а также управлять активностью других типов клеток в живых системах.
В своем исследовании ученые использовали в качестве белков-рецепторов высокочувствительные терморецепторы змей, отвечающие за термозрение — способность некоторых змей «видеть» теплые объекты на расстоянии. Это помогает животным ориентироваться в пространстве и охотиться в темноте.
Первая часть экспериментов проводилась на культуре нервных клеток мышей. Из оптоволоконной лазерной установки на нейроны локально подавали инфракрасный свет и электрофизиологически регистрировали их активацию, измеряя поток ионов через мембрану.
«Нам удалось измерить динамику ответа нейрона на очень небольшие изменения температуры, на которые обычно нейроны не отвечают. Полученные данные прямо показывают возможность избирательного управления активностью нейронов со встроенными терморецепторами змеи», — объясняет Евгений Никитин, руководитель группы нейрофотоники ИВНД и НФ РАН.
Исследование включало не только биологическую, но и физическую составляющую. Для термогенетической стимуляции исключительно важно нагревать живую ткань на заданную температуру, не превышающую 1-2 градуса. Недостаточный нагрев неспособен активировать нейроны, а избыточный приводит к перегреву и гибели нейронов. Коллективом физиков из МГУ под руководством Алексея Желтикова был разработан метод локальной детекции температуры с помощью квантовых эффектов в микрочастицах алмазов, имеющих специальные дефекты кристаллической решетки. Такой алмаз, будучи помещенным на кончик оптоволокна, способен измерять температуру нагреваемого образца с высокой точностью.
Метод термогенетики открывает широкие перспективы для использования и дальнейших разработок. Во-первых, ИК-излучение глубже проникает в ткань, а значит, появится возможность стимулировать более глубокие слои мозга. Более того, для нагрева можно использовать не только инфракрасное излучение, но и фокусированные СВЧ-волны или магниты высокой мощности. Во-вторых, термогенетика имеет огромное преимущество в работе с маленькими модельными животными, такими как улитки, мальки рыб или плодовые мушки. В классических оптогенетических экспериментах животные видят синий свет, используемый для активации нейронов, и пугаются его. ИК-излучение для них невидимо, поэтому можно не опасаться побочных реакций животного на яркий свет. В-третьих, полученный молекулярный и технический инструментарий можно использовать для активации не только нейронов, но и других клеток.
Все это приведет к появлению новых подходов к терапевтической стимуляции или, наоборот, подавлению функций различных клеток в организме.
Источник: http://fano.gov.ru/ru/
