Прошло почти десять лет с тех пор, как научный журнал Science назвал оптогенетику «прорывом десятилетия». Проще говоря, этот метод позволяет контролировать электрическую активность клеток с помощью световых импульсов. С его помощью ученые могут получить новое представление о функционировании нервных клеток, например, и, таким образом, лучше понять неврологические и психические заболевания, такие как депрессия и шизофрения..
Установленная процедура для клеток животных
В исследованиях клеток животных оптогенетика в настоящее время является признанным методом, используемым во многих областях. В исследованиях растений картина иная: перенести этот принцип на растительные клетки и широко применить его до сих пор не представлялось возможным.
Однако сейчас все изменилось: ученым из Вюрцбургского университета имени Юлиуса Максимилиана (JMU) удалось применить методы оптогенеза к растениям табака. Результаты своей работы они представляют в очередном номере журнала Nature Plants. «В частности, д-р Кай Конрад из группы профессора Хедриха (Ботаника I) и д-р Шицян Гао из моей группы были главным образом ответственны за успех этого проекта», - объясняет профессор Георг Нагель, соучредитель оптогенетики. Помимо кафедры нейрофизиологии в Институте физиологии, к сотрудничеству были привлечены три кафедры Института Юлиуса фон Закса: Ботаника I, Ботаника II и Фармацевтическая биология.
Выключатель света для сотовой связи
Оптогенетика - это манипулирование клетками или живыми организмами с помощью света после того, как в них с помощью методов генной инженерии был введен «датчик света». В частности, управляемый светом катионный канал родопсин-2 помог оптогенетике достичь прорыв», - говорит Нагель, описывая метод, который он разработал совместно. С помощью каналородопсина активность клеток можно включать и выключать, словно выключателем света.
В растительных клетках, однако, это до сих пор работало лишь в ограниченной степени. Этому есть две основные причины: «Трудно генетически модифицировать растения, чтобы они функционально производили родопсины. Кроме того, у них отсутствует важнейший кофактор, без которого родопсины не могут функционировать: полностью транс-ретиналь, также известный как витамин А», - объясняет Доктор Гао.
Зеленый свет клеткам растений
проф. Нагель, доктор Гао, доктор Конрад и их коллеги смогли решить обе проблемы. Им удалось получить витамин А в растениях табака с помощью введенного фермента из морской бактерии, что позволило улучшить включение родопсина в клеточную мембрану. Это впервые позволяет неинвазивно манипулировать интактными растениями или выбранными клетками с помощью света через так называемый анионный канал родопсина GtACR1.
В более раннем подходе физиологи растений из Ботаники I искусственно добавили в клетки столь необходимый кофактор витамина А, чтобы позволить светозависимому катионному каналу стать активным в растительных клетках (Reyer et al., 2020, PNAS). Используя представленный генетический трюк, профессор Нагель и его коллеги создали растения, которые производят особый фермент в дополнение к родопсину, называемый диоксигеназой. Затем эти растения способны производить витамин А, который обычно не присутствует в растениях, из провитамина А, которого много в хлоропластах растений. Сочетание производства витамина А и оптимизации родопсинов для применения в растениях в конечном итоге привело исследователей во главе с профессором Нагелем, доктором Конрадом и доктором Гао к успеху.
Новый подход к изучению растений
«Если облучить эти клетки зеленым светом, проницаемость клеточной мембраны для отрицательно заряженных частиц резко возрастет, а мембранный потенциал существенно изменится», - объясняет доктор. Конрад. Таким образом, говорит он, можно специально управлять ростом пыльцевых трубок и развитием листьев, например, и, таким образом, детально изучать молекулярные механизмы процессов роста растений. Исследователи из Вюрцбурга уверены, что этот новый оптогенетический подход к исследованиям растений значительно облегчит анализ ранее неправильно истолкованных сигнальных путей в будущем.
Пионер оптогенетики
Родопсин - природный светочувствительный пигмент, формирующий основу зрения многих живых организмов. Тот факт, что светочувствительный ионный насос из архебактерий (бактериородопсин) может быть включен в клетки позвоночных и функционировать там, был впервые продемонстрирован Георгом Нагелем в 1995 году вместе с Эрнстом Бамбергом в Институте биофизики Макса Планка во Франкфурте. В 2002/2003 году это доказательство было получено с помощью светочувствительных ионных каналов водорослей.
Вместе с Питером Хегеманном Нагель продемонстрировал существование двух светочувствительных канальных белков, каналродопсин-1 и каналродопсин-2 (ChR1/ChR2), в двух статьях, опубликованных в 2002 и 2003 годах. Важно отметить, что исследователи обнаружили, что ChR2 вызывает чрезвычайно быстрое, индуцированное светом изменение мембранного тока и мембранного напряжения, когда ген экспрессируется в клетках позвоночных. Кроме того, небольшой размер ChR2 делает его очень простым в использовании.
С тех пор Нагель получил множество наград за это открытие, последняя из которых в 2020 году - вместе с двумя другими пионерами оптогенетики - премией Шоу в размере 1,2 миллиона долларов в области наук о жизни.