Γενετικά τροποποιημένη πρωτεΐνη "Magneto"· ελέγχει εξ αποστάσεως τον εγκέφαλο και τη συμπεριφορά. (the Guardian)

 Ο τοροειδής μαγνητικός θάλαμος (Tokamak) του Joint European Torus (JET) στο Culham Science Centre.

 

 Η νέα μέθοδος "Badass" χρησιμοποιεί μια μαγνητισμένη πρωτεΐνη για την ταχεία, αναστρέψιμη και μη επεμβατική ενεργοποίηση των εγκεφαλικών κυττάρων.

Ερευνητές στις Ηνωμένες Πολιτείες ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο για τον έλεγχο των εγκεφαλικών κυκλωμάτων που σχετίζονται με πολύπλοκες συμπεριφορές ζώων, χρησιμοποιώντας γενετική μηχανική για τη δημιουργία μιας μαγνητισμένης πρωτεΐνης που ενεργοποιεί συγκεκριμένες ομάδες νευρικών κυττάρων από απόσταση.

Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ο εγκέφαλος δημιουργεί συμπεριφορές είναι ένας από τους απώτερους στόχους της νευροεπιστήμης - και ένα από τα πιο δύσκολα ερωτήματά της. Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει διάφορες μεθόδους που τους επιτρέπουν να ελέγχουν εξ αποστάσεως συγκεκριμένες ομάδες νευρώνων και να διερευνούν τη λειτουργία των νευρωνικών κυκλωμάτων.

Η πιο ισχυρή από αυτές είναι μια μέθοδος που ονομάζεται οπτογενετική, η οποία επιτρέπει στους ερευνητές να ενεργοποιούν ή να απενεργοποιούν πληθυσμούς συγγενών νευρώνων σε χρονική κλίμακα χιλιοστών του δευτερολέπτου με παλμούς φωτός λέιζερ. Μια άλλη μέθοδος που αναπτύχθηκε πρόσφατα, η λεγόμενη χημειογενετική, χρησιμοποιεί τροποποιημένες πρωτεΐνες που ενεργοποιούνται από σχεδιασμένα φάρμακα και μπορούν να στοχευθούν σε συγκεκριμένους τύπους κυττάρων.

Αν και ισχυρές, και οι δύο αυτές μέθοδοι έχουν μειονεκτήματα. Η οπτογενετική είναι επεμβατική, καθώς απαιτεί την εισαγωγή οπτικών ινών που μεταφέρουν τους φωτεινούς παλμούς στον εγκέφαλο και, επιπλέον, ο βαθμός στον οποίο το φως διεισδύει στον πυκνό εγκεφαλικό ιστό είναι πολύ περιορισμένος. Οι χημειογενετικές προσεγγίσεις ξεπερνούν και τους δύο αυτούς περιορισμούς, αλλά συνήθως προκαλούν βιοχημικές αντιδράσεις που χρειάζονται αρκετά δευτερόλεπτα για να ενεργοποιήσουν τα νευρικά κύτταρα.

Η νέα τεχνική, που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο του Ali Güler στο Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια στο Charlottesville και περιγράφεται σε προκαταρκτική ηλεκτρονική δημοσίευση στο περιοδικό Nature Neuroscience, όχι μόνο δεν είναι επεμβατική, αλλά μπορεί επίσης να ενεργοποιήσει τους νευρώνες γρήγορα και αντιστρεπτά.

Αρκετές προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι οι πρωτεΐνες των νευρικών κυττάρων που ενεργοποιούνται από τη θερμότητα και τη μηχανική πίεση μπορούν να τροποποιηθούν γενετικά έτσι ώστε να γίνουν ευαίσθητες στα ραδιοκύματα και τα μαγνητικά πεδία, συνδέοντάς τες με μια πρωτεΐνη που αποθηκεύει σίδηρο και ονομάζεται φερριτίνη, ή με ανόργανα παραμαγνητικά σωματίδια. Οι μέθοδοι αυτές αποτελούν σημαντική πρόοδο - έχουν, για παράδειγμα, ήδη χρησιμοποιηθεί για τη ρύθμιση των επιπέδων γλυκόζης στο αίμα σε ποντίκια - αλλά περιλαμβάνουν πολλαπλά συστατικά που πρέπει να εισαχθούν ξεχωριστά.

Η νέα τεχνική βασίζεται σε αυτή την προηγούμενη εργασία και βασίζεται σε μια πρωτεΐνη που ονομάζεται TRPV4, η οποία είναι ευαίσθητη τόσο στη θερμοκρασία όσο και στις δυνάμεις τάνυσης (τεντώματος). Αυτά τα ερεθίσματα ανοίγουν τον κεντρικό πόρο της, επιτρέποντας τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος μέσω της κυτταρικής μεμβράνης- αυτό προκαλεί νευρικά ερεθίσματα που ταξιδεύουν στον νωτιαίο μυελό και στη συνέχεια μέχρι τον εγκέφαλο.

Ο Güler και οι συνεργάτες του σκέφτηκαν ότι οι δυνάμεις μαγνητικής ροπής (ή περιστροφής) θα μπορούσαν να ενεργοποιήσουν το TRPV4 τραβώντας τον κεντρικό πόρο του και έτσι χρησιμοποίησαν γενετική μηχανική για να συγχωνεύσουν την πρωτεΐνη με την παραμαγνητική περιοχή της φερριτίνης, μαζί με σύντομες αλληλουχίες DNA που δίνουν σήμα στα κύτταρα να μεταφέρουν τις πρωτεΐνες στη μεμβράνη των νευρικών κυττάρων και να τις εισάγουν σε αυτήν. 

 

Χειραγώγηση της συμπεριφοράς των ψαριών ζέβρα με τη χρήση του Magneto. Οι προνύμφες ζέμπρας παρουσιάζουν συμπεριφορά συσπείρωσης ως απόκριση σε τοπικά μαγνητικά πεδία. 

Όταν εισήγαγαν αυτό το γενετικό κατασκεύασμα σε ανθρώπινα εμβρυϊκά νεφρικά κύτταρα που αναπτύσσονταν σε τρυβλία Petri, τα κύτταρα συνέθεσαν την πρωτεΐνη "Magneto" και την εισήγαγαν στη μεμβράνη τους. Η εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου ενεργοποίησε την τροποποιημένη πρωτεΐνη TRPV1, όπως αποδείχθηκε από παροδικές αυξήσεις στη συγκέντρωση ιόντων ασβεστίου εντός των κυττάρων, οι οποίες ανιχνεύθηκαν με μικροσκόπιο φθορισμού.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές εισήγαγαν την αλληλουχία DNA Magneto στο γονιδίωμα ενός ιού, μαζί με το γονίδιο που κωδικοποιεί την πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη και ρυθμιστικές αλληλουχίες DNA που προκαλούν την έκφραση του κατασκευάσματος μόνο σε συγκεκριμένους τύπους νευρώνων. Στη συνέχεια έκαναν έγχυση του ιού στον εγκέφαλο ποντικών, στοχεύοντας τον εγκεφαλικό φλοιό, και τεμάχισαν τους εγκεφάλους των ζώων για να εντοπίσουν τα κύτταρα που εξέπεμπαν πράσινο φθορισμό. Χρησιμοποιώντας μικροηλεκτρόδια, έδειξαν στη συνέχεια ότι η εφαρμογή μαγνητικού πεδίου στις φέτες του εγκεφάλου ενεργοποίησε τον Magneto, ώστε τα κύτταρα να παράγουν νευρικά ερεθίσματα.

Για να διαπιστώσουν αν το Magneto μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον χειρισμό της νευρωνικής δραστηριότητας σε ζωντανά ζώα, έκαναν ένεση Magneto σε προνύμφες ψαριών ζέβρα, στοχεύοντας νευρώνες στον κορμό και την ουρά που κανονικά ελέγχουν μια αντίδραση διαφυγής. Στη συνέχεια, τοποθέτησαν τις προνύμφες ζέβρα σε ένα ειδικά κατασκευασμένο μαγνητισμένο ενυδρείο και διαπίστωσαν ότι η έκθεση σε μαγνητικό πεδίο προκάλεσε κινήσεις περιέλιξης παρόμοιες με αυτές που συμβαίνουν κατά την απόκριση διαφυγής. (Στο πείραμα αυτό συμμετείχαν συνολικά εννέα προνύμφες ζέβρας και οι επακόλουθες αναλύσεις αποκάλυψαν ότι κάθε προνύμφη περιείχε περίπου 5 νευρώνες που εξέφραζαν το Magneto).

Σε ένα τελευταίο πείραμα, οι ερευνητές έκαναν ένεση Magneto στο ραβδωτό σώμα ελεύθερα συμπεριφερόμενων ποντικών, μια βαθιά δομή του εγκεφάλου που περιέχει νευρώνες που παράγουν ντοπαμίνη και εμπλέκονται στην ανταμοιβή και τα κίνητρα, και στη συνέχεια τοποθέτησαν τα ζώα σε μια συσκευή που χωρίζεται σε μαγνητισμένα και μη μαγνητισμένα τμήματα. Τα ποντίκια που εξέφραζαν το Magneto περνούσαν πολύ περισσότερο χρόνο στις μαγνητισμένες περιοχές από ό,τι τα ποντίκια που δεν το εξέφραζαν, επειδή η ενεργοποίηση της πρωτεΐνης έκανε τους νευρώνες του ραβδωτού σώματος που την εξέφραζαν να απελευθερώσουν ντοπαμίνη, με αποτέλεσμα τα ποντίκια να θεωρούν ότι η παραμονή σε αυτές τις περιοχές ανταμείβει. Αυτό δείχνει ότι η Magneto μπορεί να ελέγχει εξ αποστάσεως την πυροδότηση των νευρώνων βαθιά μέσα στον εγκέφαλο, και επίσης να ελέγχει πολύπλοκες συμπεριφορές.

Ο νευροεπιστήμονας Steve Ramirez του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, ο οποίος χρησιμοποιεί την οπτογενετική για να χειρίζεται τις μνήμες στον εγκέφαλο των ποντικών, λέει ότι η μελέτη είναι "badass".

"Οι προηγούμενες προσπάθειες [χρήσης μαγνητών για τον έλεγχο της νευρωνικής δραστηριότητας] απαιτούσαν πολλαπλά συστατικά για να λειτουργήσει το σύστημα - έγχυση μαγνητικών σωματιδίων, έγχυση ενός ιού που εκφράζει ένα θερμοευαίσθητο κανάλι, [ή] στερέωση του ζώου στο κεφάλι ώστε ένα πηνίο να μπορεί να προκαλέσει αλλαγές στον μαγνητισμό", εξηγεί. "Το πρόβλημα με την ύπαρξη ενός συστήματος πολλαπλών συστατικών είναι ότι υπάρχει τόσο μεγάλο περιθώριο για κάθε επιμέρους κομμάτι να καταρρεύσει".

"Αυτό το σύστημα είναι ένας ενιαίος, κομψός ιός που μπορεί να εγχυθεί οπουδήποτε στον εγκέφαλο, γεγονός που καθιστά τεχνικά ευκολότερο και λιγότερο πιθανό να χαλάσουν τα κουδουνίσματα και τα σφυρίγματα", προσθέτει, "και ο εξοπλισμός συμπεριφοράς τους σχεδιάστηκε έξυπνα ώστε να περιέχει μαγνήτες όπου χρειάζεται, ώστε τα ζώα να μπορούν να κινούνται ελεύθερα".

Η "μαγνητογενετική" είναι επομένως μια σημαντική προσθήκη στην εργαλειοθήκη των νευροεπιστημόνων, η οποία αναμφίβολα θα αναπτυχθεί περαιτέρω και θα προσφέρει στους ερευνητές νέους τρόπους μελέτης της ανάπτυξης και της λειτουργίας του εγκεφάλου.
 

Αναφορά:
Wheeler, M. A., et al. Γενετικά στοχευμένος μαγνητικός έλεγχος του νευρικού συστήματος. Nat. Neurosci., DOI: 10.1038/nn.4265 [Abstract].

Πηγή: 

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

 

Mετάφραση: Διόδοτος