Некоторые крупные научные открытия на самом деле не столько совершают, сколько заимствуют. Именно так произошло, когда учёные обратились к неожиданному источнику белков — зелёным водорослям.
Клетки водоросли Chlamydomonas reinhardtii покрыты белками, способными воспринимать свет. Эта особенность привлекла внимание исследователей мозга. Светочувствительный белок обещал дать возможность управлять нейронами — нервными клетками мозга, включая и выключая их в нужном месте и в нужный момент.
Нервные клетки, генетически модифицированные для выработки водорослевых белков, становятся послушными свету. Вспышка может заставить молчащий нейрон посылать сигналы или, наоборот, заставить активный нейрон замолчать.
«Это именно тот светочувствительный элемент, который нам был нужен», — говорит нейробиолог, изучающий зрение, Чжуо-Хуа Пан. Он искал способ управлять зрительными клетками в сетчатке мышей.
Метод, основанный на использовании этих «заимствованных» белков, называют оптогенетикой: слово объединяет понятия «свет» и «гены». С его помощью учёные получили важные сведения о том, как хранятся воспоминания, откуда берётся восприятие и что происходит в мозге при депрессии и зависимости.
Воздействуя светом на определённые нервные клетки, исследователи вызывали у мышей зрительные иллюзии: животные видели линии, которых не было, и вспоминали комнату, в которой никогда не бывали. С помощью оптогенетики учёные заставляли мышей драться, спариваться и есть, а также частично возвращали зрение слепым мышам. Метод помог восстановить некоторые зрительные функции и у незрячего человека.
Одно из ранних свидетельств потенциала оптогенетики появилось в лаборатории Стэнфорда. Нейробиолог Эд Бойден проверял чашку с нейронами, в которые ввели ген одного из водорослевых светочувствительных белков — каналродопсина-2. Он направил на клетки синий свет, чтобы проверить, начнут ли они посылать сигналы. Как Бойден позднее описал этот опыт, первая же проверенная клетка отреагировала на свет всплеском активности. Возможности, которые открывало это наблюдение, быстро стали реальностью.
В лаборатории Пана светочувствительные белки помогли восстановить зрение у мышей с повреждённой сетчаткой. Это открытие привело к клиническому исследованию с участием людей. В первые годы учёные только осваивали применение таких белков в нейронах, и значение метода было неочевидно.
«Тогда никто не ожидал, что эта работа в области оптогенетики окажет такое огромное влияние», — говорит Пан.
С тех пор световые датчики водорослей стали использовать во многих направлениях исследований мозга. Например, нейробиолог Талия Лернер из Северо-Западного университета в Чикаго применяет оптогенетику, чтобы изучать связи между клетками мозга мышей. Метод позволяет ей разбирать взаимодействия между клетками, которые вырабатывают дофамин, и клетками, реагирующими на него. Дофамин — химический посредник, участвующий в регуляции движения и системы вознаграждения. Изучение этих связей может помочь лучше понять мотивацию и обучение.
«В нынешнем виде мои исследования были бы невозможны без оптогенетики», — говорит Лернер.
Оптогенетика незаменима и для Жанны Паз из институтов Гладстона в Сан-Франциско. Она и её коллеги ищут клетки, способные остановить распространение приступов по мозгу. Метод позволяет управлять отдельными группами нейронов и потому играет важную роль в этих поисках.
«Мы просто не смогли бы задавать эти вопросы с помощью какого-либо другого инструмента», — говорит Паз.
С помощью оптогенетики Паз обнаружила, что в остановке приступа может участвовать таламус — структура мозга, через которую проходят многие нейронные сети.
«Я помню, как у меня побежали мурашки, когда я впервые направила свет на таламус и приступ прекратился», — говорит она.
Большинство исследований с использованием оптогенетики проводят на мышах. Однако, по словам Ясмин Эль-Шамайле из Колумбийского университета, этот подход может помочь изучать и более сложный мозг, в том числе мозг приматов. Бойден и его коллеги описали применение оптогенетики на макаке, а Эль-Шамайле и другие учёные продолжают развивать это направление.
«Мы определённо близки к тому, чтобы раскрыть некоторые удивительные принципы работы мозга приматов», — говорит она. Среди таких вопросов — то, как мозг преобразует сигналы от глаз в восприятие.
Оптогенетика быстро развивается: учёные создают и совершенствуют новые световые датчики и способы сочетать их с другими методами. По словам Лернер, важной причиной активного развития этой области стала готовность первых исследователей делиться знаниями. В Стэнфорде Дейсерот регулярно проводил семинары, обучая других учёных этой методике.
«В некотором смысле это не менее важно, чем само изобретение», — говорит Лернер.
Учёные обязаны многим водорослям, чьи светочувствительные белки помогли открыть новые способы изучения мозга.