Naziv optogenetika je istovremeno i tačan i navodi na pogrešne zaključke. Tačno je da ima veze sa svjetlošću, ali se ne radi baš o genetici, više o genetičkom inženjerstvu, ako ćemo tjerati mak na konac. Najjednostavniji opis optogenetike bi bio da je to kontrola mozga (tačnije, neurona) pomoću svjetlosti.
Istraživanja mozga su vrlo teška jer daju neprecizne rezultate – vrlo je teško ciljati na jedan jedini neuron ili svega par njih. Mozak se sastoji od desetaka milijardi neurona koji sinapsama komuniciraju jedni sa drugima. Ne samo to – ovdje djeluju različite molekule iz klase neurotransmitera, a električni signali kojima se prenosi nervni impuls moraju biti strogo tajmirani. Naučnici su posvetili dobar komad vremena da nađu i usavrše tehnologiju koja bi im pomoglo da precizno proučavaju mozak do reda veličine jedan jedini neuron.
1979. nobelovac Francis Crick (jeste, onaj isti što onomad dobi Nobelovu nagradu za otkriće strukture DNK) je izjavio kako je jedan od najvećih izazova neurobiologije pronaći način kako da se kontrolira jedan tip stanica u mozgu, dok se druge ostavljaju intaktne.
Električni stimulus ovo ne može – isuviše je grubo, neprecizno sredstvo. Lijekovi također nisu pogodni jer djeluju mnogo sporije nego mozak. Crick je poslije spekulirao da bi svjetlost mogla biti način da se riješi ovaj problem.
Rješenje je došlo iz jednog sasvim neočekivanog izvora – od algi. Za fotosenzitivna bića kakve su i alge, proteini koji reaguju na svjetlost određene valne dužine veoma su važni. Ti proteini pripadaju klasi opsina – ljudi, primjerice, u stanicama mrežnjače oka imaju rodopsin. Opsini reaguju tako što na podražaj svjetlosti određene valne dužine reaguju promjenom konfiguracije molekule otvarajući na taj način kanale u membrani stanice kroz koje se kreću joni. I to ne bilo kakvi joni, tamo neki bezveze, nego joni natrijuma i hlora. Ovaj fluks jona mijenja elektronegativnost na površini stanice, stvara se razlika potencijala, “akcioni potencijal”. Najjednostavnije rečeno, stvara se slaba struja – a upravo je stvaranje te slabe struje ključ prenošenja nervnih impulsa u svim živim bićima.Kod zelenih algi ovi fotosenzitivni proteini se zovu “channelrhodopsins” (kanalorodopsini?), a kod arhea (Archaeabacteriae) halorodopsin i arhearodopsini, a ti proteini vrlo su zgodni za manipulisanje tehnikama bioinženjeringa jer imaju jednu specifičnost koja olakšava navođenje ekspresije gena.Podsjetimo – ekspresija gena jeste svojstvo da je baš taj neki gen “uključen” u stanici određenog tipa istog organizma, a nije “uključen” već “utišan” u nekom drugom tipa stanica istog organizma.
Svaki gen se sastoji iz dijela koji kodira protein i dijela koji se naziva regulatorni gen, a koji “daje” naređenja kada je potrebno neki protein sintetizirati. Dakle, čak i ako neki gen nije utišan, on neće po cijeli dan 24/7 raditi na sintezi svog proteina nego će čekati na “naredbu” regulatornog gena.
I geni za fotoosjetljive proteine organizama komplikovanijih od arhea i zelenih alge također imaju ove dijelove, ali stvar je u tome što su channelrhodopsins, koji reaguju na plavu svjetlost, brzo-aktivirajući tj. najjefikasniji. Channelrhodopsins djeluju kao turn-on za one neurone koji ih imaju, dok ovi ostali – halorodopsini, arheorodopsini, bakteriorodopsini djeluju kao turn-off tako što inhibiraju rad neurona.
Čekajte-jesam li to ja rekla “neurone”? Otkud fotosenzitivni proteini algi u neuronima? Alge nemaju neurone. Trčim pred rudu, polako, objasniću.
Ovi neuroni koje sam spomenula, najvjerovatnije su neuroni nekog laboratorijskog miša. Tehnologijama manipulisanja genima, u širokim narodnim masama poznatim kao “genetičko modificiranje/modifikovanje”, geni za sintezu i regulaciju proteina algi su ubačeni u miša, još preciznije – i miševe nervne stanice. I to je tek prvi dio priče.
Kada smo dobili GMO miševe, moramo nešto sa njima i raditi, nismo ih modificirali da vise o klinu. Potrebno je neurone ovih miševa stimulirati plavom svjetlošću na koju je osjetljiv channelorhopsin. Kako?
Ako ste mislili da je genetičko modificiranje horror element u ovoj priči, reći ću vam nešto – sad ide onaj zaista scary part.
Pomoću optičkih vlakana sa LED svjetlima koja su implantirana kroz lobanju, plava svjetlost se dovodi direktno do neurona koji sadrže chennelrhodopsin i ekscitiraju neurone.
Zato mislim da ova tehnologija nikada, nikada neće naći primjenu u humanoj medicini poput tretmana traumatskog sindroma i bilo čega. Jednostavno, preinvanzivna je, primijenjena na ljudima zvuči jezovito.
Ipak, to ne znači da je treba zabraniti – pomoću ove metode moći ćemo saznati mnogo toga što nismo uspjeli saznati o mozgu i načinu na koji funkcionišu pojedinačni neuroni, o nervnom signala i komunikaciji između neurona. Ova metoda je do sada najprecizniji alat kojeg imamo za istraživanje mozga.
