دانشمندان به خاطر کنترل سلول‌های مغزی با نور برنده جایزه نوبل شدند

پیتر هگمان در دانشگاه هومبولت برلین و گئورگ ناگل در دانشگاه وورتسبورگ می‌خواستند بفهمند که یک جلبک تک‌سلولی کوچک به نام Chlamydomonas چگونه نور را تشخیص می‌دهد. تشخیص نور منحصر به حیواناتی با چشم نیست: ارگانیسم‌های سراسر جهان از نور برای تشخیص محیط اطراف و پاسخ به تغییرات محیطی استفاده می‌کنند. حتی ارگانیسم‌های تک‌سلولی نیز پروتئین‌هایی دارند که به نور واکنش نشان می‌دهند. این پروتئین‌ها برای حرکت به سمت یا دور از نور، تولید انرژی و پاسخ به نیازهای مختلف یک روز 24 ساعته استفاده می‌شوند.

هگمان و ناگل کشف کردند که Chlamydomonas یک مکانیسم بسیار مبتکرانه برای تشخیص نور دارد که به یک پروتئین واحد به نام کانال‌رودوپسین متکی است.

کانال‌رودوپسین در غشای بیرونی سلول جلبکی ساخته شده است. بخشی از پروتئین رو به آب خارج از سلول و بخشی رو به داخل است. پروتئین همچنین حاوی یک مولکول کوچک به نام رتینالدهید است که قادر به جذب نور است.

هنگامی که نور به رتینالدهید داخل کانال‌رودوپسین برخورد می‌کند، شکل آن تغییر می‌کند. این تغییر باعث تغییر شکل خود پروتئین کانال‌رودوپسین می‌شود. این تغییر یک گذرگاه کوچک را از طریق غشای سلولی باز می‌کند. ذرات باردار مثبت، از جمله سدیم، می‌توانند از آب خارج از جلبک به داخل سلول جریان یابند. این حرکت ذرات باردار سیگنالی را در داخل جلبک ارسال می‌کند که به آن کمک می‌کند شنا کند.

حل چنین سوال بیولوژیکی جالبی بسیار عالی است، اما چرا جایزه نوبل در فیزیولوژی یا پزشکی؟ پاسخ در نحوه عملکرد سلول‌های عصبی نهفته است. سلول‌های عصبی از حرکت ذرات باردار ("یون‌ها") در عرض غشاهای خود برای کنترل فعالیت خود استفاده می‌کنند. هنگامی که ذرات باردار مثبت وارد یک سلول عصبی می‌شوند، می‌توانند آن را فعال‌تر کنند.

محققان دریافتند که اگر بتوانند کانال‌رودوپسین را به سلول‌های عصبی وارد کنند، ممکن است بتوانند آن سلول‌ها را صرفاً با تاباندن نور به آن‌ها روشن کنند. دقیقاً همان کاری است که هگمان، ناگل و برنده سوم جایزه نوبل، کارل دایسروث، یک روانپزشک و مهندس زیستی در دانشگاه استنفورد در کالیفرنیا، انجام دادند.

روشن کردن سلول‌های عصبی با نور

توانایی کنترل سلول‌های عصبی با نور به عنوان اپتوژنتیک شناخته می‌شود. این به یک ابزار تحقیقاتی قدرتمند تبدیل شده است زیرا دانشمندان می‌توانند از آن برای روشن و خاموش کردن گروه‌های خاصی از سلول‌های عصبی استفاده کنند و ببینند چه اتفاقی می‌افتد.

ابتدا، دانشمندان ژن کانال‌رودوپسین را به سلول‌های عصبی که می‌خواهند مطالعه کنند، منتقل می‌کنند. ژن معمولاً توسط ویروسی حمل می‌شود که طوری تغییر کرده است که نمی‌تواند بیماری ایجاد کند. سپس سلول‌ها پروتئین کانال‌رودوپسین را تولید می‌کنند که آن‌ها را به نور پاسخگو می‌کند.

در حیواناتی مانند موش‌ها، دانشمندان می‌توانند نور را از طریق یک فیبر نوری نازک به مغز بتابانند. هنگامی که نور به سلول‌ها می‌رسد، کانال‌رودوپسین باز می‌شود و سلول‌ها فعال می‌شوند. سلول‌های عصبی مجاور که حاوی پروتئین نیستند، تحت تأثیر قرار نمی‌گیرند.

نور می‌تواند به یک قسمت بسیار کوچک از مغز هدف قرار داده شود و به سرعت روشن و خاموش شود. این اپتوژنتیک را به روشی قدرتمند برای بررسی نحوه عملکرد مغز تبدیل می‌کند. به عنوان مثال، اگر دانشمندان بخواهند بدانند که آیا گروه خاصی از سلول‌های عصبی در حافظه، خواب، حس یا حرکت نقش دارند، می‌توانند آن سلول‌ها را با نور روشن کنند و ببینند چه اتفاقی می‌افتد.

در یک آزمایش در سال 2012، تیمی در موسسه فناوری ماساچوست به موش‌ها یک شوک الکتریکی خفیف در یک قفس خاص وارد کرد. آن‌ها از اپتوژنتیک برای علامت‌گذاری سلول‌های عصبی در مرکز حافظه مغز که در طول آن آزمایش شرطی‌سازی ترس فعال بودند، استفاده کردند. چند روز بعد، در یک قفس دیگر، آن سلول‌ها را با نور روشن کردند. موش‌ها از ترس منجمد شدند، گویی که شوک را به یاد آورده بودند.

موش‌هایی که شوک دریافت نکرده بودند، منجمد نشدند، که نشان می‌داد نور یک خاطره خاص را دوباره فعال کرده است. دایسروث یکی از نویسندگان این مطالعه بود.

اپتوژنتیک توانایی دانشمندان را برای بررسی نحوه عملکرد مغز و سیستم عصبی تغییر داده است. ممکن است در آینده به عنوان یک درمان نیز کاربرد داشته باشد. اپتوژنتیک در حال حاضر در آزمایشات بالینی اولیه برای افراد مبتلا به دژنراسیون شبکیه مورد بررسی قرار گرفته است. در این آزمایشات، پروتئین‌های حساس به نور به سلول‌های عصبی که پس از از دست دادن سلول‌هایی که به طور معمول نور را تشخیص می‌دهند - به نام میله‌ها و مخروط‌ها - در شبکیه باقی مانده‌اند، وارد می‌شوند. این می‌تواند باعث شود سلول‌های زنده به نور پاسخ دهند و مقداری بینایی را بازیابند.

محققان همچنین در حال بررسی این هستند که آیا اپتوژنتیک در نهایت می‌تواند برای درمان شرایط عصبی، از جمله پارکینسون و صرع استفاده شود.

جایزه نوبل امسال به خاطر کار آغاز شده با سوالی که ممکن است به نظر غریبانه برسد، جشن می‌گیرد: Chlamydomonas چگونه به سمت نور شنا می‌کند؟ این سوال اهمیت عملی آشکاری ندارد. این یک مسیر روشن به سمت ثروت یا رفع یک نیاز فوری در سلامت انسان نیست. موفقیت اپتوژنتیک نشان‌دهنده اهمیت ادامه پرسیدن سوالات صرفاً برای درک جهان اطراف ما است، زیرا پیش‌بینی اینکه دانش ما را به کجا می‌برد غیرممکن است.