Proteina „Magneto”: proiectată genetic pentru a controla creierul și comportamentul

Cercetătorii din Statele Unite au dezvoltat o nouă metodă pentru controlul circuitelor cerebrale asociate comportamentelor complexe ale animalelor, folosind ingineria genetică pentru a crea o proteină magnetizată care activează grupuri specifice de celule nervoase de la distanță.

Înțelegerea modului în care creierul generează comportament este unul dintre obiectivele finale ale neuroștiinței - și una dintre cele mai dificile întrebări ale sale. În ultimii ani, cercetătorii au dezvoltat o serie de metode care le permit să controleze de la distanță grupuri specificate de neuroni și să cerceteze funcționarea circuitelor neuronale.

Cea mai puternică dintre acestea este o metodă numită optogenetics, care permite cercetătorilor să activeze sau să oprească populațiile de neuroni înrolați pe o scară de timp de milisecundă cu milisecundă cu impulsuri de lumină laser. O altă metodă recent dezvoltată, numită chimiogenetică, folosește proteine ​​proiectate care sunt activate de medicamentele de designer și care pot fi direcționate către anumite tipuri de celule.

Deși puternice, ambele metode au dezavantaje. Optogenetica este invazivă, necesitând inserarea fibrelor optice care livrează impulsurile de lumină în creier și, în plus, măsura în care lumina pătrunde în țesutul dens al creierului este sever limitată. Abordările chimiogenetice depășesc ambele limitări, dar induc de obicei reacții biochimice care necesită câteva secunde pentru a activa celulele nervoase.

Noua tehnică, dezvoltată în Ali GulerLaboratorul de la Universitatea din Virginia din Charlottesville și descris într-o publicație online avansată în jurnal Nature Neuroscience, nu este doar neinvaziv, dar poate activa neuronii rapid și reversibil.

Mai multe studii anterioare au arătat că proteinele celulelor nervoase care sunt activate de căldură și presiunea mecanică pot fi modificate genetic, astfel încât să devină sensibil la undele radio și câmpuri magnetice, prin atașarea lor la o proteină de stocare a fierului numită feritină sau la particule paramagnetice anorganice. Aceste metode reprezintă un avans important - de exemplu, au fost deja obișnuite reglează nivelul glicemiei la șoareci - dar implică mai multe componente care trebuie introduse separat.

Noua tehnică se bazează pe această lucrare anterioară și se bazează pe o proteină numită TRPV4, care este sensibil la ambele temperaturi și întinderea forțelor. Acești stimuli își deschid porul central, permițând curentului electric să curgă prin membrana celulară; acest lucru evocă impulsuri nervoase care călătoresc în măduva spinării și apoi în creier.

In vivo manipularea comportamentului peștilor zebră folosind Magneto. Larvele Zebrafish prezintă un comportament de înfășurare în
răspuns la câmpurile magnetice localizate. De la Wheeler et al (2016).

Güler și colegii săi au argumentat că forțele magnetice de cuplu (sau de rotație) ar putea activa TRPV4 prin tragerea porului central și, prin urmare, au folosit ingineria genetică pentru a fuziona proteina cu regiunea paramagnetică a feritinei, împreună cu secvențe ADN scurte care semnalizează celulele pentru transport proteine ​​la membrana celulei nervoase și le introduceți în ea.

Când au introdus această construcție genetică în celulele renale embrionare umane care cresc în cutii Petri, celulele au sintetizat proteina „Magneto” și au introdus-o în membrana lor. Aplicarea unui câmp magnetic a activat proteina TRPV1 proiectată, dovadă fiind creșterea tranzitorie a concentrației ionilor de calciu în celule, care au fost detectate cu un microscop de fluorescență.

Apoi, cercetătorii au introdus secvența ADN Magneto în genomul unui virus, împreună cu gena care codifică proteina fluorescentă verde și secvențele de ADN reglatoare care fac ca constructul să fie exprimat numai în tipuri specificate de neuroni. Apoi au injectat virusul în creierul șoarecilor, vizând cortexul entorhinal și au disecat creierul animalelor pentru a identifica celulele care emit fluorescență verde. Folosind microelectrozi, au arătat apoi că aplicarea unui câmp magnetic pe feliile creierului a activat Magneto, astfel încât celulele să producă impulsuri nervoase.

Pentru a determina dacă Magneto poate fi utilizat pentru a manipula activitatea neuronală la animalele vii, aceștia au injectat Magneto în larvele de pește zebră, vizând neuronii din trunchi și coadă care controlează în mod normal un răspuns de evadare. Apoi au plasat larvele de pește zebră într-un acvariu magnetizat special construit și au descoperit că expunerea la un câmp magnetic a indus manevre de înfășurare similare cu cele care apar în timpul răspunsului de evadare. (Acest experiment a implicat un total de nouă larve de pește zebră, iar analizele ulterioare au arătat că fiecare larvă conținea aproximativ 5 neuroni care exprimă Magneto.)

Citește povestea completă aici ...