Die Lumineszenz hilft Wissenschaftlern, die Funktion einzelner Neuronen im Gehirn von Tieren zu untersuchen

Quelle: Alexey Kashpersky (kashpersky.com)

Arten lebender Organismen, die lumineszieren können, sind nicht so selten. Dies sind Glühwürmchen, Bakterien und Quallen mit Würmern, ganz zu schweigen von Tiefseefischen und anderen Tieren. Die Lumineszenz hilft diesen Organismen, Beute anzuziehen, zu kommunizieren oder einfach den Raum neben ihnen zu beleuchten. Ein Team von Wissenschaftlern der Vanderbildt-Universität hat es geschafft, die Lumineszenz in ihren Dienst zu stellen. Wissenschaftler haben eine genetisch veränderte Form eines Enzyms erhalten, das die Biolumineszenz von Körperzellen verursacht, und mit ihrer Hilfe "gelehrt", Gehirnzellen zu glühen.

Ziel des Projekts ist es, die Biolumineszenz von Gehirnneuronen während ihrer Operation sicherzustellen. Dies ermöglicht nach Ansicht von Wissenschaftlern ein besseres Verständnis des Prinzips des Gehirns einfacher Organismen, was zu einem Verständnis der Prinzipien des Gehirns komplexerer Tiere führen kann.

Moderne Wissenschaftler verfügen bereits über Technologien zur Verfolgung einzelner Gehirnneuronen. Diese Technologien weisen jedoch eine Reihe von Einschränkungen auf. Mit ihrer Hilfe können Sie beispielsweise die Arbeit nur einer bestimmten Anzahl von Neuronen verfolgen. Und im menschlichen Gehirn gibt es mehr als 86 Milliarden, so dass die vorhandenen elektrophysiologischen Methoden nicht die gleichzeitige Überwachung der Arbeit aller Abteilungen dieses komplexen Organs ermöglichen. Vielleicht hilft modifizierte Luciferase in naher Zukunft, dieses Problem zu lösen.

Ein Forscherteam veröffentlichte die Ergebnisse ihrer Arbeit in der Publikation Nature Communications . Grundlage sind die bisherigen Forschungsergebnisse von Spezialisten auf dem Gebiet der Lumineszenz (das Team untersuchte zuvor die einzellige Alge Chlamydomonas) und der Optogenetik.

Die Optogenetik ist eine Technik zur Untersuchung der Arbeit von Nervenzellen, die auf der Einführung spezieller Kanäle in ihre Membran-Opsine basiert, die auf Anregung durch Licht reagieren. Gentechnische Methoden werden verwendet, um die Kanäle auszudrücken. Zur anschließenden Aktivierung oder Aufhebung der Aktivität von Neuronen und ihren Netzwerken werden Laser, Lichtwellenleiter und andere komplexe optische Geräte verwendet. Optogenetik erschien im Jahr 2005. Dann verwendeten Wissenschaftler zuerst ein solches Opsin wie Channelrodopsin-2 ( Channelrhodopsin-2, ChR2 ).

Optogenetikermöglicht nicht nur die Abdeckung einer größeren Anzahl von Neuronen bei der Beobachtung als bei der Arbeit mit elektrophysiologischen Methoden zur Untersuchung neuronaler Netze. Es eröffnet auch die Möglichkeit einer hochselektiven Aktivierung oder Unterdrückung bestimmter neuronaler Verbindungen. Experten sagen, dass dies helfen wird, eine wirksame Therapie für Parkinson, Depressionen, Angstzustände und Epilepsie bereitzustellen. Wenn optogenetische Methoden angewendet werden, arbeiten Wissenschaftler normalerweise mit Fluoreszenz.

Laut Carl H. Johnson, Professor für Biologie, der die Studie leitet, sollte Biolumineszenz anstelle von Fluoreszenz verwendet werden. „Das Licht, das von den fluoreszierenden Zellen erzeugt wird, wird durch die zur Beobachtung notwendige Beleuchtung unterdrückt. Lumineszenz wirkt im Dunkeln “, sagte der Wissenschaftler. Das Problem ist auchDieses fluoreszierende Material ist nicht so einfach in alle Abteilungen des Gehirns einzuführen, die für Wissenschaftler von Interesse sind, da es in jedes einzelne Neuron eingeführt werden muss.

Daher haben Wissenschaftler einen anderen Ansatz gefunden. Sie nahmen Luciferase aus dem Körper des lumineszierenden Garnelentyps und veränderten ihn genetisch so, dass die Lichtaktivität der Luciferase in Gegenwart von Calciummolekülen zu erscheinen begann. Die Kalziumkonzentration in Neuronen ist ziemlich hoch, aber gleichzeitig reicht dieses Element außerhalb der Gehirnzellen nicht aus. Wenn ein Neuron ein Signal empfängt, wird die Calciumkonzentration maximal, was zur Lumineszenz der beteiligten Zelle führt. Das modifizierte Enzym konnte sich dank des Virus an Gehirnzellen anlagern. Damit führten Wissenschaftler das Enzym in den Kalziumsensor ein und führten es in das Neuron ein.


Die Lumineszenz einzelner Neuronen ist dank der Verwendung eines genetisch veränderten Enzyms möglich geworden (Quelle: Johnson Lab / Vanderbilt University).

Bisher wurde eine neue Technologie für im Labor gezüchtete Neuronen sowie für Hippocampus-Scheiben von Mäusen entwickelt. Die Vorbereitung einer Lumineszenzprobe dauert drei Wochen. In beiden Fällen begannen die Neuronen beim Empfang eines elektrischen Signals zu lumineszieren, was zu einem Anstieg der Calciumkonzentration führte. Der Erfolg von Wissenschaftlern beruht auch auf der Tatsache, dass kürzlich eine neue Luciferase namens NanoLuc geschaffen wurde .

"Wir haben gezeigt, dass unsere Technologie funktioniert", sagte Johnson. „Jetzt müssen wir feststellen, wie empfindlich es ist. Wir glauben, dass die neue Methode genau genug ist, um die Aktivierung einzelner Neuronen zu bestimmen, aber um dies zu überprüfen, müssen wir zusätzliche Tests durchführen. "

Forscher haben Informationen über das gentechnisch veränderte Enzym in der AddGene- Ressource veröffentlicht . Der Zugang zu diesen Informationen ist kostenlos.

Source: https://habr.com/ru/post/de398725/