Luminescence membantu para ilmuwan mempelajari fungsi neuron individu di otak hewan

Sumber: Alexey Kashpersky (kashpersky.com)

Spesies organisme hidup yang dapat bercahaya tidak terlalu langka. Ini adalah kunang-kunang, bakteri, dan ubur-ubur dengan cacing, belum lagi ikan laut dalam dan hewan lainnya. Luminescence membantu organisme ini menarik mangsa, berkomunikasi, atau hanya menerangi ruang di sebelahnya. Sebuah tim ilmuwan dari Universitas Vanderbildt berhasil memberikan pendaran pada layanan mereka. Para ilmuwan telah memperoleh suatu bentuk enzim yang dimodifikasi secara genetis yang menyebabkan bioluminesensi sel-sel tubuh, dan dengan bantuannya mereka "mengajar" untuk memancarkan sel-sel otak.

Tujuan dari proyek ini adalah untuk memastikan bioluminesensi neuron otak selama operasi mereka. Ini, menurut para ilmuwan, memungkinkan pemahaman yang lebih baik tentang prinsip otak organisme sederhana, yang dapat mengarah pada pemahaman tentang prinsip-prinsip otak hewan yang lebih kompleks.

Ilmuwan modern sudah memiliki teknologi untuk melacak neuron otak individu. Namun teknologi ini memiliki sejumlah keterbatasan. Misalnya, dengan bantuan mereka, Anda dapat melacak pekerjaan hanya sejumlah neuron tertentu. Dan di otak manusia ada lebih dari 86 miliar, sehingga metode elektrofisiologis yang ada tidak memungkinkan pemantauan secara simultan pekerjaan semua departemen organ kompleks ini. Mungkin modifikasi luciferase akan membantu menyelesaikan masalah ini dalam waktu dekat.

Sebuah tim peneliti mempublikasikan hasil pekerjaan mereka di publikasi Nature Communications . Dasarnya adalah hasil penelitian sebelumnya oleh spesialis di bidang luminesensi (tim sebelumnya mempelajari alga Chlamydomonas ganggang) dan optogenetika.

Optogenetika adalah teknik untuk mempelajari kerja sel-sel saraf, yang didasarkan pada pengenalan saluran khusus dalam membran - opsins mereka, yang merespons eksitasi dengan cahaya. Metode rekayasa genetika digunakan untuk mengekspresikan saluran. Untuk aktivasi atau suspensi selanjutnya dari aktivitas neuron dan jaringannya, laser, serat optik dan peralatan optik kompleks lainnya digunakan. Optogenetika muncul pada 2005. Kemudian para ilmuwan pertama kali menggunakan opsin seperti channelrodopsin-2 ( channelrhodopsin-2, ChR2 ).

Optogenetikamemungkinkan tidak hanya untuk menutupi sejumlah besar neuron dalam pengamatan daripada dalam kasus bekerja dengan metode elektrofisiologis untuk mempelajari jaringan saraf. Ini juga membuka kemungkinan aktivasi sangat selektif atau penekanan koneksi neuronal tertentu. Para ahli mengatakan ini akan membantu memberikan terapi yang efektif untuk penyakit Parkinson, depresi, kegelisahan dan epilepsi. Ketika metode optogenetik digunakan, para ilmuwan biasanya bekerja dengan fluoresensi.

Menurut Carl H. Johnson, profesor biologi, yang memimpin penelitian ini, bioluminescence harus digunakan sebagai pengganti fluoresensi. “Cahaya yang dihasilkan oleh sel-sel fluorescent ditekan oleh pencahayaan yang diperlukan untuk pengamatan. Luminescence bekerja dalam kegelapan, ”kata ilmuwan itu. Masalahnya jugabahwa bahan fluoresen tidak begitu sederhana untuk dimasukkan ke dalam semua bagian otak yang menarik bagi para ilmuwan, mengingat kebutuhan untuk memasukkannya ke setiap neuron individu.

Karena itu, para ilmuwan telah menemukan pendekatan yang berbeda. Mereka mengambil luciferase dari tubuh jenis luminescent udang, dan secara genetik memodifikasinya sehingga aktivitas bercahaya luciferase mulai muncul di hadapan molekul kalsium. Konsentrasi kalsium dalam neuron cukup tinggi, tetapi pada saat yang sama, unsur ini tidak cukup di luar sel-sel otak. Ketika neuron menerima sinyal, konsentrasi kalsium menjadi maksimum, yang mengarah pada pendaran sel yang terlibat. Enzim yang dimodifikasi mampu menempel pada sel-sel otak berkat virus. Dengan itu, para ilmuwan memperkenalkan enzim ke dalam sensor kalsium, memperkenalkannya ke dalam neuron.


Pendaran neuron individu telah dimungkinkan berkat penggunaan enzim yang dimodifikasi secara genetik (Sumber: Johnson Lab / Vanderbilt University)

Sejauh ini, teknologi baru telah dikembangkan pada neuron yang ditanam di laboratorium, serta pada irisan hippocampal tikus. Butuh tiga minggu untuk menyiapkan sampel luminescent. Dalam kedua kasus, neuron mulai bercahaya setelah menerima sinyal listrik, yang mengarah pada peningkatan konsentrasi kalsium. Keberhasilan para ilmuwan juga disebabkan oleh fakta bahwa luciferase baru, yang disebut NanoLuc , baru-baru ini telah dibuat .

"Kami menunjukkan bahwa teknologi kami berfungsi," kata Johnson. “Sekarang kita perlu menentukan seberapa sensitifnya itu. Kami percaya bahwa metode baru ini cukup akurat untuk menentukan aktivasi neuron individu, tetapi untuk memverifikasi ini, kita perlu melakukan tes tambahan. "

Para peneliti telah memposting informasi tentang enzim yang dimodifikasi secara genetik pada sumber daya AddGene . Akses ke informasi ini gratis.

Source: https://habr.com/ru/post/id398725/