A luminescência ajuda os cientistas a estudar o funcionamento de neurônios individuais no cérebro dos animais

Fonte: Alexey Kashpersky (kashpersky.com)

Espécies de organismos vivos que podem luminar não são tão raras. São vaga-lumes, bactérias e águas-vivas com vermes, sem mencionar peixes de profundidade e outros animais. A luminescência ajuda esses organismos a atrair presas, se comunicar ou simplesmente iluminar o espaço ao lado deles. Uma equipe de cientistas da Universidade Vanderbildt conseguiu colocar a luminescência a seu serviço. Os cientistas obtiveram uma forma geneticamente modificada de uma enzima que causa a bioluminescência das células do corpo e, com sua ajuda, eles "ensinaram" a brilhar células cerebrais.

O objetivo do projeto é garantir a bioluminescência dos neurônios cerebrais durante sua operação. Segundo os cientistas, isso permite uma melhor compreensão do princípio do cérebro de organismos simples, o que pode levar a uma compreensão dos princípios do cérebro de animais mais complexos.

Os cientistas modernos já têm à sua disposição a tecnologia para rastrear neurônios cerebrais individuais. Mas essas tecnologias têm várias limitações. Por exemplo, com a ajuda deles, você pode acompanhar o trabalho de apenas um certo número de neurônios. E no cérebro humano existem mais de 86 bilhões, de modo que os métodos eletrofisiológicos existentes não permitem monitorar simultaneamente o trabalho de todos os departamentos desse órgão complexo. Talvez a luciferase modificada ajude a resolver esse problema no futuro próximo.

Uma equipe de pesquisadores publicou os resultados de seu trabalho na publicação Nature Communications . A base são os resultados anteriores de pesquisas de especialistas no campo da luminescência (a equipe estudou anteriormente a alga unicelular Chlamydomonas) e optogenética.

A optogenética é uma técnica para estudar o trabalho das células nervosas, que se baseia na introdução de canais especiais em suas membranas - opsinas, que respondem à excitação pela luz. Métodos de engenharia genética são usados ​​para expressar os canais. Para a subsequente ativação ou suspensão da atividade dos neurônios e suas redes, são utilizados lasers, fibras ópticas e outros equipamentos ópticos complexos. A optogenética apareceu em 2005. Em seguida, os cientistas usaram uma opsina como channelrodopsin-2 ( channelrodopsin-2, ChR2 ).

Optogenéticapermite não apenas cobrir um número maior de neurônios em observação do que no caso de trabalhar com métodos eletrofisiológicos para o estudo de redes neurais. Também abre a possibilidade de ativação ou supressão altamente seletiva de certas conexões neuronais. Especialistas dizem que isso ajudará a fornecer terapia eficaz para a doença de Parkinson, depressão, ansiedade e epilepsia. Quando métodos optogenéticos são usados, os cientistas geralmente trabalham com fluorescência.

De acordo com Carl H. Johnson, professor de biologia, que lidera o estudo, a bioluminescência deve ser usada em vez da fluorescência. “A luz gerada pelas células fluorescentes é suprimida pela iluminação necessária para a observação. A luminescência funciona no escuro ”, disse o cientista. O problema também éesse material fluorescente não é tão simples de introduzir em todos os departamentos do cérebro que interessam aos cientistas, dada a necessidade de introduzi-lo em cada neurônio individual.

Portanto, os cientistas encontraram uma abordagem diferente. Eles pegaram a luciferase do corpo de uma espécie de camarão luminescente e a modificaram geneticamente para que a atividade luminosa da luciferase começasse a aparecer na presença de moléculas de cálcio. A concentração de cálcio é bastante alta nos neurônios, mas, ao mesmo tempo, esse elemento não é suficiente fora das células cerebrais. Quando um neurônio recebe um sinal, a concentração de cálcio se torna máxima, o que leva à luminescência da célula envolvida. A enzima modificada foi capaz de se ligar às células do cérebro graças ao vírus. Com isso, os cientistas introduziram a enzima no sensor de cálcio, introduzindo-o no neurônio.


A luminescência de neurônios individuais tornou-se possível graças ao uso de uma enzima geneticamente modificada (Fonte: Johnson Lab / Universidade Vanderbilt)

Até agora, uma nova tecnologia foi desenvolvida em neurônios cultivados em laboratório, bem como em fatias de ratos no hipocampo. Demora três semanas para preparar uma amostra luminescente. Nos dois casos, os neurônios começaram a se iluminar ao receber um sinal elétrico, levando a um aumento na concentração de cálcio. O sucesso dos cientistas também se deve ao fato de uma nova luciferase, chamada NanoLuc , ter sido criada recentemente .

"Mostramos que nossa tecnologia funciona", disse Johnson. “Agora precisamos determinar o quão sensível é. Acreditamos que o novo método é preciso o suficiente para determinar a ativação de neurônios individuais, mas para verificar isso, precisamos realizar testes adicionais ".

Os pesquisadores publicaram informações sobre a enzima geneticamente modificada no recurso AddGene . O acesso a essas informações é gratuito.

Source: https://habr.com/ru/post/pt398725/