Niektóre wielkie odkrycia naukowe nie zostały w rzeczywistości odkryte. Są pożyczone. Tak właśnie stało się, gdy naukowcy pozyskali białka od mało prawdopodobnego pożyczkodawcy: zielonych alg.
Komórki gatunku glonów Chlamydomonas reinhardtii są ozdobione białkami, które potrafią wyczuwać światło. Ta umiejętność, po raz pierwszy zauważona w 2002 roku, szybko przyciągnęła uwagę naukowców zajmujących się mózgiem. Białko wyczuwające światło obiecywało moc kontrolowania neuronów – komórek nerwowych mózgu – poprzez zapewnienie sposobu na ich włączanie i wyłączanie w dokładnie odpowiednim miejscu i czasie.
Komórki nerwowe zmodyfikowane genetycznie do produkcji białek alg stają się marionetkami sterowanymi światłem. Błysk światła może skłonić cichy neuron do odpalenia sygnałów lub zmusić aktywny neuron do wyciszenia.
„Ta cząsteczka jest czujnikiem światła, którego potrzebowaliśmy”, mówi neurobiolog wzroku Zhuo-Hua Pan, który szukał sposobu na kontrolowanie komórek wzroku w siatkówkach myszy.
Metoda umożliwiona przez te białka pożyczkowe jest obecnie nazywana optogenetyką, ze względu na połączenie światła (opto) i genów. W niecałe dwie dekady optogenetyka doprowadziła do dużego wglądu w to, jak przechowywane są wspomnienia, co tworzy percepcję i co dzieje się nie tak w mózgu podczas depresji i uzależnienia.
Wykorzystując światło do napędzania aktywności niektórych komórek nerwowych, naukowcy bawili się mysimi halucynacjami: myszy widziały linie, których tam nie było, i przypomniały sobie pokój, w którym nigdy nie były. Naukowcy wykorzystali optogenetykę, aby myszy walczyły, kopulowały i jadły, a nawet dawały myszom niewidomym wzrok. Po raz pierwszy optogenetyka przywróciła ostatnio aspekty widzenia niewidomego mężczyzny.
Wczesna wskazówka na temat potencjału optogenetyki pojawiła się około godziny 1 w nocy 4 sierpnia 2004 r. Neurobiolog Ed Boyden przebywał w laboratorium w Stanford, sprawdzając płytkę z neuronami, które posiadały gen jednego z glonowych czujników światła, zwany rodopsyną kanałową-2. Boyden zamierzał oświetlić komórki niebieskim światłem i sprawdzić, czy wysyłają sygnały. Ku jego zdumieniu pierwsza komórka, którą sprawdził, zareagowała na światło wybuchem akcji, napisał Boyden w swoim koncie z 2011 roku. Możliwości wywołane przez tę małą iskierkę aktywności, opisaną w raporcie technicznym z 2005 r. przez Boydena, Karla Deisserotha ze Stanford University i jego współpracowników, szybko stały się rzeczywistością.
W laboratorium białka reagujące na światło przywróciły wzrok u myszy z uszkodzonymi siatkówkami, co teraz doprowadziło do badań klinicznych na ludziach. Obietnica Optogenetics nie została spełniona w tych wczesnych dniach, ponieważ naukowcy po raz pierwszy nauczyli się wykorzystywać te białka w neuronach. „W tamtym czasie nikt nie przewidywał, że ta optogenetyczna praca będzie miała tak ogromny wpływ” – mówi Pan.
Od czasu tych wczesnych odkryć czujniki światła alg zostały zaadoptowane do użytku na wielu arenach badań mózgu. Na przykład neurobiolog Talia Lerner z Northwestern University w Chicago wykorzystuje optogenetykę do badania połączeń między komórkami w mózgu myszy. Metoda ta pozwala jej rozdzielić relacje między komórkami, które produkują i reagują na dopaminę, chemiczny przekaźnik zaangażowany w ruch i nagrodę. Te połączenia komórkowe, oświetlone optogenetyką, mogą pomóc w ujawnieniu szczegółów dotyczących motywacji i uczenia się. „Moje badania naprawdę nie byłyby możliwe w obecnej formie bez optogenetyki” – mówi.
Optogenetyka jest również niezbędna dla Jeanne Paz z Gladstone Institutes w San Francisco. Ona i jej koledzy polowali na komórki, które mogą powstrzymać rozprzestrzenianie się napadów w mózgu. Dając jej możliwość kontrolowania odrębnych grup neuronów, optogenetyka jest kluczowa w jej poszukiwaniach. „Naprawdę nie mogliśmy zadać tych pytań żadnym innym narzędziem” — mówi Paz.
Jej wspomagane optogenetycznie poszukiwania doprowadziły Paz do struktury mózgu zwanej wzgórzem, stanowiącej stację przesiadkową dla wielu sieci neuronowych w mózgu. „Pamiętam gęsią skórkę, której doświadczyłam, gdy po raz pierwszy oświetliłam wzgórze i zatrzymało to napad” – mówi.
Do tej pory badania optogenetyczne odbywały się głównie na myszach. Ale wkrótce można znaleźć wgląd w bardziej złożone mózgi, w tym mózgi naczelnych, mówi Yasmine El-Shamayleh z Columbia University. W 2009 roku Boyden i współpracownicy opisali optogenetykę u makaka. El-Shamayleh i inni mocno forsują tę linię badań. „Zdecydowanie jesteśmy u progu” ujawnienia fascynujących zasad działania mózgu naczelnych, takich jak przekształcanie przez mózg sygnałów z oczu w percepcje – mówi.
Optogenetyka szybko ewoluowała. Naukowcy opracowali i zoptymalizowali nowe czujniki światła oraz nowe sposoby łączenia ich z innymi technikami. Ważnym powodem dzisiejszych szeroko zakrojonych innowacji, mówi Lerner, był wczesny duch dzielenia się pionierami optogenetyki. W Stanford Deisseroth regularnie prowadził warsztaty, aby szkolić innych naukowców w zakresie tej techniki. „Pod pewnymi względami jest to równie ważne, jak wymyślanie jej” – mówi Lerner.
Bez względu na to, co wydarzy się dalej w tej szybko zmieniającej się dziedzinie, jedno jest pewne: naukowcy zajmujący się mózgiem będą na zawsze pochłonięci glonami.
