Нервный импульс возникает, когда в клетку через специальные каналы входят ионы натрия [1]. Биоинженеры вовсю используют натриевые каналы, произвольно открываемые светом: нейроны, в которые встроены такие управляемые каналы, можно активировать светом с определенной длинной волны*. Возможность включать конкретные нейроны очень полезна для ученых, поскольку помогает им разобраться, на чём специализируется та или иная группа нервных клеток. Кроме того, некоторые исследователи работают над вариантами оптогенетических методик, которые могли бы помочь людям с поражениями сетчатки. Если у пациента погибли клетки сетчатки, но сохранились следующие в цепочке нейроны, которые должны передавать зрительную информацию в мозг, с помощью оптогенетики можно «попросить» их взять на себя функции сетчатки — научить «видеть»**. Недавно в журнале PLoS Biology опубликовали статью о создании специального химерного белка, который может выполнить такую задачу — сделать нейроны «зрячими» [2]. Этот белок сочетает в себе светочувствительную часть пигмента меланопсина с рецептором mGluR6 ON-биполярных клеток — первым из белков сигнального каскада, запускаемого в клетках сетчатки под действием света. Остальные компоненты каскада есть в любом нейроне. Химерный белок Opto-mGluR6 лишен типичного недостатка оптогенетических «инструментов» предыдущего поколения — слабой чувствительности к свету.

* — Эта биоинженерная методика называется оптогенетикой. Очень доступно о том, как она хитроумно работает и чем оптогенетика способна помочь психиатрам и неврологам, рассказано в статье «Светлая голова» [3]. — Ред.

** — Как именно оптогенетика (с помощью других хай-тек штучек в составе спецпротезов) может заставить видеть даже в случае тотального повреждения фоторецепторных клеток сетчатки, описано в статье «Оптогенетика + голография = прозрение?» [4]. — Ред.

Итак, ученые уже умеют целенаправленно запускать нервный импульс в нейронах — с помощью управляемых светом натриевых каналов. Но для полноты арсенала им давно хотелось получить белки, которые могли бы, наоборот, отключать нейроны. В природе нейроны сбрасывают накопившийся потенциал, открывая другие каналы — калиевые. Концентрация калия во всех живых клетках выше, чем в окружающей их среде, поэтому через такие каналы ионы калия по градиенту концентрации выходят из нейрона, и его возбуждение спадает. Именно такую систему сброса потенциала, только управляемую, и хотелось создать ученым. Конечно, сбросить потенциал на мембране нейрона можно и выкачав из него любые другие катионы — к примеру, протоны. Однако в таком случае ионы придется выкачивать насильно — против градиента концентрации. При этом, во-первых, нужно будет тратить энергию, а во-вторых, считаться с риском слишком сильно отдалиться от природного баланса ионов. А если использовать те вещества, которые сами стремятся выйти из клетки, можно не нарушать пределы природных содержаний ионов.

Натриевый управляемый светом канал под названием канальный родопсин (каналродопсин, channelrhodopsin, ChR) ученые позаимствовали у водорослей, а вот калиевых каналов, которые можно открывать с помощью света, в природе не обнаружено. Чтобы восполнить этот досадный пробел, за дело взялись биоинженеры. Однако до сих пор плоды их трудов были не очень удобными для практического применения: они либо состояли из нескольких компонентов, либо требовали добавления кофакторов, либо работали необратимо (то есть всего один раз). И только недавно международная команда исследователей объявила о создании такого управляемого светом калиевого канала, о котором не стыдно написать в журнале Science [5].

Если в природе нет того, что вам нужно, то наверняка в ней есть хотя бы части этого чего-то. Чтобы получить управляемый светом калиевый канал, биоинженеры соединили обычный, слабо чувствительный к потенциалу, калиевый канал вируса PBCV (Paramecium bursaria chlorella virus из семейства Phycodnaviridae) и белок, реагирующий на синий свет (рис. 1).

Светочувствительную часть канала взяли у растений как организмов, которые сильнее всего нуждаются в свете и умеют реагировать на тонкие изменения его параметров. Фотосенсорный домен под названием LOV от рецептора синего света овса меняет конформацию под действием света и потенциально мог бы влиять на проводимость калиевого канала. Поэтому LOV решили «пришить» к тем регионам вирусного канала, которые могут механически воздействовать на его работу. Гены, кодирующие такие химерные белки, вводили дрожжам с удаленными собственными генами калиевых каналов, так что выживали только те, кому посчастливилось получить рабочий вариант искусственного канала. Так ученым удалось создать один из вариантов канала, который действительно активировался светом, но делал это очень медленно и работал плохо. Тогда биоинженеры решили его усовершенствовать, сблизив рецепторную и каналообразующую части, для чего добавили к рецепторному домену несколько аминокислот, помогающих заякорить его в мембране. Новый канал гораздо лучше реагировал на свет, только немного неожиданно — стал отключаться под его действием. Но биоинженеры не опустили руки и с помощью внесения целенаправленных и случайных мутаций всё-таки добились того, чтобы канал включался под действием света, а в темноте, наоборот, не работал.

Чтобы проверить, можно ли использовать полученный канал — BLINK1 — в качестве оптогенетического инструмента, его ген ввели в оплодотворенные яйцеклетки рыбок Danio rerio. Поведением некоторых из этих трансгенных рыбок действительно удалось управлять: в норме рыбки быстро уплывают, если чувствуют неожиданное прикосновение, но трансгенные особи под действием синего света не проявляли такую реакцию.

Так что оптогенетиков можно поздравить с пополнением их арсенала: теперь нейроны можно не только включать, но и выключать с помощью света. На самом деле возможности таких белков шире и позволяют управлять не только поведением нейронов — ведь мембранный потенциал важен и для регуляции клеточного цикла, и для выделения гормонов, и для сокращения сердца.

Литература

1. Формирование мембранного потенциала покоя;
2. Van Wyk M., Pielecka-Fortuna J., Löwel S., Kleinlogel S. (2015). Restoring the ON switch in blind retinas: opto-mGluR6, a next-generation, cell-tailored optogenetic tool. PLoS Biol. 13 (5), e1002143. doi: 10.1371/journal.pbio.1002143;
3. Светлая голова;
4. Оптогенетика + голография = прозрение?;
5. Cosentino C., Alberio L., Gazzarrini S., Aquila M., Romano E., Cermenati S. et al. (2015). Optogenetics. Engineering of a light-gated potassium channel. Science. 348, 707–710;
6. Яды — высокоточное оружие: компьютерное исследование природных нейротоксинов;
7. О чем не знал Гальвани: пространственная структура натриевого канала;
8. Thiel G., Moroni A., Blanc G., van Etten J.L. (2013). Potassium ion channels: could they have evolved from viruses? Plant Physiology. 162, 1215–1224..