Forskare har undersökt ett protein som kan användas inom optogenetik och som kan användas för att kontrollera muskel- och neuronceller. Uppsatsen om det ljuskänsliga NsXeR-proteinet i xenorhodopsin-klassen publicerades i Vetenskapens framsteg av det internationella teamet av forskare från MIPT, Forschungszentrum Jülich, och Institut de Biologie Structurale.

Optogenetik är en ny teknik som använder ljus för att kontrollera nervceller eller muskelceller i levande vävnad. Det har funnit bred tillämpning i nervsystemstudier. Optogenetiska manipulationer är så exakta att de gör det möjligt att kontrollera enskilda neuroner genom att slå på eller av vissa informationsöverföringsvägar. Liknande metoder används också för att delvis vända syn- eller hörselnedsättning samt för att kontrollera muskelsammandragningar.

De viktigaste verktygen för optogenetik är ljuskänsliga proteiner som avsiktligt sätts in i särskilda celler. Efter införandet, proteinet blir fäst vid cellytan och flyttar joner över membranet vid exponering för ljus. Således, i en modifierad neuroncell, en korrekt vald ljusimpuls kan aktivera en neural signal eller, tvärtom, undertrycka alla signaler, beroende på vilket protein som används. Genom att aktivera signaler från individuella neuroner, det är möjligt att imitera funktionen hos vissa hjärnregioner – en teknik som modulerar beteendet hos organismen som studeras. Om sådana proteiner sätts in i muskelceller, en extern signal kan spänna eller slappna av dem.

Författarna till tidningen, som publicerades i Vetenskapens framsteg , beskrev ett nytt optogenetiskt verktyg - ett protein som heter NsXeR, som tillhör klassen av xenorhodopsiner . När den utsätts för ljus, det kan aktivera enskilda neuroner, får dem att skicka inställda signaler till nervsystemet. Förutom tillämpningar inom nervsystemforskning, xenorhodopsiner kan också ta över muskelcellskontrollen. För att aktivera dessa celler, det är att föredra att kalciumjontransporten blockeras, eftersom förändringar i jonkoncentrationen kan påverka dem. När man använder proteiner som transporterar olika positiva joner (som kalcium) icke-selektivt, oönskade biverkningar kommer sannolikt att uppstå.

Proteinet hjälper till att kringgå okontrollerad kalciumtranslokation. Den är selektiv och pumpar inget annat än protonerna in i cellen. På grund av denna selektivitet, det har en avsevärd fördel jämfört med sin främsta rival kanalrodopsin, som används flitigt i forskning men inte gör skillnad på positivt laddade joner. Vad är mer, xenorhodopsinagerar som en pålitlig pump, transporterar protoner både in i och ut ur cellen oavsett deras koncentration, medan kanalrodopsin endast tillåter joner att flytta från ett område med högre koncentration till ett område med lägre koncentration. I båda fallen minskar ett positivt laddningsinflöde in i en exciterbar cell spänningen mellan dess inre och yttre membranytor. Sådan membrandepolarisering genererar en nerv- eller muskelimpuls. Förmågan att inducera en sådan impuls genom att bara pumpa protoner kommer att minska möjliga biverkningar under forskning.

"Än så länge har vi all nödvändig information om hur proteinet fungerar. Detta kommer att bli grunden för vår fortsatta forskning som syftar till att optimera och anpassa proteinparametrarna till optogenetikens behov, säger Vitaly Shevchenko, uppsatsens huvudförfattare och en anställd vid MIPT Laboratory for Advanced Studies of Membrane Proteins.