Das hinzufügen neuer Kanäle zum Gehirn Fernbedienung

Durch die Aktivierung von super-schnell-Fernbedienung von spezifischen Zellen, Licht-aktivierte Proteine können die Forscher zur Untersuchung der Funktion der einzelnen Neuronen in einem großen Netzwerk—sogar ein ganzes Gehirn. Nun, einer der Pioniere der „optogenetik“ und Kollegen erstellt haben, sind zwei neue tools—protein-Poren, die, wenn beleuchtet ermöglichen Ca2 in Zellen oder K aus—für Schalt-Neuronen auf ein oder aus mit Hilfe von Licht. Publiziert in Frontiers in Neuroscience, Ihre Studie zeigt, dass diese synthetischen ‚Ionenkanäle‘ kann verwendet werden, um die Kontrolle bestimmter Nervenzellen, sogar mit lebenden Tieren.

Controlling Neuronen mit Licht

Georg Nagel Forschungsgruppe an der Universität Würzburg vereint die DNA aus dem ganzen reiche des Lebens—von aquatischen Wärme liebende Bakterien Kühe—zum erstellen von hybrid-Ionen-Kanäle, die sich öffnen, wenn animiert durch Licht. Ionenkanäle aktivieren erregbar Zellen wie Neuronen zu generieren und transportieren elektrische Signale, indem Sie geladene Ionen übergeben durch die Zellmembran.

„Durch die Konstruktion von spezifischen Neuronen, diese auszudrücken Kanäle, wir können einschalten und ausschalten mit Licht“, erklärt Nagel.

Die optogenetik wurde zuerst geboren, wenn Nagel und langjähriger Mitarbeiter Peter Hegemann isoliert von Grünalgen zwei Licht-aktivierte Kanäle genannt ‚channelrhodopsins‘. Diese ermöglichen den positiv geladenen Ionen, insbesondere Na – zu geben und erregen Nervenzellen.

Nach dem Erfolg von channelrhodopsins, eine andere Natürliche optogenetische Ionen-Kanal ‚halorhodopsin‘ wurde entwickelt für die Verwendung als ein neuron-Schalldämpfer. Wenn beleuchtet, halorhodopsin hemmt die neuronalen Signale mit Licht-induzierten einstroms von negativ geladenen Cl – Ionen.

Mit der riesigen Nachfrage nach noch mehr optogenetische Werkzeuge, Nagel-und andere Verwendung von gen-editing-Techniken zum erstellen von synthetischen Licht-aktivierte Kanäle mit neuen Eigenschaften.

„Channelrhodopsins niedrige Ca2 Permeabilität und Cl – – Kanälen wie halorhodopsin können tatsächlich begeistern Zellen, die eine hohe Cl – Gehalt. Trotz einer wachsenden Zahl von synthetischen alternativen, hoch-durchlässigen, Licht-empfindliche Kanäle, die selektiv Ca2 in Zellen—oder unterdrücken, indem man K aus—weiterhin ganz oben auf vielen Wunschlisten.“

Engineering-der neue control-Schalter

Der Bau von neuen Licht-aktivierten tools für Na /Ca2-und K-Bewegung in und aus Zellen, die Gruppe nahm zwei vorhandenen Ionenkanäle aktiviert durch einen universal-Zell-Botenstoff namens ‚cAMP‘ und fusioniert jeder mit einem bakteriellen Enzym, das produziert cAMP in Reaktion auf Licht.

„Wir haben versucht, die Fixierung der DNA-Segmente, die in verschiedene Möglichkeiten, die Konfiguration zu finden mit dem höchsten Licht-aktivierte Ionen-Durchlässigkeit“, sagt senior Autor der Studie und Nagel Schützling Dr. Shiqiang Gao.

Die Ergebnisse waren eine höchst Ca2 -permeable, und einer stark durchlässigen K -selektiven Kanal, die jeweils aktiviert durch blau-Licht.

Mit Mitarbeiter Dr. Dennis Pauls von der Universität Würzburg, Professor Robert Kittel und Dr. Nadine Ehmann von der Universität Leipzig, der Nagel-Gruppe, die über die Prüfung dieser neu geschaffenen Kanäle in Drosophila (Frucht-Fliegen) Neuronen und mit Dr. Christine Gee und Ph. D. student Oana Constantin von der ZMNH Hamburg in Ratten-Neuronen.

„Diese neuen Kanäle, wenn beleuchtet aktiviert oder gehemmt isolierten Ratten-Neuronen, bzw.“, berichtet Dr. Gee „und verursacht Körper Kontraktion oder Entspannung, als Ausdruck der motorischen Nervenzellen im gesamten Drosophila-Larven“, ergänzt Dr. Pauls.

Würdig Ergänzungen der optogenetische toolkit

Die Autoren betonen die potenziellen Nachteile der Verwendung von cAMP zu vermitteln Licht-Reaktionsfähigkeit in diese Kanäle.

„cAMP selbst ist ein wichtiger Gesandter in vielen zellprozessen, so steuert auszudrücken, nur die bakterielle cAMP-produzierenden Enzyms erforderlich sind, um zu unterscheiden zwischen den Auswirkungen der Licht-induzierten cAMP -, Ca2 und K .

„Darüber hinaus Lager, die von anderen Enzymen native zu der Zelle könnte direkt aktivieren die Kanäle. Das wahrscheinlich erklärt, warum die Fruchtfliege Larven entwickelt, um express die neuen Kanäle sind kleiner, bewegen sich etwas langsamer, und nicht, um zu Reifen in Erwachsenen Fliegen.

Gao und Nagel sind dennoch zuversichtlich, dass Ihre neuesten Beiträge sind eine wertvolle Ergänzung für die optogenetische toolkit, verdient eine weitere Charakterisierung und Entwicklung.