Novel optogenetische Werkzeug könnte in den Neurowissenschaften verwendet, um die Schalt neuronaler Netze zu untersuchen

In der Zeitschrift Science , jetzt präsentieren Wissenschaftler ein Protein, das die Steuerung von Nervenzellen durch Licht erleichtert . Es könnte als Grundlage von Studien von Erkrankungen des Nervensystems verwendet werden.

Vernetzte Nervenzellen sind die Schaltzentrale von Organismen. In einem Nematoden sind 300 Nervenzellen aus, um komplexes Verhalten zu initiieren. Um die Eigenschaften der Netzwerke zu verstehen , schalten Sie wieder Forscher Zellen ein und aus mit Licht und beobachten Sie das resultierende Verhalten des Organismus.

Um eine Nervenzelle mit Licht wechseln, werden bestimmte Proteine ​​bilden Ionenkanäle in der Zellmembran verwendet . Diese Proteine ​​sind genannt Channelrhodopsinen . Wenn Licht auf die Kanäle , öffnen Sie sie und Ionen in und machen die Zelle spezifisch aktiv oder inaktiv . Auf diese Weise wird ein sehr feines Werkzeug erhalten wird, um Funktionen in dem Netzwerk von Nervenzellenzu untersuchen. Bisher werden jedoch große Mengen von Licht erforderlich waren und nur eng begrenzten Bereichen in dem Netzwerk kann umgeschaltet werden. Die ChlocC Kanalrhodopsin jetzt präsentiert reagiert etwa 10.000 -mal empfindlicher auf Licht als andere Proteine ​​bisher zum Abschalten Nervenzellen eingesetzt.

"Für die Modifikation des Proteins , analysierten wir die Struktur auf dem Computer ", Marcus Elstner , KIT , erklärt . Die theoretische Chemiker und sein Team modelliert die Proteine, die von ca. 5000 Atomen bestehen . Dazu verwendet sie die leistungsfähigsten Computer der KIT -Rechenzentrum , das Steinbuch Centre for Computing , SCC . Zusammen mit der Proteinumgebung , dh die Zellmembran und Zellwasser , hatte etwa 100.000 Atome für die Berechnungen, die mehrere Wochen dauerte berücksichtigen. " Es wurde festgestellt , dass die Ionenleitfähigkeit des Kanals sich im wesentlichen auf drei Aminosäuren in der zentralen Region , dh auf etwa 50 Atomen in nur den Kanal basierend ". Durch Austausch der Aminosäuren , haben Wissenschaftler nun in der Erhöhung der Empfindlichkeit des Ionenkanals erfolgreich.

Lichtaktivierten Ionenkanäle , die sogenannten Channelrhodopsinen , aus Mikroalgen haben seit 2005 neuronalen Teile oder lebenden transgenen Modellorganismen , wie Fliegen, Zebrafisch , oder Mäusen verwendet wurden , erlauben sie für die spezifische Aktivierung der ausgewählten Zellen mit Licht. Somit kann Verständnis ihrer Rolle in der Zellstruktur verbessert werden. Diese Technologie ist als Optogenetik bekannt und weit verbreitet angewandt . In den vergangenen Jahren , trug es zur besseren Verständnis der Biologie der Signalverarbeitung. Bisher wurden unzugänglich Nervenbahnen abgebildet und viele Beziehungen wurden unter Proteinen , Zellen, Gewebe und Funktionen des Nervensystems entdeckt.


Nervenzellen bilden Netzwerke, die Signale verarbeiten kann.
Bildnachweis: Foto: J. Wietek / HU Berlin

Im Rahmen der Studie in der neuesten Wissenschaft Ausgabe berichtet, Forscher aus Karlsruhe, Hamburg und Berlin weiterentwickelt, die Ionenkanäle. Jonas Wietek und Nona Adeischwili arbeiten im Team von Peter Hegemann an der Humboldt-Universität Berlin haben bei der Ermittlung der Selektivitätsfilter der channelrho-dopsins und zu modifizieren, so dass negativ geladene Chloridionen durchgeführt werden konnte. Diese Chlorid-leitende Kanäle wurden ChlocC unter Wissenschaftlern genannt. Hiroshi Watanabe aus dem Team von Marcus Elstner, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), berechnet Ionenverteilung im Protein und visualisiert die erhöhte Chloridverteilung. Simon Wiegert aus dem Team von Thomas Oertner des Zentrum für Molekulare Neurobiologie, Hamburg, gezeigt, dass ChlocC können in ausgewählte Neuronen zur Inaktivierung des letzteren mit sehr geringen Lichtintensitäten ähnlich wie die Vorgänge im lebenden Organismus eingeführt werden. Mit Chloé eine neuartige optogenetische Tool ist ab sofort verfügbar, die verwendet werden können, Neurowissenschaften um das Schalten von neuronalen Netzwerken zusammen mit den bereits bekannten lichtaktivierten Kationenkanäle , die hauptsächlich leiten Natrium-Ionen und pro- Tonnen studieren. Dieses grundlegende Wissen, könnte ein besseres Verständnis der Mechanismen von Krankheiten wie Epilepsie und Parkinson. In einigen Jahren von jetzt an, dieser Anstieg an Therapiekonzepte , die viel genauer als die Medikamente heute verwendet werden könnten geben kann .