Червей заставили стоять на фиолетовый сигнал и двигаться на зеленый

Японские исследователи пришли к выводу, что светочувствительные белки животных — комаров и миног — подходят для оптогенетической регуляции работы нервных клеток не хуже, а в чем-то и лучше, чем классический микробный канальный родопсин 2. В эксперименте трансгенные модельные черви с этими белками демонстрировали крайне высокую светочувствительность, а также приходили в движение при зеленом освещении и останавливались под фиолетовым. Отчет о работе опубликован в журнале PNAS.

Оптогенетика — сравнительно молодая методика, существующая на протяжении 20 лет и находящаяся в непрерывном процессе разработки. Ее суть состоит во внедрении в заданные клетки (чаще всего нейроны) генов светочувствительных белков-опсинов с помощью Cre-рекомбиназ или аденоассоциированного вирусного вектора для последующего управления этими клетками (активации или подавления) с использованием лазера, оптоволокна или другой оптической аппаратуры. Оптогенетику успешно задействуют в изучении нервной регуляции принятия решений, обучения, страха, питания, передвижения, размножения и зависимостей. В экспериментах с ее помощью удавалось управлять движением стрекозы, контролировать восприятие боли у мышей и частично восстановить зрение у слепых животных. Последнюю технологию в 2021 году успешно воспроизвели у человека. В настоящее время в оптогенетике наиболее широко используют канальный родопсин 2 (ChR2), полученный от одноклеточной водоросли Chlamydomonas reinhardtii.

Сотрудники Университета агломерации Осаки проверили оптогенетическую пригодность бистабильных светочувствительных белков животных: опсина 3 комаров (MosOpn3) и парапинопсина миног (LamPP), сопряженных с G-белком. Трансгены первого вводили в ноцицептивные (отвечающие за восприятие боли), а второго — в холинергические моторные (двигательные) нейроны модельного круглого червя Caenorhabditis elegans.

В эксперименте активация MosOpn3 вызывала стойкую реакцию избегания, аналогичную ответу на болевой импульс. Черви с этим белком продемонстрировали примерно в семь тысяч раз более высокую чувствительность к свету, чем экспрессирующие ChR2, что свидетельствует о преимуществе комариного опсина.

LamPP чувствителен к ультрафиолету и способен к фоторегенерации под действием зеленого света. Соответственно, он позволял контролировать поведение экспрессирующих его червей цветозависимо: при облучении фиолетовым светом они останавливались, а «увидев» зеленый, продолжали координированное движение. Потребность в кофакторе ретинале при использовании MosOpn3 и LamPP была сопоставимой с работой ChR2.

В ходе дополнительных экспериментов авторы работы приспособили MosOpn3 для светозависимой положительной регуляции концентраций цАМФ и ионов кальция в клетках, а LamPP — для цветозависимого управления уровнем цАМФ, продемонстрировав таким образом разнообразие их возможных оптогенетических применений. Как пишут исследователи, полученные результаты свидетельствуют о потенциальных многочисленных стратегиях оптического контроля функций сопряженных с G-белком рецепторов и связанных с ними физиологических процессов, включая восприятие вкусов и запахов, а также действие гормонов и нейромедиаторов.

Оптогенетика — не единственный метод, которым люди пытаются управлять поведением беспозвоночных. Так, например, с помощью нейромышечных электродов удалось изменить походку жука-бронзовки, а реализованная коммерчески система управления тараканом-киборгом путем электростимуляции его усиков научилась заодно собирать данные о его перемещениях и окружающей температуре.