Die Ionenkanalmechanik liefert Einblicke in optogenetische Experimente

Die Ionenkanalmechanik liefert Einblicke in optogenetische Experimente

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Anonim

von der University of California - Santa Cruz

Optogenetische Techniken, die es Wissenschaftlern ermöglichen, Nervenzellen mithilfe von Lichtstimulation abzubilden und zu steuern, werden verwendet, um neuronale Schaltkreise im Gehirn mit beispielloser Präzision zu untersuchen. Diese revolutionäre Technologie stützt sich auf lichtempfindliche Proteine ​​wie Channelrhodopsine. Forscher an der UC Santa Cruz haben nun den molekularen Mechanismus für die lichtinduzierte Aktivierung eines dieser Proteine ​​ermittelt.

Die neuen Erkenntnisse, die am 3. Juli in zwei Artikeln im Journal of Biological Chemistry veröffentlicht wurden , können Wissenschaftlern helfen, maßgeschneiderte Proteine ​​zu entwickeln, die für die Verwendung in der Optogenetik optimiert sind, sagte David Kliger, leitender Autor beider Artikel und Professor für Chemie und Biochemie an der UC Santa Cruz.

"Über den Funktionsmechanismus dieser Proteine ​​war wenig bekannt, obwohl sie in der Optogenetik weit verbreitet sind", sagte Kliger.

Die Forscher verwendeten schnelle Laserspektroskopie, um die Funktion von Channelrhodopsin-2 zu untersuchen, das in einer Art Meeresalgen vorkommt und in optogenetischen Experimenten weit verbreitet ist. Channelrhodopsine sind Ionenkanäle, die den Ionenfluss durch Zellmembranen steuern. Es gibt viele Arten von Ionenkanälen, die in verschiedenen Zelltypen unterschiedlichen Zwecken dienen. Nervensignale beinhalten den Ionenfluss durch die Membranen von Nervenzellen, und der Durchbruch der Optogenetik war die Entdeckung, dass das Einfügen der Gene für lichtgesteuerte Ionenkanäle wie Channelrhodopsin in Neuronen dazu führen würde, dass sie als Reaktion auf Licht feuern.

Die erste Veröffentlichung beschreibt den Mechanismus der Channelrhodopsin-Funktion in Form von Zwischenzuständen, die das Protein beim Öffnen des Ionenkanals durchläuft. In der zweiten Arbeit zeigten die Forscher, dass der in der ersten Arbeit offenbarte Mechanismus Muster von Ionenströmen erklären kann, die in optogenetischen Experimenten beobachtet wurden.

"Es ist aufregend, weil dies eine Methode eröffnet, um mutierte Proteine ​​mit für die Optogenetik optimierten Eigenschaften auszuwählen, was für die Gehirnforschung und für die Untersuchung neurologischer Prozesse im Allgemeinen wichtig ist", sagte Kliger.

Es gibt verschiedene Arten von Modifikationen, die für die Optogenetik nützlich sein könnten, beispielsweise die Effizienz der Proteine, so dass weniger Licht benötigt wird, um Ströme in Neuronen auszulösen. In einigen Fällen möchten Forscher das Öffnen oder Verlangsamen des Kanals beschleunigen oder das Schließen des Kanals beschleunigen oder verlangsamen. Abhängig von den untersuchten Geweben möchten sie möglicherweise auch das zur Aktivierung des Proteins erforderliche Lichtspektrum verschieben.

"Diese grundlegenden biophysikalischen Experimente können dazu beitragen, die Funktion der Proteine ​​in optogenetischen Experimenten zu optimieren", sagte Kliger.