Μια έρευνα που ξεκίνησε από ένα μικροσκοπικό φύκι και τον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβάνεται το φως οδήγησε στο φετινό Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής. Οι επιστήμονες Καρλ Ντάιζεροτ, Πίτερ Χέγκεμαν και Γκέοργκ Νάγκελ τιμήθηκαν στις 5 Οκτωβρίου για την πρωτοποριακή συμβολή τους στην οπτογενετική και για την ανακάλυψη των φωτοευαίσθητων διαύλων ιόντων.
Η ιστορία αυτή δείχνει πώς μια φαινομενικά απλή λειτουργία ενός μονοκύτταρου οργανισμού μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές εξελίξεις για την κατανόηση του ανθρώπινου εγκεφάλου. Το μικροσκοπικό φύκι Chlamydomonas διαθέτει έναν εξαιρετικά αποτελεσματικό μηχανισμό ανίχνευσης του φωτός, ο οποίος αποτέλεσε την αφετηρία για μια τεχνολογία που επιτρέπει στους επιστήμονες να ελέγχουν τη δραστηριότητα των νευρικών κυττάρων με ακρίβεια και ταχύτητα.
Πώς αντιλαμβάνεται το φως το μικροσκοπικό φύκι
Η ανίχνευση του φωτός δεν αποτελεί αποκλειστικό χαρακτηριστικό των ζώων που διαθέτουν μάτια. Οργανισμοί σε ολόκληρο τον ζωντανό κόσμο χρησιμοποιούν το φως για να αντιλαμβάνονται το περιβάλλον τους και να προσαρμόζονται στις αλλαγές του.
Ακόμη και μονοκύτταροι οργανισμοί διαθέτουν πρωτεΐνες που αντιδρούν στη φωτεινή ακτινοβολία. Χάρη σε αυτές, μπορούν να κινούνται προς ή μακριά από το φως, να παράγουν ενέργεια και να ρυθμίζουν τη δραστηριότητά τους ανάλογα με την ώρα της ημέρας.
Οι Πίτερ Χέγκεμαν και Γκέοργκ Νάγκελ ανακάλυψαν ότι το μονοκύτταρο πράσινο φύκι Chlamydomonas χρησιμοποιεί έναν ιδιαίτερα «έξυπνο» μηχανισμό για να ανιχνεύει το φως. Στην εξωτερική μεμβράνη του κυττάρου βρίσκεται μια πρωτεΐνη που ονομάζεται καναλοροδοψίνη. Στο εσωτερικό της περιέχει ένα μικρό μόριο, τη ρετιναλδεΰδη, το οποίο απορροφά το φως.
Όταν το φως προσπίπτει στη ρετιναλδεΰδη, η δομή της αλλάζει. Η αλλαγή αυτή προκαλεί την άμεση διάνοιξη ενός μικροσκοπικού διαύλου στη μεμβράνη του κυττάρου. Μέσα από τον δίαυλο μπορούν να περάσουν θετικά φορτισμένα σωματίδια, όπως τα ιόντα νατρίου, από το εξωτερικό περιβάλλον προς το εσωτερικό του κυττάρου.
Η μετακίνηση αυτών των ιόντων δημιουργεί ένα ηλεκτρικό σήμα. Το σήμα μεταδίδεται στο εσωτερικό του οργανισμού και επηρεάζει την κίνησή του, βοηθώντας το φύκι να κολυμπήσει προς την κατάλληλη κατεύθυνση. Με άλλα λόγια, το μικροσκοπικό φύκι μετατρέπει το φως σε ένα βιολογικό μήνυμα που καθοδηγεί τη συμπεριφορά του.
Από το μικροσκοπικό φύκι στην οπτογενετική
Η ανακάλυψη αυτή ήταν σημαντική όχι μόνο για τη βιολογία των μονοκύτταρων οργανισμών, αλλά και για τη μελέτη του νευρικού συστήματος. Τα νευρικά κύτταρα χρησιμοποιούν επίσης τη μετακίνηση φορτισμένων σωματιδίων, δηλαδή ιόντων, μέσα από τις κυτταρικές μεμβράνες τους για να ελέγχουν τη δραστηριότητά τους.
Η είσοδος θετικά φορτισμένων ιόντων σε ένα νευρικό κύτταρο μπορεί να το ενεργοποιήσει και να προκαλέσει την αποστολή σημάτων σε άλλα κύτταρα. Οι επιστήμονες κατάλαβαν ότι η καναλοροδοψίνη θα μπορούσε να λειτουργήσει σαν ένας διακόπτης που ανοίγει με το φως. Έτσι γεννήθηκε η οπτογενετική, μια τεχνική που επιτρέπει τον έλεγχο συγκεκριμένων νευρικών κυττάρων μέσω φωτεινών παλμών.
Για να το πετύχουν, οι ερευνητές εισάγουν στα κύτταρα που θέλουν να μελετήσουν το γονίδιο της καναλοροδοψίνης. Το γονίδιο μεταφέρεται συνήθως με τη βοήθεια ενός ειδικά τροποποιημένου ιού, ο οποίος δεν μπορεί να προκαλέσει ασθένεια. Τα κύτταρα αρχίζουν στη συνέχεια να παράγουν την πρωτεΐνη και γίνονται ευαίσθητα στο φως.
Σε πειράματα με ζώα, όπως τα ποντίκια, οι επιστήμονες διοχετεύουν φως στον εγκέφαλο μέσω μιας εξαιρετικά λεπτότερης οπτικής ίνας. Όταν το φως φτάσει στα κύτταρα που περιέχουν καναλοροδοψίνη, οι δίαυλοι ανοίγουν και τα κύτταρα ενεργοποιούνται. Τα γειτονικά κύτταρα, τα οποία δεν διαθέτουν την πρωτεΐνη, παραμένουν ανεπηρέαστα.
Αυτό προσφέρει στους ερευνητές πρωτοφανή έλεγχο. Το φως μπορεί να κατευθυνθεί σε μια πολύ μικρή περιοχή του εγκεφάλου και να ενεργοποιηθεί ή να απενεργοποιηθεί μέσα σε κλάσματα του δευτερολέπτου.
Τι αποκαλύπτει η οπτογενετική για τον εγκέφαλο
Η οπτογενετική αποτελεί πλέον ένα από τα πιο ισχυρά εργαλεία για τη μελέτη της λειτουργίας του εγκεφάλου. Οι ερευνητές μπορούν να εξετάσουν εάν συγκεκριμένες ομάδες νευρικών κυττάρων συμμετέχουν στη μνήμη, στον ύπνο, στην αντίληψη των αισθήσεων, στην κίνηση ή στη ρύθμιση των συναισθημάτων.
Σε χαρακτηριστικό πείραμα του 2012, ερευνητική ομάδα του MIT εξέτασε τον τρόπο με τον οποίο σχηματίζονται και ανακαλούνται οι αναμνήσεις φόβου. Ποντίκια υποβλήθηκαν σε ένα ήπιο ηλεκτρικό σοκ μέσα σε ένα κλουβί. Με τη βοήθεια της οπτογενετικής, οι επιστήμονες εντόπισαν και «σημάδεψαν» τα νευρικά κύτταρα του κέντρου μνήμης που ενεργοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια του πειράματος.
Μερικές ημέρες αργότερα, τα ποντίκια μεταφέρθηκαν σε διαφορετικό κλουβί. Όταν οι ερευνητές ενεργοποίησαν με φως τα συγκεκριμένα κύτταρα, τα ζώα «πάγωσαν» από φόβο, σαν να θυμούνταν το ηλεκτρικό σοκ, παρότι βρίσκονταν σε διαφορετικό περιβάλλον. Τα ποντίκια που δεν είχαν υποστεί το αρχικό σοκ δεν παρουσίασαν την ίδια αντίδραση.
Το αποτέλεσμα έδειξε ότι η ενεργοποίηση μιας συγκεκριμένης ομάδας νευρώνων μπορούσε να ανακαλέσει μια στοχευμένη μνήμη. Η οπτογενετική δεν «διαβάζει» απλώς τη λειτουργία του εγκεφάλου· επιτρέπει στους επιστήμονες να ελέγχουν επιλεκτικά τη δραστηριότητά του και να εξετάζουν άμεσα τις συνέπειες.
Από την έρευνα στη θεραπεία
Η τεχνική ενδέχεται να αξιοποιηθεί στο μέλλον και ως θεραπευτική μέθοδος. Η οπτογενετική έχει ήδη περάσει σε πρώιμα στάδια κλινικών δοκιμών για ανθρώπους με εκφύλιση του αμφιβληστροειδούς.
Σε αυτές τις περιπτώσεις, οι ερευνητές εισάγουν φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες σε νευρικά κύτταρα που παραμένουν στον αμφιβληστροειδή μετά την απώλεια των κυττάρων που φυσιολογικά ανιχνεύουν το φως, δηλαδή των ραβδίων και των κωνίων. Με αυτόν τον τρόπο, τα κύτταρα που έχουν απομείνει μπορούν να ανταποκριθούν στη φωτεινή ακτινοβολία και να μεταδώσουν οπτικά σήματα στον εγκέφαλο. Η όραση δεν αποκαθίσταται πλήρως, όμως μπορεί να βελτιωθεί σε κάποιο βαθμό.
Οι επιστήμονες εξετάζουν επίσης εάν η τεχνική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την αντιμετώπιση νευρολογικών παθήσεων, όπως η νόσος του Πάρκινσον, η επιληψία και άλλες διαταραχές που συνδέονται με δυσλειτουργία συγκεκριμένων νευρωνικών κυκλωμάτων. Απαιτείται ακόμη εκτεταμένη έρευνα για την ασφάλεια, την αποτελεσματικότητα και τη μακροπρόθεσμη εφαρμογή της στους ανθρώπους.
Η διαδρομή από το μικροσκοπικό φύκι Chlamydomonas έως το φετινό Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής υπενθυμίζει ότι σημαντικές επιστημονικές ιδέες μπορεί να κρύβονται στους πιο απλούς οργανισμούς. Η καναλοροδοψίνη, ένας μηχανισμός που βοηθά ένα μονοκύτταρο φύκι να προσανατολίζεται στο φως, μετατράπηκε σε εργαλείο που φωτίζει —κυριολεκτικά και μεταφορικά— τον τρόπο λειτουργίας του ανθρώπινου εγκεφάλου.
