Progresso da pesquisa fotogenética

LuzGenéticaA optogenética tem evoluído rapidamente nos últimos anos.SoftwareTecnologias multidisciplinares de bioengenharia como controle, operação genética e eletrofisiologia. Seu princípio principal é primeiro usar técnicas de manipulação genética para transferir genes sensíveis à luz (como ChR2, eBR, NaHR3.0, Arch ou OptoXR, etc.) para tipos específicos de células no sistema nervoso para a expressão de canais iónicos especiais ou GPCR. O canal de íons fotosensíveis, sob estímulo de luz de diferentes comprimentos de onda, produz seletividade para a passagem de íons caóticos ou aniões, respectivamente, causando mudanças no potencial da membrana em ambos os lados da membrana celular para atingir o objetivo de excitação ou inibição seletiva da célula.

A tecnologia fotogenética tem duas características principais de alta resolução espacial-temporal e especificidade do tipo de célula, superando muitas desvantagens dos meios tradicionais para controlar a atividade celular ou do organismo, e é capaz de realizar operações de estímulo de localização não invasiva para os neurônios e * mudou a situação da pesquisa no campo da neurociência, fornecendo meios de pesquisa revolucionários para a neurociência. LuzGenéticaNo futuro, a tecnologia também pode desenvolver novas terapias para uma série de doenças do sistema nervoso central.

LuzGenéticaA aplicação da tecnologia acadêmica teve um rápido desenvolvimento após 2010, abrangendo várias espécies clássicas de animais experimentais (moscas da fruta, vermes, ratos, ratos, macacos e caranguejos), e envolvendo vários aspectos da pesquisa neurocientífica, incluindo circuitos neurológicos.Pesquisa BásicaEstudos de memória de aprendizagem, estudos de vício, distúrbios móveis, distúrbios do sono, modelos de Parkinson,Depressãoe aplicações como modelos animais de transtornos de ansiedade.

No processo de aplicação da tecnologia fotogenética, os cientistas devem primeiro procurar a proteína fotosensível adequada; Em segundo lugar, a transmissão de informações genéticas correspondentes, ou seja, através de transfecção, transdução viral,Animais geneticamente modificadosFormação de ligações e outros métodos para a proteína fotosensívelGenéticaa informação é transmitida às células alvo; Em seguida, os cientistas usaram demonstrações de controlabilidade para demonstrar a atividade celular ao controlar a especificidade da luz a partir do tempo e do espaço. Depois de ler os resultados do estudo, os pesquisadores podem usar eletrodos para medir as mudanças no efeito fluorescente das proteínas fotosensíveis detectando tensões dentro e fora da membrana celular e biosensores fluorescentes para detectar valores de leitura de diferentes células e, em seguida, avaliar o efeito do ajuste da atividade celular no animal como um todo através de testes comportamentais.

Com base nisso, a luzGenéticaCom os recentes avanços tecnológicos, pequenos editores realizaram um inventário para ajudar os leitores.

1.Cell: grande progresso! Expandir o Kit de Ferramentas de Fotogenética Permitindo a Inversão da Magenta Violeta
doi:10.1016/j.cell.2018.09.026

Em um novo estudo, pesquisadores de instituições como o Instituto de Medicina Howard Hughes descobriram uma nova maneira de transformar uma classe de proteína sensível à luz chamada rodopsina. Ao reverter essas proteínas na membrana celular, eles são capazes de produzir ferramentas com propriedades diferentes. Os resultados do estudo foram publicados online na revista Cell em 18 de outubro de 2018, com o artigo intitulado "Expanding the Optogenetics Toolkit by Topological Inversion of Rhodopsins". Os autores da comunicação do artigo são Joshua Dudman e Alla Karpova, do Instituto de Medicina Howard Hughes. Essa tecnologia permite que a luzGenéticaA optogenética, uma técnica que usa a luz para manipular a atividade neurônica, duplicou a quantidade de proteínas. Essas proteínas híbridas recém-desenvolvidas permitiram aos pesquisadores realizar novos experimentos que ajudam a analisar os circuitos cerebrais e estudar a neurociência por trás do tratamento da doença de Parkinson.

Inspirados pela evolução, sob a liderança de Jennifer Brown, Reza Behnam, Luke Coddington e Gowan Tervo, os pesquisadores desenvolveram uma técnica complementar para transformar a nova matriz violeta. Além das mutações, a presença de recombinação – que reúne domínios de proteínas com diferentes funções através da recombinação genética – também faz com que a diversidade de proteínas apareça na natureza. Os cientistas acreditam que a recombinação é essencial para o surgimento de uma pequena fração de proteínas que, através da evolução, mudam de orientação na membrana celular.

Quando os pesquisadores simularam a recombinação adicionando uma nova proteína em uma extremidade de uma retina, ocorreu uma reversão. Isso foi realmente inesperado. Se cada infravermelho existente, modificado ou recém-descoberto, ganhasse uma nova função ao virar, isso poderia levar ao uso da luz.GenéticaAs ferramentas de proteína na tecnologia de aprendizagem são duplicadas. Eles não só foram capazes de mudar a orientação das proteínas na membrana celular, mas também foram capazes de descobrir que essas novas retinas modificadas têm novas funções * e úteis. Uma delas, chamada FLInChR (Full Length Inversion of ChR), ativa os neurônios no início. Quando a reversão ocorre, torna-se um inibidor poderoso e rápido que pode ser usado para realizar novos experimentos.

2.Science fotogenética grande avanço! Na conversão de nanopartículas ajuda a estimular profundamente o cérebro! Ou vai subverter o tratamento de doenças neurológicas!
doi:10.1126/science.aaq1144; Doi:10.1126/ciência.aar7379

Thomas McHugh, chefe da equipe do Instituto de Ciências do Cerebro do Instituto de Física e Química do Japão (RIKEN), e seus colegas agora encontraram uma nova maneira de introduzir a luz de forma não invasiva nas profundezas do cérebro. No artigo que publicaram ontem na revista Science, eles usaram a conversãoNanoAs partículas (UCNPs) levam o laser para a profundidade do crânio. Isto.NanoAs partículas podem ser expostas à luz tradicionalGenéticaProfundidades inacessíveis absorvem a luz infravermelha próxima e as transformam em luz visível. Este método é usado para ativar neurônios em diferentes regiões do cérebro, silenciar a epilepsia e ativar as células da memória. "As nanopartículas podem efetivamente estender a profundidade que as nossas fibras ópticas podem alcançar, permitindo a transmissão remota da luz para tratamentos não invasivos", disse McHugh.

Além de ativar os neurônios, os UCNPs também podem ser usados ​​para inibir a doença em ratos epilépticos. Os pesquisadores injetaram nanopartículas que emitiam luz verde na região do hipocampo do rato e, em seguida, irradiaram a superfície do crânio com luz quase infravermelha. Como resultado, os neurônios epilépticos desses ratos foram silenciados efetivamente. Em outra área chamada divisória interna, a luz emitida pelas nanopartículas promove a sincronização do ciclo theta neurônico, uma onda cerebral importante. Em ratos com memória de medo, os pesquisadores usaram UCNPs que podem brilhar para estimular com sucesso a memória de medo em ratos na região do hipocampo. Os efeitos de ativação, inibição e estimulação da memória destes neurônios só foram observados em ratos injetados com nanopartículas.

Ciência: Promover o desenvolvimento da genética óptica! Analisar a estrutura tridimensional da proteína do canal violeta 2
doi:10.1126/science.aan8862; Doi:10.1126/ciência.aar2299

A canalrhodopsina 2 (ChR2) é uma proteína de membrana amplamente utilizada em optogenética. LuzGenéticaA tecnologia é uma técnica relativamente nova que envolve o uso da luz para manipular neurônios e células musculares em organismos vivos. Métodos semelhantes foram usados ​​para reverter parcialmente a perda de audição / visão e controlar a contração muscular.

Para descobrir a estrutura do ChR2, pesquisadores da Alemanha, França, Rússia e Tcheca usaram uma técnica analítica chamada difração de raios-X. Esta técnica é usada apenas para analisar amostras de proteínas presentes na forma de cristal. Eles cultivaram um cristal de proteína ChR2 em uma chamada mesofase lipídica cúbica que permite que a proteína se mova livremente sem sair da membrana. Eles irradiaram o cristal de proteína ChR2 que cultivaram com raios-X de cerca de 1 μm de comprimento de onda e analisaram com sucesso a estrutura da proteína ChR2 analisando a difração de raios-X nesse cristal de proteína. Os resultados do estudo foram publicados na revista Science em 24 de novembro de 2017, intitulado “Structural insights into ion conduction by channelrhodopsin 2”.

Hippocampo: Terapia “fotogenética” pode restaurar memórias em alguns pacientes com Alzheimer
Doi:10.1002/hipo.22756

Recentemente, pesquisadores da Universidade de Columbia publicaram um artigo na revista Hippocampus dizendo que a luzGenéticaOs meios de aprendizagem podem restaurar a memória de ratos com doença de Alzheimer. Essa descoberta pode mudar a nossa compreensão da doença.

Primeiro, os autores fizeram uma modificação fotogenética em ratos para que eles emitissem fluorescência luminosa quando armazenavam memórias e fluorescência vermelha quando recuperavam memórias. Em seguida, o autor aceitouGenéticaOs camundongos selvagens modificados e os camundongos com doença de Alzheimer foram estimulados pelo cheiro de limão e, em seguida, por estimulação elétrica, associando as duas memórias. Uma semana depois, os autores voltaram a estimular os ratos com o cheiro de limão. Os resultados mostraram que os ratos do tipo selvagem eram capazes de apresentar fluorescência amarela e vermelha ao mesmo tempo e manifestaram medo, o que sugere que a recuperação de memórias ocorreu ao mesmo tempo em que formavam memórias. No entanto, as regiões luminosas do cérebro dos ratos com doença de Alzheimer foram significativamente diferentes, sugerindo que seus cérebros sofreram distúrbios no processo de recuperação de memórias. Em seguida, os pesquisadores usaram um feixe de luz azul para estimular o cérebro dos camundongos, permitindo que eles reativassem a memória do cheiro de limão e do estímulo elétrico, o que provocou que os camundongos tremessem quando sentissem o cheiro novamente.

Cell: a fotogenética torna ratos assassinos encarnados
Doi:10.1016/j.cell.2016.12.027

Dentro de cada rato está um assassino. Os pesquisadores encontraram áreas no cérebro que controlam o comportamento de caça e conseguiram encontrar uma maneira de controlar seus interruptores. O Dr. Ivan de Araujo, da Universidade de Yale, e seus colegas descobriram dois grupos de nervos no cérebro que controlam o comportamento de caça de ratos, um grupo que coordena a perseguição da presa e o outro que controla os músculos do pescoço e da mandíbula, ambos na amígdala, a área do corpo envolvida em movimentos, emoções e medo.

Modificando esses nervos, eles podem ativar esses nervos através de um laser, uma técnica chamada luz.GenéticaAssim, a equipe de pesquisa pode controlar os interruptores desses caminhos a qualquer momento. Quando o laser é desligado, os ratos andam normalmente em torno da gaiola, e quando o laser é ligado, os ratos atacam freneticamente qualquer coisa em seu caminho: grilos vivos, insetos falsos e até mesmo ramos ou tampas de garrafas. Eles saltam para a presa, pegam a presa com as garras e mordem repetidamente.

Depois, os pesquisadores tentaram suprimir a função de cada grupo de nervos separadamente, e quando eles suprimiram os nervos responsáveis ​​pela caça à presa, os ratos perseguiram mais lentamente, mas ainda rasgaram. Por sua vez, se o nervo responsável pela mordida for suprimido, os ratos caçarão a presa, mas não a rasgarão.

Oncotarget: Uso da fotogenética para controlar a ocorrência de tumores
Doi:10.18632/oncotarget.8036

Em um novo estudo, pesquisadores da Universidade de Tufts, baseados em modelos de sapos, confirmaram que a luz é usada para controlar sinais elétricos entre as células, impedir a formação de tumores e normalizá-los após a formação. Este estudo relatou o uso da luz.GenéticaAprender a manipular especificamente sinais bioelétricos para impedir a formação de tumores induzidos por genes do câncerTumoresDeclínio. Os resultados do estudo foram publicados online na revista Oncotarget em 16 de março de 2016, com o artigo intitulado “Use of genetically codified, light-gated ion translocators to control tumorigenesis”.

As rãs são um bom organismo modelo para a pesquisa científica básica do câncer, porque os tumores de rãs e mamíferos têm muitas características semelhantes, incluindo a rápida divisão celular, destruição de tecidos, aumento do crescimento vascular, invasividade e células que contêm uma tensão interna positiva anormal. Quase todas as células saudáveis ​​mantêm uma maior tensão negativa dentro da célula em relação ao exterior da célula. Abrir e fechar os canais iónicos na membrana celular pode fazer com que a tensão se torne mais positiva (despolarizar as células) ou mais negativa (polarizar as células). Utilização em outras condições normaisTumoresAs características anormais do sinal bioelétrico são capazes de detectá-los.

Neuron: apagar a memória? O futuro talvez seja bom.
Doi:10.1016/j.neuron.2014.09.037

Em um artigo publicado recentemente na revista Neuron, pesquisadores do Centro de Pesquisa em Neurociência da Universidade da Califórnia, Davis, usaram a luz para remover com sucesso memórias especiais do cérebro de camundongos, o estudo pode fornecer algumas ideias sobre como diferentes partes do cérebro trabalham juntas para recuperar memórias de cena.

LuzGenéticaA optogenética, um novo tipo de tecnologia que usa a luz para estudar as células nervosas, está sendo rapidamente adotada pelos cientistas nos últimos anos como método padrão para estudar a função cerebral. O pesquisador Kazumasa Tanaka aplicou a técnica ao estudo de recuperação de memória, e por 40 anos, os cientistas assumiram que a recuperação de memórias cenárias (mesmo eventos especiais que ocorrem em locais especiais, etc.) envolve atividades coordenadas entre a córtex cerebral e o hipocámpus cerebral, a teoria é estudar padrões de regeneração da atividade cerebral envolvendo a córtex cerebral e o hipocámpus durante o processo de recuperação de memórias cenárias, permitindo que os indivíduos experimentem esses eventos novamente e, se o hipocámpus for danificado, o paciente perderá a memória por décadas.

No artigo, os pesquisadores usaramGenéticaOs ratos modificados foram estudados e, quando as células nervosas dos ratos foram ativadas, elas podem fluorescer totalmente verde e expressar proteínas especiais para promover a desligação da luz das células nervosas, os pesquisadores colocaram os ratos em gaiolas para treiná-los, os ratos em gaiolas sofreram choques elétricos e, normalmente, os ratos em um novo ambiente usaram o olfato para se adaptar ao ambiente, mas quando foram colocados em um novo ambiente, eles estavam em uma resposta de medo.

Nature: nova esperança para ferramentas fotogenéticas, a estrutura KR2 do canal de íons de sódio impulsionado pela luz é analisada
Doi:10.1038/natureza14322

Cientistas japoneses publicaram um artigo acadêmico na revista Nature dizendo que eles analisaram a estrutura da proteína KR2 que conduz a luz para a nova geração de luz.GenéticaAs ferramentas de aprendizagem criam possibilidades.

Muitos organismos podem absorver a energia da luz ou perceber a informação da luz, dependendo de uma molécula de massa violeta-vermelha. Esta molécula tem uma proteína transmembranar de 7 alfa-espirais (retina) ligada a uma molécula retinal através de ligações covalentes. Dependendo do tipo de retina pode ser dividido em retina animal e microbiana. A função da VIH dos micróbios é diferente da dos animais, principalmente como canal iónico, transportador iónico, molécula fotosensora ou quinase. A visão violeta desse micróbio recebe cada vez mais atenção. Isso acontece porque o tipo de canal iônico e bomba iônica de UV pode ser usado para a atividade de células nervosas em muitos organismos vivos e tornou-se uma luz muito poderosa no campo da neurociência.GenéticaFerramentas de aprendizagem.

Normalmente, acredita-se que os íons de hidrogênio carregados positivamente da base de Schiff estão localizados nos canais iónicos de todas as bombas fotoiónicas e que impedem a passagem de íons e moléculas neutras. A análise da estrutura do KR2 levanta uma nova questão: como essa bomba de íons transporta íons de sódio.

Neuron: Cientistas de Chicago fazem novo avanço em tecnologia fotogenética
Doi:10.1016/j.neuron.2015.02.033

Nos últimos anos, os cientistasEpigenéticaCom a aprofundação da pesquisa de campo, as pessoas começaram a querer controlar o estado das células do corpo, especialmente as células neurônicas, por meio de estímulos in vitro. Esta área tem amplas perspectivas de aplicação, como o tratamento de doenças genéticas como a maculopatia. Com base nisso, a luzGenéticadisciplinas escolares foram criadas. No entanto, até agora, para alcançar esse objetivo, os pesquisadores tiveram que modificar geneticamente os neurônios. Isso também dificultou a popularização dessa tecnologia.

Recentemente, pesquisadores da Universidade de Chicago e da Universidade de Illinois em Chicago fizeram avanços nesta área. Os pesquisadores usaram o calor gerado pela luz infravermelha distante para controlar a atividade normal das células neurônicas normais. Ao contrário da prática anterior de expressar proteínas fotosensíveis em células neurônicas normais, os cientistas de Chicago optaram por usar nanopartículas de ouro para localizar neurônios específicos. Para resolver o problema da singularidade das nanopartículas de ouro, os pesquisadores conectaram uma neurotoxina de escorpião Ts1 às nanopartículas de ouro. O Ts1 pode ser direcionado para identificar as células neurônicas reconhecendo os canais de íons de sódio na superfície das células neurônicas. Isto também é que os seres humanos não estão a alterar os neurônios.GenéticaCom base nas características, a realização do objetivo da atividade neurônica fotocontrolada. No entanto, o estudo ainda está em estágios iniciais, e os pesquisadores dizem que o Ts1 pode ser tóxico para as células neurônicas. O estudo foi publicado na revista Neuron.

Métodos Nat: alvo celular de controle fotosensível
Doi:10.1038/nmeth.3735

Em um estudo publicado na revista Nature Methods, pesquisadores da Universidade Carnegie MellonGenéticaA Redesignação da Fotosensível desenvolveu uma sonda fluorescente para controlar as células, uma técnica que pode ajudar a entender o papel de células e proteínas específicas na ocorrência da doença e oferecer esperança para terapias direcionadas para o desenvolvimento posterior do câncer ou outras doenças.

A fotogenética é o uso da luz para controlar os processos biológicos do organismo, e os pesquisadores geralmente realizam o processo celular de controle da luz através da reprogramação de componentes ativados pela luz no código genético do organismo, quando esses componentes são expostos à luz, o que facilita que alguns tecidos do organismo desempenhem funções diferentes. Os pesquisadores passaram quase 10 anos desenvolvendo sondas fluorescentes chamadas proteínas ativadoras de fluorógeno (FAPs), que são frequentemente usadas para monitorar a atividade de proteínas em tempo real em células vivas, uma proteína ativadora de fluorógeno que normalmente ocorre dentro das células.GenéticaSexualmente, o complexo brilha quando entra em contato com um corante fluorescente chamado fluorogenina, permitindo que os cientistas o observem e rastreiem.

O pesquisador Bruchez disse que, para desenvolver a luzGenéticaNo artigo, desenvolvemos a engenharia de corantes fluorescentes para que eles não só possam brilhar, mas também produzir oxigênio monolinear (Singlet Oxygen), uma forma tóxica de oxigênio que, quando se liga às proteínas ativadoras do fluoróforo e é exposta à luz, as proteínas ativadoras do fluoróforo alvo e o método de ativação de fotosensíveis (FAP-TAPS) permitirão que os cientistas vejam claramente as proteínas marcadas, ao mesmo tempo que também podem inibir seletivamente a atividade dessas proteínas. (Vale Biológico)