Перепроектированные оптогенетические переключатели позволяют напрямую измерять сложные клеточные системы

Лаборатория химической биологии Гарвардского университета перепроектировала оптогенетические переключатели — светочувствительные белки родопсины, встраиваемые в клетки млекопитающих для контроля электрической активности. Теперь переключатели работают в обратном направлении, испуская вспышки флуоресцентного света, которые раскрывают новые детализированные паттерны электрической активности в нейронных сетях, сокращающихся кардиомиоцитах и развивающихся эмбрионах. Результаты были представлены 17 декабря на ежегодном собрании Американского общества клеточной биологии в Сан-Франциско.

Оптогенетические переключатели были впервые применены в 2005 году нейробиологом Карлом Дайссеротом для контроля нейронов млекопитающих светом. Переключатели на основе родопсина позволили исследователям получить оптический контроль над электрическим состоянием и активностью нейронов червей, рыб, мышей и даже обезьян.

Инвертировав схему работы, доктор Адам Коэн превратил белок в индикаторную лампу, что позволило его лаборатории напрямую измерять электрическую активность в сложных системах, таких как сердечная мышца. Традиционный метод предполагает введение тонкого стеклянного капилляра в клетку и использование чувствительного вольтметра.

Новый оптический метод

Лаборатория Коэна идентифицировала белок родопсина Archaerhodopsin 3 (Arch), полученный из микроорганизма Мёртвого моря Halorubrum sodomense, в качестве быстрого и чувствительного флуоресцентного индикатора мембранного потенциала.

Исследователи смогли экспрессировать белок Arch в культивируемых нейронах крысы. Каждый раз, когда нейрон активировался, они наблюдали и записывали вспышку флуоресценции. Эта техника позволила создать пространственные карты распространения электрических импульсов в нейронах. Белки-индикаторы напряжения также были экспрессированы в клетках сердца крысы для мониторинга импульса, связанного с каждым ударом сердца.

Применение в кардиомиоцитах человека

В человеческих кардиомиоцитах, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека (hiPSCs), команда экспрессировала Arch в качестве индикатора напряжения. Поскольку эти клетки спонтанно сокращаются в чашке Петри, исследователи смогли оценить реакцию клеток на широкий спектр лекарств, проводя оптические измерения электрической активности нескольких тысяч клеток за короткое время.

Исследования на рыбках данио

Лаборатория Коэна также экспрессировала микробные белки родопсина в живых рыбках данио. Прозрачность рыб позволяет проводить оптические исследования без хирургического вмешательства. Были закартированы:

• Электрические волны, инициирующие сердцебиение.
• Развитие сердца в эмбрионе данио от покоящегося скопления клеток до полностью сокращающегося органа.
• Активность нейронов в мозге данио в ответ на внешние стимулы.

Arch — один из более чем 5000 известных микробных родопсинов, генерирующих цвета. Они имеют молекулярное родство с молекулами родопсина в человеческом глазу, обеспечивающими цветовое зрение.