Gamze Gülden
OPTOGENETİK
Optogenetik, nörobiyoloji ve hücre biyolojisi araştırmalarında devrim yaratmış ve de çığır açmış bir araştırma alanıdır
Belirli biyolojik süreçleri yönlendirmek ve izlemek için genetik ve optik teknolojileri bir araya getiren, ortaya çıkan disiplinlerarası bir araştırma alanıdır. Yani kısacası; Işık ve genetik ile beyin hücrelerini araştıran ve beyin hücrelerini ışık ile kontrol etmeye yarayan yeni bilim dallarından biridir. 2010 yılında Nature Methods tarafından tüm bilim yöntemleri arasından ‘’yılın yöntemi’’ seçilmiştir.
1979'da yayınlanan Scientific American makalesinde Nobel ödüllü Francis Crick, sinirbilimdeki en önemli zorluğun, beyindeki bir tür hücreyi kontrol etmenin, diğerlerini değiştirilmeden değiştirmenin gereği olduğunu ileri sürmüştür. Crick’in ortaya attığı bu sorunu çözebilmek için, mikrobiyal opsin genlerine dayalı olarak optogenetik yöntemler geliştirilmiştir. Optogenetik sayesinde, hücreye gen aktarılıp, ışığa duyarlı hale getirilmiş hücreler, ışık ile kontrol edilebilir hale getirilmesi amaçlanmıştır. Opsin genlerinden üretilen ışığa duyarlı proteinlerin (bacteriorhodopsin,halorhodopsins, channelrhodopsin) kullanılmasıyla hedeflenen canlı hücrelerin davranışları ışık kullanılarak kontrol edilir.
2004 yılında Stanford Üniversitesi’nden bir ekip tarafından yapılan çalışmada, channelrhodopsin-2 genini memeli nöronlarına aktarılmıştır. Böylece nöron, fonksiyonunu yerine getirirken, ışığa yanıt veren bir hale gelmiştir. Channellrhodopsin, ışığa cevap olarak nöronu güvenli bir şekilde açabilir ya da kapatabilir.
2008’de yapılan bir çalışmada ise Volvox carteri adlı bir alg türündenki channelrdopsin geninin ise sarı ışığa yanıt verdiği keşfedilmiştir. Daha önce üzerinde çalışılan opsin genlerinin ise mavi ışığa yanıt verdiği görülmüştür. Bu durumda VChr1 (sarı ışığa yanıt veren gen) ve diğer channellrodopsin genleri kullanılarak, karışık bir hücre popülasyonu eş zamanlı olarak kontrol edilebilir. Böylece sarı ışık verilerek bir tip, mavi ışık verilerek de diğer tür hücreler kontrol edilebilir.
Bu Yöntem Nasıl Uygulanıyor?
Belirlenen bir opsine ait genin istenilen hedef dokuya transfeksiyonuna kadar süreç şu şekildedir;
-
Öncelikle hedeflenen genin izole edilmesi gerekir. Bu izolasyon işlemi için hedeflenen gen tespit edilmeli ve yalıtılmalıdır.
-
Ardından izole edilen gen elde edilir ve PCR ile çoğaltılır. Çoğaltılan genin vektöre aktarılması için ‘elektroporasyon’ tekniği kullanılır.
(Elektroporasyon, hücrelere veya dokulara kısa zamanlı cok kuvvetli elektrik akımı uygulayarak, hücre zarında nanometre boyutunda gecici porlar olusturulması islemidir. Bu gecisken durumda zar, hücrelere. DNA, enzim, antibodi ve diger makromolekül gecisine izin verir.)
-
Virüs aracılı gen aktarımı için virüs, istenilen nöron bölgesine enjekte edilerek hedef bölgenin transfeksiyonu sağlanır.
-
Fiberoptik kablo ve elektrot takılır.
-
Aydınlatma sonucunda iyon kanalı açılır.
-
Aksiyon potansiyeli oluşur.
-
Elektrofizyolojik değişiklikler kaydedilir.
-
Davranış değişiklikleri gözlemlenir.
Optogenetik ve Nöropsikiyatri
Optogenetik yöntemi dikkat eksikliği, hiperaktivite gibi psikiyatrik rahatsızlıklarda dikkat ve odaklanmada tedavi sağlayabilmektedir. Karl Deisseroth “İnsan beynindeki milyonlarca nöronların ve sayısız alt gruplar ve birbirinden ayrılan farklı hücre popülasyonları bulunur. Optogenetik gibi teknikleri kullanarak bu tip nöronların ne zaman, nasıl ve niçin kullanacağını haritalayabiliriz. Bu bulgular gününüzde bize beynin sırlarını çözmede, hastalıkların, davranışların ve belleğin kökenini daha iyi anlamada bir adım daha ileri götürmektedir.” der.
Yapılan çalışmaların birinde; Antideprasan tedavisi ile tam olarak iyileşemeyen bölgelere lazer ışığı uygulanmasıyla hücrelerin uyarılması depresyon semptomlarını azalttığına yardımcı olduğu görülmüştür (Herbert Covington, PhD, abstract 286,18, see attached summary).
Sinir hücrelerinin denetimi konusunda benzersiz bir olanak sunmasına karşın, genlerle oynamayı gerektirdiğinden şimdilik yalnızca hayvanlar üzerinde yapılan araştırmalar kapsamında uygulanıyor. Nöropsikiyatrik hastalıklarda (Parkinson, Depresyon, Şizofreni gibi) güçlü bir alternatif sağlayacağı açısından önem teşkil etmektedir.
KAYNAKLAR
-
Schneider-Warme F., The power of optogenetics : Potential in cardiac experimental and clinical electrophysiology, Herzschrittmacherther Elektrophysiol, Jan 5 2018.
-
https://www.scientificamerican.com/article/optogenetics-controlling/
-
https://www.nature.com/news/light-controlled-genes-and-neurons-poised-for-clinical-trials-1.19886
-
https://www.e-psikiyatri.com/noropsikiyatride-optogenetik-26205
-
aves.istanbul.edu.tr/ImageOfByte.aspx?Resim=8&SSNO=120&USER=434
