واژه اپتوژنتیک چند سال پس از اینکه نورون‌ها برای اولین بار در جهت بیان اپسین‌ها و سایر پروتئین‌های عملگر حساس به نور مهندسی‌شدند، در دامنه لغات علمی مطرح شد. پس از طرح مقدمه‌ای برای اپتوزنتیک، اکنون می‌خواهیم از تاریخچه اپتوژنتیک کمی بیشتر بدانیم.

مقاله مرتبط: مقدمه ای بر اپتوژنتیک؛ بازی نور و ژنتیک

این واژه در ابتدا یک عنوان عمومی برای مطالعاتی بود که “هدف قرار دادن ژنتیکی نورون‌ها یا پروتئین‌ها با تکنولوژی اپتیکی برای کنترل عملکرد مدارهای نورونی موجودات زنده” را دنبال می‌کردند. با گذر زمان این واژه از نظر محققان، چنین مفهومی را دربرگرفت: “اپتوژنتیک شاخه‌ای از بیوتکنولوژی است که مهندسی ژنتیک و علوم بیانی را به هم متصل کرده و هدف کنترل سلول‌های دستکاری شده را با استفاده از نور، محقق می‌سازد.”

در واقع دو نگرش جامع با تاریخچه‌ی این واژه در هم آمیخته است: نگرش اول، مشاهده و ثبت پتانسیل‌های سلولی (خصوصا سلولهای عصبی) با استفاده از گیرنده‌های دستکاری شده و کدگذاری شده فلوروسنتی می‌باشد. نگرش دوم نیز شامل کنترل فعالیت‌های سلول با استفاده از ابزارهای نوری است که از لحاظ ژنتیکی نشان‌گذاری شده‌اند.

اما با موفقیت سریع پروتئین‌های عملگر در عرصه علوم اعصاب و حتی فراتر از آن، تعریف محدودتری از اپتوژنتیک مقبولیت یافت. نشریه Nature Methods در نسخه ژانویه ۲۰۱۱، اپتوژنتیک را متد سال معرفی کرد و تعریفی بدین شرح برای آن ارائه داد:

این تکنیک، ترکیبی از ژنتیک و رویکردهای آمیخته با نور است که  برای ارزیابی کارآیی و کنترل عملکرد برخی پدیده‌های شناخته شده در سلول‌ها و بافت‌های مشخص بکار می‌رود.

 

نشانه‌هایی از ایده اولیه

پدیده‌های علمی اغلب در فرم بصری شکل گرفته و انتقال می‌یابند. از آنجایی که فعالیت‌های سلولی (خصوصا فعالیت سلولهای عصبی) اغلب با واسطه‌ی فعالیت‌های الکتروشیمیایی که غیر قابل مشاهده هستند، صورت می‌گیرد، ارائه و تفهیم این روند را به طور قابل توجهی با مشکل مواجه می‌سازند. با این حال تصور رایجی که در میان مردم شکل گرفته این است که عملکرد مغزی، حاصل فعالیت شبکه پیجیده‌ای از فرآیند‌های نورونی است که با جرقه‌های نورانی محو شونده (که نشان دهنده فعالیت‌های الکتریکی هستند) ایجاد و منتقل می‌شوند. اما با اینکه این تصویر از رسانه‌های شناخته شده‌ای که سعی دارند مفاهیم علمی را به صورت ساده ارائه دهند اخذ شده‌است، ایده‌ی به تصویر درآوردن فعالیت‌های نورونی رفته رفته از حالت فانتزی و دور از انتظار خارج شده و به سوی تکنولوژی حاضر که به سرعت در حال تکامل است، مبدل می‌شود.

Charles S. Sherrington احتمالا اولین کسی است که ایده‌ی این تصویرسازی را در نقل‌قولی از کتاب خود تحت عنوان Man on his nature، که ارجاعات به آن فراوان است، به میان آورده است. او فعالیت‌های الکتریکی را نقاط نورانی در نظر می‌گرفت. وی همچنین مغز را متشکل از میلیون‌ها جزء لرزنده و درخشان می‌دانست که پیکری نورانی و خیره کننده ایجاد می‌کنند. Sherrington از این شبیه سازی بمنظور تفهیم گام‌های مختلف در اختلال گذارهای خواب-بیداری بهره می‌برد.

تا سال ۱۹۷۱ در پژوهش‌هایی که حیطه‌هایی مشابه را دربر می‌گرفتند، مواردی شناسایی گردید که به تکنولوژی مفهومی در کنترل فرآیندهای مختلف تبدیل نشدند. اما از سال ۲۰۰۵، ورود این عوامل به حیطه‌ مطالعات تحت عنوان تکنولوژی نوظهور اپتوژنتیک آغاز گردید. نقطه آغاز این شاخه از تکنولوژی، با وارد کردن ابزارهای کنترلی تک جزئی در نورون‌ها رقم خورد. این ابزارها، ژن‌های اپسین میکروبی بودند که به صورت ایمن، نورون‌ها را هم بمنظور تشخیص نور و هم بمنظور ایجاد عملکرد سریع در پی تابش نور، توانمند می‌کردند.

از ۴۰ سال پیش، متخصصان زیستی در حیطه میکروب شناسی می‌دانستند بعضی میکروارگانیسم‌ها پروتئینهایی تولید می‌کنند که فعالیت آنها می‌تواند توسط نور قابل رویت، تغییر یابد – پروتئین‌های دریچه‌داری که به صورت مستقیم، جریان یون ها را در عرض غشای پلاسمایی کنترل می‌کنند. در سال ۱۹۷۱، Stoeckenius و Oesterhelt کشف کردند که باکتریورودوپسین بعنوان پمپ یونی عمل می‌کند و می‌توان آن را به سرعت توسط فوتون های نوری قابل رویت، فعال نمود. استفاده از پروتئین‌ها نیز بعنوان قالب اصلی کنترل تک ژنی- تک جزیی از سال ۱۹۷۱ تا شناسایی اجزای دیگر این خانواده ادامه یافت – هالورودوپسین در سال ۱۹۷۷ توسط Matsuno-Yagi و Mukohata و همچنین چنل‌رودوپسین در سال ۲۰۰۲ توسط  Hegemann، Nagel و همکارانشان شناسایی شد.

با گذر از نگرش شرینگتون به تدریج مشخص شد نور نه تنها برای مطالعه فعالیت سلولهای عصبی، بلکه برای دستکاری آنها نیز ابزار جالب و پرکاربردی است. ایده‌ای که Francis Crick آن را در سال ۱۹۷۹ منتشر کرد. وی در سال ۱۹۷۹ در مقاله‌ای با عنوان “تفکر در مغز”، به نیاز به متدی که در آن با غیر فعال کردن همه نورون‌های یک جزء بتوان انفعال در سایر اجزا را دستکاری کرد، اشاره کرد.

Crick نزدیک به ۲۰ سال بعد، در مقاله‌ای که توانایی‌ها و پتانسیل‌های زیست شناسی مولکولی را در زمان حال و آینده بررسی می‌کرد، به صراحت پیش‌بینی کرد که نور ممکن است در ثبت و کنترل فعالیت توده‌های نورونی دستکاری شده به کار رود:

یکی از اساسی‌ترین نیازهای پیش رو، کسب توانایی در فعال یا غیر فعال ساختن سریع انواع مختلف نورون‌ها در جانوران هوشیار می‌باشد. ایده‌آل‌ترین سیگنال محرک برای این منظور، نور است که طول موج آن برای دارا بودن قدرت نفوذ کافی، احتمالا باید در محدوده طول موج پرتوی فروسرخ قرار گیرد. این مورد در آینده ممکن خواهد بود ولی انجام آن در زمان حال، دور از انتظار می‌باشد. طراحی نوعی سلول که با واسطه‌ی اجزای بخصوصی به نور حساس باشد، برای زیست شناسان مولکولی عملی است. به روزترین تئوری برای توضیح عملکرد مغز، تحریک نورون‌های منفرد بجای تحریک نورون‌ها به صورت گروهی می‌باشد. یکی از راهکارها برای نایل آمدن به این منظور، مهندسی این نورون‌هاست؛ این مهندسی باعث می‌شود در صورت تحریک یکی از این نورونها، جرقه‌ای از نور در طول موج مشخصی ساطع شود. فردی که مطالعه را پیش می‌برد، می‌تواند با ردیابی این طول موج، تحریک نورونهای منفرد را به صورت مشخص دنبال کند.

ایده‌های Crick در دهه‌های پیش‌رو وارد آزمایش‌ها و بررسی‌های محققان شد.

اپتوژنتیک در گذر زمان

احتمالا اولین فردی که از نور برای تغییر عملکرد سلول‌های مغزی استفاده کرد، Francis Crick بود. وی در سال ۱۹۷۹ چالش پیش رو علوم اعصاب را نیاز به کنترل یک نوع سلول در مغز بدون دستکاری دیگر سلول‌ها معرفی کرد. همچنانکه الکترودها را نمی‌توان بصورت کاملا دقیق برای هدف قرار دادن سلول‌های خاص به کار برد و در ضمن داروهای مورد استفاده نیز تاثیر خود را با سرعت پایینی اعمال می‌کنند، این ایده در ذهن Crick پدید آمد که شاید نور دارای صفاتی باشد که بتوان از آن بعنوان ابزار کنترل استفاده کرد. ولی در آن زمان علوم اعصاب، استراتژی مشخصی برای وادار کردن سلول بمنظور پاسخگویی به نور نداشت.

 در سال ۱۹۹۹ او در سخنرانی خود در دانشگاه کالیفرنیا، به اندازه گیری تغییرات فعالیت الکتریکی در زیرگروه‌های مختلف سلول‌های مغزی با استفاده از نور اشاره کرد.

ردپای دیگری از کاربرد نور برای تحریک نورون‌ها، در کارهای Richard Fork دیده می‌شود. او توانست نورون‌هایی را که در عمق بافت‌های دست‌نخورده قرار داشتند بدون انجام دستکاری ژنتیکی، تحریک کند.

در سال ۲۰۰۲ دانشمندی بنام Boris Zemelman به همراه Gero Miesenbock برای اولین بار از یک سلول دستکاری شده برای آزمایشات لیزری استفاده کردند. هدف این آزمایش، کنترل فعالیت نورون‌هایی بود که در آن‌ها رودوپسین Drosophila کاشت شده‌بود.

در سال ۲۰۰۳، Zemelman و Miesenbock روش دومی برای فعال کردن نوری نورون‌ها یافتند که درآن کانال‌های اینوتروپیک TRPV1، TRPM8 و P2X2 توسط لیگاندهای Photo caged به نور پاسخ می‌دادند.

در اوایل سال ۲۰۰۴، گروه‌های Kramer و Isacoff با همکاری گروه Trauner، سوئیچ‌های نوری ارگانیکی را ایجاد کردند که می‌توانستند با کانال‌های یونی که در سلول کاشته شده بودند، تعامل داشته باشند. متدولوژی TRPV1 گر چه عملکرد سوئیچ نوری را در برنداشت، بعدها در آزمایشگاه‌های مختلف برای مطالعه تغذیه، تحرک و جهش رفتاری در حیوانات آزمایشگاهی مورد استفاده قرار گرفت.

با این حال تغییر فعالیت نورون‌ها به وسیله روش‌هایی که بر پایه نور باشد، خارج از آزمایشگاه‌های اصلی خود مورد استفاده قرار گرفته‌اند؛ احتمالا به این دلیل که کانال‌های رودوپسینی که به کارگیری آسان‌تری داشتند، مدت‌ها بعد کلون شدند.

اولین ابزار اپتوژنتیکی چگونه معرفی شد؟

Peter Hegemann که پاسخ‌ نوری جلبک‌های سبز را در دانشگاه Regensburg مطالعه می‌کرد، دریافت این جریان‌ها سریعتر از آن هستند که با مدل کلاسیک رودوپسین‌های حیوانی جفت شده با پروتئین‌ها، توجیه شوند. او پس از آغاز همکاری با George Nagel، الکتروفیزیولوژیستی که در انستیتو Max Planck مشغول به کار بود، توانست نشان دهد هنگامی که یک ژن مشخص از Chlamydomonas در تخمک یک قورباغه بیان می‌شود، جریان‌های یونی قابل توجهی در پاسخ به نور تولید می‌گردد. آنها برای شناسایی سلول‌های بیان‌کننده این ژن، توالی سیتوپلاسمی پروتئین جلبکی را با پروتئین فلوروسنت YFP جایگزین کردند که نتیجه این رویکرد، به وجود آمدن اولین ابزار کاربردی اپتوژنتیکی بود.

 Zhuo-Hua Pan از دانشگاه ایالتی وین که مطالعات خود را بر روی بازگرداندن بینایی در افراد نابینا منعطف ساخته بود، به فکر استفاده از کانال‌های رودوپسینی افتاد که در اواخر سال ۲۰۰۳ عرضه شده‌بودند. در فوریه ۲۰۰۴، او کانال‌های رودوپسینی را که در سلول‌های گانگلیای چشم کاشت کرده‌بود، مورد مطالعه قرار داد. در واقع نورون‌های دارای رودوپسین در پاسخ به نور، تحریک الکتریکی نشان می‌دادند.

با استناد به گزارشی که در ماه آگوست سال ۲۰۰۵ منتشر گردید، نورونها در صورت بیان ژن اپسین میکروبی، بدون نیاز به اجزاء و مواد شیمیایی دیگر، بصورت کاملا دقیق به نور پاسخ نشان می‌دهند. گزارش‌های متعدد دیگری نیز در سال بعد، وقوع این امر را تایید کردند.

در آوریل سال ۲۰۰۵، Miesenbock و Susana Lima اولین بهره گیری از تحریک نوری گیرنده P2X2 نشان‌گذاری شده را در کنترل رفتار حیوانات، رقم زدند. آن‌ها نشان دادند تحریک نوری گروهی از نورون‌ها از جمله نورون‌هایی که در سیستم دوپامینرژیک قرار دارند، تغییرات رفتاری خاصی را در مگس‌های میوه آشکار می‌سازد.

در آگوست سال ۲۰۰۵، Karl Deisseroth در دپارتمان مهندسی زیستی دانشگاه Stanford همراه با دانشجویان فارغ‌التحصیل خود، Ed Boyden و Feng Zhang، مطالعه منحصربفرد خود را منتشر کرد. وی در این مطالعه به شرح جزئیات اولین سیستم اپتوژنتیک تک-‌جزئی که در نورون‌های پستانداران کاشت شده بود، پرداخت. آنها در این سیستم از سازه‌ای که توسط Nagel و Hegemann طراحی شده‌بود، استفاده کردند.

گروه‌های Gottschalk و Nagel اولین گروه‌هایی بودند از کانال چنل‌رودوپسین-۲ برای کنترل سلولها در موجود زنده استفاده کردند. مطالعات آنها نشان می‌داد با بکارگیری محرک‌های نوری مناسب می‌توان الگوهای حرکتی متنوعی را در کرم کروی Caenorhabditis elegans  که بر پایه‌ی مسیرهای نورونی دستکاری شده مشخصی استوار بودند، برانگیخت. (این مطالعه در دسامبر سال ۲۰۰۵ منتشر شده است.)

در موش‌ها، بیان کنترل‌شده ابزارهای اپتوژنتیکی معمولا با استفاده از متدهای مختص سلولی Cre/loxP که توسط Joe Z. Tsien در دهه ۹۰ میلادی برای استفاده در مطالعات علوم اعصاب ابداع شده‌بودند، صورت می‌گیرد. این روش‌ها، تحریک یا مهار سلولهای متنوع در مناطق مختلف مغزی موجودات زنده را زمینه سازی می‌کنند.

در اوایل سال ۲۰۰۹، محققان با تکیه بر محتویات رتینال بافت مغزی پستانداران و واحدهای سیگنالینگ رتینال در تاریکی، کنترل نوری مسیرهای بیوشیمیایی مرتبط با گیرنده متصل به پروتئین G (یا GPCR) در پستانداران آزادزی  را از طریق شبیه سازی های  rhodopsin-GPCR مهره داران (optoXRs)، تشریح نمودند { optoXRs، گیرنده‌های کایمریک هستند که از جانشین ساختن حلقه‌های درون سلولی رودوپسین گاوی در گیرنده‌های آدرنرژیک بخصوصی تشکیل می‌شوند}. متعاقبا، کنترل نوری GTpaseهای کوچک (با تغییرات منتجه در شکل و تحرک سلولی) در سلول های کشت شده با بکارگیری استراتژی‌های نوین بدست آمد.

تا سال ۲۰۱۰ نیز توانایی مولکولهایی مانند چنل‌رودوپسین، باکتریورودوپسین و هالورودوپسین در فعال یا غیر فعال کردن نورون‌ها به صورت ایمن و با سرعت بالا در پاسخ به انواع مختلف طول موجهای نوری، بررسی و اثبات شد.

ثبت رخدادهای مرتبط و فعالیت ابزارهای اپتوژنتیکی

ابزار اصلی برای ثبت وقایع اپتوژنتیکی، شاخص‌های کلسیمی کدگذاری شده (GECIs) می‌باشد. اولین GECI که برای تصویر فعالیت حیوانات استفاده شده‌است، cameleon است که توسط Atushi Miyawaki، Roger Tsien و همکارانشان ابداع گردیده‌است. اولین استفاده موفقیت‌آمیز cameleon در حیوانات نیز توسط Rex Herr، Willian Schaffer و همکارانشان کلید خورد که طی آن، ثبت فعالیت نورون‌ها و سلول‌های ماهیچه‌ای کرم‌های لوله‌ای elegans صورت گرفت. Cameleon بعدا در ثبت فعالیت‌های نورونی پروانه‌ها و گورخرماهی نیز بکار گرفته شده‌است. GCaMP، اولین GECI است که در پستانداران به کار گرفته شده و توسط Nakai و همکارانش طراحی شده‌است.

Awards

• در سال ۲۰۱۰، Karl Deisseroth از دانشگاه Stanford، به پاس تلاش مستمر و خلاقانه در عرصه توسعه ابزار‌های اپتوژنتیک و به جهت مطالعه کارکرد شبکه‌های نورونی مرتبط با رفتار، برنده جایزه HFSP Nakasone شد.
• در سال ۲۰۱۲، Miesenbock به پاس رویکرد خلاقانه‌اش در اپتوژنتیک که شامل دستکاری فعالیت‌های نورونی و کنترل رفتار حیوانات می‌شد، جایزه InBev-Baillet Latour International Health Prize را از آن خود کرد.
• در سال ۲۰۱۳ نیز Bamberg، Boyden، Deisseroth، Hegemann، Miesenbock، و Nagel به جهت تلاش مستمر در حیطه اپتوژنتیک و ارتقای آن، برندگان جایزه The Brain Prize اعلام شدند.

مقاله مرتبط: و اینک اپتوژنتیک تک سلولی