کنترل سلولهای مغزی بصورت منفرد با استفاده از پروتئینهای حساس به نور بعنوان ابزار قوی برای شبیه سازی پیچیدگی‌های مغز ثابت شده‌است. همانطور که این شاخه از علوم اعصاب گسترش می‌یابد، نیاز برای ابزارها پروتئینی متنوع و گسترش جعبه ابزار اپتوژنتیک نیز بیشتر می‌شود.
مقاله مرتبط: مقدمه ای بر اپتوژنتیک؛ بازی نور و ژنتیک
یک تیم چند رشته‌ای متشکل از ۱۴ محقق از the Howard Hughes Medical Institute’s Janelia Research Campus و دیگر موسسات، روش جدیدی برای مهندسی این پروتئینها، که رودوپسین نامیده می‌شوند، یافته‌اند. مطابق گزارش آنها در نشریه Cell، دانشمندان با وارونه کردن پروتئینها در غشای سلول قادر به تولید ابزارهای جدید با ویژگی‌های متمایز بوده‌اند.
این تکنیک می‌تواند تعداد پروتئینهای در دسترس اپتوژنتیک (تکنیکی برای دستکاری فعالیت نورونها با نور) را ۲ برابر سازد. رودوپسینهای هیبرید جدید، امکان انجام مطالعات جدید در Janelia را فراهم و محققان را در بررسی مدارهای مغزی و مطالعه علوم اعصاب مرتبط با درمان بیماری پارکینسون، یاری می‌کند.
تاکنون، دانشمندان دو راه اصلی برای یافتن پروتئینهای جدید مورد استفاده در اپتوژنتیک در پیش رو داشتند. یک راه، کشف آنها در طبیعت از طریق جستجوی ژنوم است. راه دیگر، جهش بخشی تدریجی به پروتئینها تا زمان کسب ویژگی مورد نظر بوده‌است. هر دو رویکرد از نقاط قوتی برخوردار هستند، ولی توانایی آنها برای فراهم کردن مجموعه‌ای از ویژگی‌ها که دانشمندان برای افزایش دقت مطالعات نیاز دارند، محدود است.
با الهام از تکامل، تیم چند رشته‌ای Janelia تحت هدایت Jennifer Brown، Reza Behnam، Luke Coddington و Gowan Tewo ، تکنیک مکملی برای مهندسی رودوپسینهای جدید طراحی کرده‌اند. تنوع پروتئینی در طبیعت علاوه بر جهش، از طریق نوترکیبی نیز تغییر می‌یابد – ترکیب توالی‌های پروتئینی با عملکردهای مشخص از طریق سازمان دهی مجدد ژنها. دانشمندان بر این باورند نوترکیبی برای ظهور مجموعه پروتئینها که جهت گیری آنها در غشای سلولی در طی تکامل تغییر یافته‌است، ضروری بوده‌است.
با اینکه پروتئینهای تغییر جهت یافته در طبیعت موجود هستند، باور مرسوم، مهندسی یکی از آنها را نزدیک به غیر ممکن می‌داند. پروتئینها دارای اشکالی هستند که با ظرافت برای جهت گیری آنها در غشا تنظیم شده‌است؛ و معمولا دانشمندان در تلاش برای ساخت پروتئینهای عملکردی با تغییر آنها در آزمایشگاه، شکست می‌خورند.
با این حال، زمانیکه محققان Janelia نوترکیبی را با افزودن یک پروتئین جدید به انتهای یک رودوپسین شبیه سازی کردند، جهت گیری آن تغییر کرد. Alla Karpova می‌گوید: “ما واقعا با مشاهده سهولت تغییر جهت رودوپسین به طریقی که می‌خواهیم، شگفت زده شدیم.”
Karpova بر این عقیده است اگر هر رودوپسین مهندسی شده یا کشف شده‌ی موجود زمانیکه تغییر جهت می‌یابد، عملکرد جدیدی کسب کند، می‌تواند دو برابر شدن پروتئینهای در دسترس برای اپتوژنتیک را منجر شود.
تیم مطالعه نه تنها جهت گیری پروتئینها را تغییر داد، بلکه رودوپسین جدیدی که عملکردهای جدید مفید و منحصربفردی داشت را کشف کرد. این رودوپسین، FLInChR یا Full Length Inversion of ChR نام دارد و رودوپسینی است که نورونها را تحریک می‌کند. زمانیکه جهت گیری این رودوپسین تغییر پیدا کرد، به یک مهارکننده قوی که مطالعات جدید را ممکن می‌سازد، تبدیل شد.
Joshua Dudman اذعان دارد: “ما همیشه قصد داریم ابزارهای جدیدی تولید کنیم که انجام مطالعات جدید و مورد انتظار ما را ممکن سازد. توانایی تغییر جعبه ابزار، موردی اساسی برای به پیش حرکت دادن علوم اعصاب است.”
