آزمایشگاه زیست- شیمی شناسی دانشگاه هاروارد سوئیچهای اپتوژنتیکی را مهندسی کرده‌است که انتشار امواج فلوئورسنت را که نشانه‌ای از فعالیت الکتریکی شبکه‌های عصبی است، متوقف می‌سازد. این سوئیچهای اپتوژنتیک، پروتئینهای حساس به نور بنام رودوپسین هستند که وارد سلولهای پستانداران کرده و فعالیت الکتریکی را توسط آنها کنترل می‌کنند. همچنین این سوئیچ‌ها توانایی خاموش کردن انتشار امواج فلوئورسنت را از سلولهای تپنده قلب و رویان در حال رشد دارا می‌باشند. جزئیات این پژوهش در نشست سالانه انجمن آمریکایی زیست شناسی سلولی در تاریخ ۱۷ دسامبر ۲۰۱۲ در سان فرانسیسکو ارائه شد.
دکتر آدام کوهن اذعان داشت که سوئیچهای اپتوژنتیک که در سال ۲۰۰۵ در دانشگاه استنفورد توسط Karl Deisseroth ایجاد شدند، در سلولهای عصبی پستانداران از نور بعنوان یک کنترل از راه دور برای روشن یا خاموش کردن استفاده می‌کنند. سوئیچهای رودوپسین محققان را قادر ساخته است تا کنترل نوری شرایط الکتریکی (سلول) را در اختیار داشته و سلولهای عصبی حیواناتی چون کرم، ماهی، موش و حتی میمونها را وادار به تحریک کنند.
مقاله مرتبط: فوتوفارماکولوژی و اپتوژنتیک: روشن کردن مسیر برای پیامبرهای ثانویه
دکتر کوهن با ایجاد تغییراتی (در روند فعالیت پروتئینها)، آنها را به چراغهای نشانگر تبدیل کرده‌است؛ که با استفاده از آنها، محققان آزمایشگاه وی می‌توانند بطور مستقیم فعالیت الکتریکی سیستمهای پیچیده‌ای چون عضله قلب را بررسی کنند. همچنین محققان مطابق دیگر آزمایشها، یک مویرگ شیشه‌ای بسیار کوچک را وارد سلول کرده و توسط یک سنجش‌گر ولتاژ حساس، ولتاژ را محاسبه می‌کنند.
وی اذعان داشت: “این فرآیند آهسته و دشوار است. ما دریافتیم که سنجش نوری می‌تواند با بازده بسیار بالایی انجام شود؛ که مزیت بزرگی برای مطالعات شناسایی داروهای سیستم عصبی یا قلبی محسوب می‌شود.”
محققان آزمایشگاه پروتئین رودوپسینی بنام Archaerhodopsin 3 (Arch) را شناسایی کرده‌اند. این پروتئین از میکروارگانیسمی بنام Halorubrum sodomense بدست آمده‌است و نشانگر فلوئورسنت سریع و حساسی برای ولتاژ غشا می‌باشد.
دکتر کوهن و همکارانش قادر به بیان پروتئین Arch در نورونهای کشت داده شده‌ی موش بوده‌اند. هر بار که نورون موش تحریک شد، محققان یک تلالو فلوئورسنت مشاهده و ثبت کردند. با این روش، آنها نقشه فضایی بدست آوردند که انتشار ایمپالسهای الکتریکی را در نورونها به تصویر می‌کشد؛ و دید جدید و با جزئیاتی بر نحوه تشکیل و گسترش این ایمپالسها فراهم می‌آورد. محققان همچنین این پروتئینهای نشانگر ولتاژ را در سلولهای قلبی موش بیان کرده و با استفاده از آنها ایمپالس عصبی مرتبط با هر تپش قلب را ثبت کردند.
در سلولهای قلبی انسان، که از سلولهای بنیادی پرتوان انسانی (hiPSCs) بدست آمده‌اند، دکتر کوهن و همکارانش پروتئین Arch را بعنوان یک نشانگر ولتاژ بیان کردند. بدلیل انقباض خودبخودی این سلولها در محیط کشت، محققان قادر بودند اثرات طیف وسیعی از داروها را با سنجش نوری فعالیت الکتریکی این سلولها در یک بازه زمانی کوتاه بررسی کنند.
دکتر کوهن گفت: “مطالعات روی سلولهای قلبی مشتق از hiPSCs بسیار هیجان انگیز است؛ زیرا آنها ما را قادر می‌سازند تا الکتروفیزیولوژی قلب را در سلولهای افراد مختلف با خطر ابتلا به طیف وسیعی از بیماری‌های قلبی مطالعه کنیم.”
آزمایشگاه کوهن همچنین پروتئینهای رودوپسین میکروبی را در گورخرماهی زنده بیان کرده‌است؛ زیرا گورخرماهی‌ها بدن شفافی دارند و مطالعات نوری بدون انجام عمل جراحی ممکن هستند. آزمایشگاه وی موجهای الکتریکی را دسته‌بندی کرده‌است که تپش قلب را آغاز می‌کنند. همچنین رشد قلب رویان گورخرماهی از دسته بی‌حرکت سلولها به یک ارگان تپنده و نورونهای تحریک‌پذیر مغز گورخرماهی که به محرکهای خارجی پاسخ می‌دهند نیز توسط این آزمایشگاه بررسی شده‌است.
Arch یکی از ۵۰۰۰ پروتئین رودوپسین میکروبی است که رنگ (نور رنگی) تولید می‌کند. آنها همبستگی مولکولی با مولکولهای رودوپسین واقع در چشم انسان که دید رنگی را ممکن می‌سازند، دارند.
مقاله مرتبط: اپتوژنتیک: شناسایی هدف‌های جدید برای مداخله
