مقدمه ای بر اپتوژنتیک؛ بازی نور و ژنتیک

Max Planck، دانشمند پر آوازه آلمانی می‌گوید: “کسب دانش و آگاهی درباره موضوعی، بر کاربرد آن مقدم است.” Karl Popper نیز بر این باور است “پیش از اینکه بخواهیم پاسخی برای پرسش‌هایمان پیدا کنیم، باید قدرتی برای طرح پرسش‌های جدید داشته باشیم، به بیان دیگر به تکنولوژی نیاز داریم.” مثال کلیدی از پیشرفتهای عظیم که در تکنولوژی حاصل شده‌است، حیطه جدید و در حال پیشرفت “اپتوژنتیک” (optogenetics) می‌باشد.

Ernst Bamberg، اپتوژنتیک را این چنین تعریف می‌کند:

اپتوژنتیک، استفاده از پروتئینهای فعال شونده توسط نور بمنظور دستکاری در سلولها به طریقی تقریبا غیر تهاجمی است. این پروتئینها توسط ماده ژنتیکی ارگانیسم مورد نظر کد گذاری می‌شوند.

اپتوژنتیک، عبارت و مفهوم نسبتا جدیدی است که از ترکیب دو واژه اپتو (opto) و ژنتیک (genetic) تشکیل شده‌است. به بیان ساده در این روش، یک پروتئین (که بصورت ژنتیکی کد گذاری می‌شود) با تابش نور فعال شده و عملکردهای بعدی را پایه گذاری می‌کند. این روش، تکنیکی انقلابی است که کمی بیش از یک دهه پیش کشف شده‌است. واژه اپتوژنتیک ابتدا برای دپولاریزاسیون سلولها پس از تابش نور توسط چنل‌رودوپسین-۲ (channelrhodopsin-2)، بکار رفت. 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 پیشگامان این تکنیک می‌توان به Karl Deisseroth، Edward Boyden، Ernst Bamberg، Peter Hegemann، George Nagel و Gero Miesenbock اشاره کرد.

دانشمندان از مدتها پیش رویای کسب توانایی کنترل فعالیت سلولها با دقت زمانی- مکانی بسیار بالا را در سر می‌پروراندند تا اینکه اپتوژنتیک پا به عرضه تکنولوژی گذاشت. این تکنیک با ترکیب روش‌های نوری و ژنتیکی، دستکاری و کنترل فعالیت سلولها خصوصا سلولهای عصبی را با دقت زمانی و مکانی بالا چه در آزمایشگاه و چه در بدن موجود زنده فراهم می‌آورد. این تکنیک با قادر ساختن دانشمندان برای مورد هدف قرار دادن انواع مختلف سلولی بصورت انتخابی، باعث فعال یا غیر فعال شدن این سلولها شده و در بازه زمانی در حد میلی ثانیه، درجه بالایی از اختصاصیت و کنترل فراهم می‌آورد که بسیار فراتر از کنترل حاصل از مصرف داروهای مختلف است. در سال ۲۰۱۰، این تکنیک با انتخاب نشریه Nature بعنوان روش سال معرفی شد و نشریه Science نیز این تکنیک را بعنوان یکی از یافته‌های شگفت انگیز دهه اخیر معرفی کرد.

Gero Miesenbock دیدگاه خود در مورد کاربردهای اپتوژنتیک را این چنین بیان می‌دارد:

من احساس می‌کنم اپتوژنتیک در دو موقعیت، بسیار سازنده واقع می‌شود: زمانیکه فرد در مورد بافت مورد مطالعه، اطلاعات بسیار اندکی دارد و زمانیکه فرد در مورد بافت مورد مطالعه، اطلاعات بسیاری کسب کرده‌است. در موقعیت اول، اپتوژنتیک فرد را بمنظور شناسایی عوامل بسیار مهم یاری می‌کند؛ و در موقعیت دوم، اپتوژنتیک می‌تواند بمنظور بررسی فرضیه‌ها مورد استفاده قرار گیرد.

این تکنیک به عواملی مانند فیبرهای نوری، دستکاری ژنتیکی و الکتروفیزیولوژی آنی در بدن موجود زنده نیاز دارد. همچنین، بیان اختصاصی و تولید مقدار قابل توجهی از اپسین‌های مختلف برای واکنش‌ پذیر ساختن سلول به نور، مورد نیاز است. وکتورهای ویروسی بعنوان ابزار ارزشمندی برای انتقال ژنهای مختلف به دستگاه عصبی شناخته شده‌اند. دانشمندان، وکتورهای ویروسی مرتبط با آدنو ویروس‌ها (AAV) را که حامل ژنها‌ی اپسین و پروموترهای مخصوص سلول هستند، در این تکنیک بکار می‌گیرند.

بررسی‌ها و مطالعات اپتوژنتیکی، دید جدیدی به بیماری پارکینسون و دیگر بیماری‌های عصبی و روانی فراهم آورده‌است. این نتایج امیدوار کننده باعث پیدایش علاقه بسیار در جامعه علمی بمنظور استفاده از این تکنیک در آزمایشگاه‌های مطالعاتی در حیطه‌های مختلف اختلالات بافتی شده‌است؛ بطوریکه پس از کسب پیشرفتهای چشمگیر در زمینه علوم عصبی، دانشمندان از این تکنیک بمنظور مطالعه اختلالات دیگر بافتها مانند بیماری‌های قلبی و اختلالات عضلانی بهره می‌برند.

صاحب نظران، ظهور اپتوژنتیک را با دیگر تکنولوژی‌ها مانند سیستم تصویر برداری تشدید مغناطیسی (MRI) و سیستم ثبت patch-clamp که به نوبه‌ی خود، از یافته‌های خارق‌العاده در علم هستند، مقایسه می‌کنند. برای مثال، Rob Malenka این چنین می‌گوید:

روش patch-clamp با اینکه کانالهای (یونی) منفرد را هدف قرار داده و در الکتروفیزیولوژی سیستم عصبی بکار می‌رود، ولی پیش از ابداع این روش، تکنیکهای ابتدایی‌تری برای این امر وجود داشتند که هم اکنون نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ضمن روش patch-clamp، مورد علاقه‌ی تعداد اندکی از محققان و دانشمندان قرار دارد. درمقابل، اپتوژنتیک امکان انجام آزمایش‌های جدیدی را فراهم کرده‌است که در ابزار کار طیف وسیعی از محققان، از دانشمندان علوم عصبی در حیطه سلولی گرفته تا دانشمندان علوم عصبی در حیطه رفتاری، می‌گنجد. در ضمن، اپتوژنتیک امکان انجام مطالعات مختلف بر روی طیف گسترده‌ای از ارگانیسم‌ها (از حشرات تا میمون‌ها) را فراهم می‌آورد. MRI، نیاز به افراد متخصص و دستگاه‌های پیشرفته دارد که نتایج حاصل از آن تنها برای گروه کوچکی از دانشمندان قابل درک است؛ ولی اپتوژنتیک از این محدودیت‌ها فراتر رفته‌است.

در مورد توانایی اپتوژنتیک برای مبدل شدن به یک ابزار بالینی در درمان بیماری‌های انسانی، Anatol Kreitzer می‌گوید:

باور من این است که در آینده بسیار نزدیک، تعدادی از کاربردهای بالینی این تکنیک را برای مثال در شبکیه چشم انسان شاهد خواهیم بود؛ ولی در مورد بیماری‌های سیستم عصبی نمی‌توان با قاطعیت نظر داد. زیرا پرسش‌های اساسی بسیاری وجود دارد که باید به نحوی برای آن پاسخ بیابیم. آیا پروتئین‌های اپتوژنتیکی می‌توانند بصورت پایدار در مغز و بدون ایجاد التهاب و اختلال در فرآیندهای سلولی بیان شوند؟ چگونه پروتئین‌های اپتوژنتیکی مورد هدف قرار خواهند گرفت و بیان آنها در سلولهای مشخصی از مغز انسان، چگونه خواهد بود؟ چگونه نور به نواحی عمقی مغز منتقل خواهد شد؟

نظر Christian Luscher نیز بدین شرح است:

بله، نهایتا به این کاربردها دست خواهیم یافت ولی نه در ۱۰ سال آینده. موانع بسیاری مانند هدف گیری اختصاصی سلول، پایداری بیان پروتئین‌ها در سلولها، سمیت طولانی مدت ویروسی و… وجود دارد که امکان استفاده از این تکنیک در درمان بیماری‌ها را به تعویق می‌اندازد و پیشرفت‌های بیشتری برای غلبه بر این موانع مورد نیاز است. با این حال، من پنجره‌ای گشوده شده برای ایجاد پروتکلهای جدید تحریک عمقی مغز (DBS) می‌بینم.

پس از همه‌ی این بحث‌ها، با نگاه نقادانه به این تکنیک می‌توان دریافت این روش همانند دیگر روش‌های مورد استفاده در مطالعات محدودیت‌هایی دارد. بطوریکه Peter Hegemann اذعان دارد:

در واقع، نور واسطه‌ای مناسب برای فعالسازی پروتئین‌ها در مغز حیوانات بزرگتر نیست؛ نور، بیشتر برای ارگانیسم‌های شفاف مانند C. elegans، Drosophila و گورخر ماهی مناسب است.
چیزی که ما برای مغز پستانداران نیاز داریم، پروتئینهای حساس به واسطه‌های دیگر مانند فراصوت و میدانهای مغناطیسی می‌باشد که نسبت به نور، در نفوذ به مغز بهتر عمل می‌کنند. همچنین به کنترل نوری ارتقا یافته بر روی ویرایش DNA، بیان ژن و آنزیم‌های حساس به نور نیاز داریم که هم اکنون در دسترس نیست ولی امید است در آینده‌ای نه چندان دور این توانایی‌ها نیز به مجموعه ابزار اپتوژنتیکی افزوده شود.

در طول این مجموعه، مطالب مرتبط با حوزه اپتوژنتیک را مورد بررسی قرار خواهیم داد. پس با ما همراه باشید.

[kkstarratings]