Идущие за лучом: какие возможности открывает для медицины оптогенетика

В полумраке клетки возится вроде бы обыкновенная крыса, занятая своими делами. Она прогуливается, принюхивается, шевеля усами, прикладывается к поилке, чистит белую шерстку… Вот только почесать макушку крысе затруднительно: позади глаз из ее черепа торчит оптоволокно, зафиксированное стоматологическим цементом. Оно испускает яркий голубой свет и соединено с проводами, которые теряются в темноте где-то наверху.

Что за странная картина? Может, перед нами кадры нового фантастического фильма? На самом деле крыса со светящимся черепом — это не плод фантазии и не какая-то вычурная декорация, а вполне себе реальность и для некоторых ученых даже повседневность.

Светофор для беспозвоночных

Место действия — одна из множества лабораторий, где проводят эксперименты с применением оптогенетики, метода, позволяющего управлять мозгом с помощью лазера или светодиода. Фантастическое сияние на голове крысы — не спецэффект: это излучение с определенной длиной волны (т. е. цветом), которое избирательно воздействует на определенную группу нейронов: может их включать, выключать или «прибавить мощность».

С помощью оптогенетики биологи уже могут влиять на импульсивность поведения животных, их внимание, эмоциональное состояние, аппетит и многое другое. Так, в одном из исследований мышей научили бояться клетки, где им никогда не причиняли вреда. Зато в ней им с помощью оптогенетики активировали те нейроны, которые «помнили» о мучениях грызунов в другой клетке.

Такие нервные клетки локализованы в гиппокампе — области мозга, связанной с памятью и ориентированием в пространстве. В результате мыши стали ассоциировать безвредную клетку с опасностью. Условно говоря, им «имплантировали» память о плохих событиях, которые никогда не случались.

Чтобы проверить, насколько устойчивы искусственные воспоминания, ученые «отшибли» мышам память с помощью химических препаратов. Затем экспериментаторы снова подействовали светом на клетки гиппокампа, и страшные воспоминания о никогда не бывшем послушно вернулись.

Если можно управлять памятью, можно ли превратить живое существо в послушного робота? Да. Правда, с крысами такое пока не проделывали — все-таки у грызунов весьма сложный мозг. Ученые превратили в автомат нематоду Caenorhabditis elegans. В природе крошечный, длиной всего в миллиметр червячок живет в почве, где питается органическими остатками, проползая через твердое и проплывая по жидкому. Этот скромный и непримечательный червь стал для биологов одним из самых важных модельных организмов.

И всё потому, что в организме C. elegans всё просто и прозрачно. Его внутренности буквально просвечивают насквозь, а клетки червя, в том числе и нервные, известны наперечет. У редко встречающихся самцов 385 нейронов, у гермафродитов (самок как таковых у них нет) — 302.

В своих работах биологи сделали крошечную нематоду настоящей марионеткой. Например, посветят на определенную группу нервных клеток зеленым лазером — червячок торопливо ползет, посветят ультрафиолетовым — тот застынет. Получается своего рода светофор.

С помощью оптогенетики несчастную нематоду можно заставить стать короче, длиннее, отложить яйца. Или, отключив ее собственные связи нервов с мышцами («лишив воли»), сделать биороботом, которым можно как угодно управлять извне.

Свет приходит в мозг

Каким образом биологи заставили нейроны мозга реагировать на свет? От природы у них нет такой способности, и это неудивительно: зачем, с точки зрения эволюции, мозгу чувствительность к свету, если под черепом постоянно темно?

Однако эволюция — не единственный архитектор живых организмов. С помощью генной инженерии люди создали немало такого, на что у природы не хватило изобретательности. Например, перенесли в мозг крысы светочувствительные белки, позаимствованные у других организмов.

Чтобы «пересадить» белок в нужную клетку, нужно изменить ее ДНК. Для таких манипуляций есть целый набор инструментов. Например, можно заразить клетки специальным обезвреженным вирусом, который не способен размножиться и вызвать болезнь. Зато он несет в себе ген нужного белка и внедряет его в ДНК клетки.

Глаза водорослей

Первый белок, использованный в оптогенетике, был позаимствован у незамысловатого организма — хламидомонады Chlamydomonas reinhardtii. Она живет во многих озерах и прудах с «цветущей» водой. Это плавающая в толще воды микроскопическая водоросль размером всего 10 микрометров. У нее имеется глазок (стигма), отличающий свет от тьмы. Водоросль живет за счет фотосинтеза, поэтому стремится плыть на свет.

Своим «зрением» хламидомонада обязана каналородопсину — белку в ее глазке, который избирательно реагирует на голубой свет (особенно с длиной волны 480 нанометров).

Если быть точным, то в качестве «приемника» света выступает не сам каналородопсин, а связанная с ним молекула — ретиналь. Каналородопсин — один из множества белков, имеющих при себе молекулу ретиналя и потому «чувствующих» свет. Такие белки называются опсинами.

Пионеры исследований каналородопсина — например, американец Карл Дайссерот, который в 2006 году придумал термин «оптогенетика», — сразу задумались о внедрении этого белка в другие организмы для манипуляций с помощью света.

Выключатель для нейрона

Как же светочувствительные белки «включают» и «выключают» живые клетки? В слове «каналородопсин» не зря есть корень «канал». Молекула каналородопсина пронизывает толщу клеточной мембраны и имеет сквозную пору (канал): один вход снаружи клетки, другой внутри. Обычно канал закрыт. Но если эту молекулу активировать (заставить изменить форму), она открывает канал и пропускает внутрь клетки положительные ионы — натрий, калий, водород.

Ионы несут в себе электрический заряд и тем самым меняют электрическое поле на клеточной мембране. Это особенно важно для так называемых возбудимых клеток. К ним относятся нервные клетки, мышечные и клетки желез. Такие клетки воспринимают и генерируют электрические сигналы, чтобы быстро реагировать на внешние стимулы.

Мембраны возбудимых клеток пронизаны белками-каналами. Те способны открываться по команде и избирательно пропускать ионы, либо «возбуждая» клетку (заставляя генерировать электрический импульс), либо «успокаивая» ее. Разные белки активируются разными сигналами: химическими, электрическими или механическими. Или световыми, как каналородопсин.

Когда каналородопсин активирован, он возбуждает клетку. Зачастую клетку нужно, наоборот, «успокоить»: иными словами — подавить генерацию электрических импульсов. Для этого используют другие опсины. Например, галородопсин, который активируется желто-зеленым светом (особенно при длине волны 578 нанометров) и пропускает внутрь клетки ионы хлора, заряженные отрицательно, а не положительно.

Вообще, опсинов описано великое множество: у разных животных, бактерий, архей, грибов и даже вирусов. Любопытно, что опсины разных существ не родственны и возникли в ходе эволюции независимо друг от друга.

Надежды и тревоги

Оптогенетика — ровесница изучающих ее студентов. Ей всего лишь 18, с натяжкой — 20 лет. За такой короткий срок ученые научились использовать целый спектр светочувствительных белков, которые отличаются тем, какие ионы они пропускают, в каком направлении (внутрь клетки, вовне), насколько избирательно, длиной волны активирующего света и т.д.

С помощью оптогенетики можно лечить не только болезни мозга. Так, оптогенетику давно рассматривают как перспективный способ радикального излечения слепоты. В 2021 году такая технология была успешно испытана на первом в мировой истории пациенте, получившем оптогенетическую терапию. Введение в сетчатку опсина и специальные чувствительные очки позволили ослепшему пожилому мужчине вновь различать мир вокруг себя.

На животных активно исследуют и возможность оптогенетической терапии болезней сердца — чтобы задать клеткам миокарда нужный ритм. С ее помощью можно управлять и скелетными мышцами человека, кишечником, в перспективе — и многими другими типами его клеток, а также микробами и растениями.

Однако при всех преимуществах и возможностях оптогенетика связана с немалыми рисками. Во-первых, в современном виде метод обычно включает в себя хирургическое вмешательство, в том числе операции на мозге. Во-вторых, генетические модификации (в том числе с помощью вирусов, пусть даже обезвреженных) — это всегда риск «попасть мимо» и вызвать в геноме или иммунитете плохо предсказуемые эффекты.

Не меньше настораживает и этическая сторона вопроса, ведь речь идет о своего рода пульте управления мозгом. Представим себе человека с оптогенетическим имплантатом, управляющим его эмоциями и мотивацией — скажем, для лечения депрессии.

Что, если управление этим имплантатом окажется в корыстных руках? А если множество оптогенетических устройств (а значит, и людей) подключат к единой системе управления или базе данных, которую могут атаковать хакеры? Такие возможности — готовые сценарии хоррора или антиутопии.

И всё же сейчас будущее оптогенетики видится скорее в радужных тонах. Ее динамичное развитие позволяет надеяться, что имеющиеся трудности вполне преодолимы. А недоверие к фантастическому методу вполне может оказаться неоправданным. В конце концов, люди всегда встречают новое с опасениями, будь то паровой двигатель, электричество или ГМО. Как показала история, потомки охотно используют в быту то, чего до дрожи боялись их отцы и деды.

_{Фото: SHUTTERSTOCK / FOTODOM; MARTIN BARRAUD; BERRIDGE LAB; SHUTTERSTOCK / FOTODOM; JAWAHAR SWAMINATHAN AND MSD STAFF AT THE EUROPEAN BIOINFORMATICS INSTITUTE; CHRISTOPHER P. MICHEL; MCGOVERN INSTITUTE FOR BRAIN RESEARCH AT MIT}

_{Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 10, декабрь-январь 2023/2024}