Avances en la investigación de la fotogenética

LuzHerenciaLa Optogenética es una integración de la óptica que se está desarrollando rápidamente en los últimos años.SoftwareTecnología de bioingeniería interdisciplinaria, como control, tecnología de manipulación genética y electrofisiología. El principio principal es que los genes fotosensibles (como chr2, ebr, nahr3.0, arco o optoxr, entre otros) se transfieren primero a tipos específicos de células del sistema nervioso para la expresión de Canales iónicos especiales o gpcr. Los canales de iones fotosensibles son selectivos para el paso de iones positivos o negativos bajo la estimulación de la luz de diferentes longitudes de onda, lo que resulta en cambios en los potenciales de membrana a ambos lados de la membrana celular para lograr el propósito de excitar o inhibir selectivamente la célula.

La tecnología fotogenética tiene dos características principales de * alta resolución espacio - temporal y especificidad del tipo celular, superando muchas deficiencias de los medios tradicionales para controlar la actividad celular o orgánica, y puede realizar operaciones de estimulación de localización no invasiva de neuronas * cambiando el Estado de la investigación en el campo de la neurociencia y proporcionando medios revolucionarios de investigación para la neurociencia. LuzHerenciaLa tecnología también puede desarrollar una serie de nuevos tratamientos para enfermedades del sistema nervioso central en el futuro.

LuzHerenciaLa aplicación de la tecnología científica se ha desarrollado rápidamente después de 2010, y el campo de investigación aplicada abarca varias especies animales experimentales clásicas (mosca de la fruta, nematodos, ratones, ratas, monos Peludos y monos cangrejos, etc.) e involucra múltiples aspectos de la investigación en neurociencia, incluidos los circuitos neuronales.Investigación básica, estudios de aprendizaje y memoria, estudios de adicción, trastornos del movimiento, trastornos del sueño, modelos de enfermedad de parkinson,DepresiónY modelos animales de ansiedad.

En el proceso de aplicación de la tecnología de fotogenética, los científicos primero deben buscar proteínas fotosensibles adecuadas; En segundo lugar, se realiza la transmisión de información genética correspondiente, es decir, a través de la transfección, la transmisión del virus,Animales transgénicosMétodos como el establecimiento de líneas que incorporan proteínas fotosensiblesHerenciaLa información se transmite a la célula objetivo; Posteriormente, los científicos utilizaron demostraciones de controlabilidad para lograr demostraciones de la actividad celular controlando la especificidad de la luz de demostración desde el tiempo y el espacio; Después se leen los resultados del estudio, un proceso en el que los investigadores pueden utilizar electrodos para medir los cambios en el efecto fluorescente de las proteínas fotosensibles detectando el voltaje dentro y fuera de la membrana celular y biosensores fluorescentes para detectar los valores de lectura de diferentes células, y luego evaluar el efecto de la regulación de la actividad celular en todo el animal a través de pruebas conductuales.

Sobre esta base, para la luzHerenciaLos recientes avances en el aprendizaje de la tecnología, XiaoBian hizo un inventario para proporcionar a los lectores.

¡1. cell: ¡ avances significativos! Ampliar el kit de herramientas de fotogenética haciendo que la fotoporfirina se vuelque
doi:10.1016/j.cell.2018.09.026

En un nuevo estudio, investigadores de instituciones de investigación como el Instituto Médico Howard Hughes de Estados Unidos han descubierto un nuevo método para transformar una clase de proteínas fotosensibles llamadas rhodopsina. Al voltear este tipo de proteínas en la membrana celular, son capaces de producir herramientas con diferentes propiedades. Los resultados de la investigación fueron publicados en línea en la revista Cell el 18 de octubre de 2018, con el título de "exportar el kit de herramientas optogenéticas por la inversión topológica de rhodopsins". Los autores de la comunicación de la tesis son Joshua dudman y alla Karpova del Instituto Médico Howard hughes. Esta tecnología permiteHerenciaLa cantidad de proteínas en la tecnología Optogenética - una tecnología que utiliza la luz para manipular la actividad neuronal - se duplica. Estas proteínas de la retinopatía híbrida recién desarrolladas permiten a estos investigadores llevar a cabo nuevos experimentos que ayudan a analizar los circuitos cerebrales y a estudiar la neurociencia detrás del tratamiento de la enfermedad de parkinson.

Inspirados en la evolución, bajo el liderazgo de Jennifer brown, reza behnam, Luke Coddington y Gowan tervo, estos investigadores desarrollaron una técnica complementaria para transformar la nueva retinopatía. Además de las mutaciones, la presencia de recombinación - a través de la reorganización genética - que agrupa dominios de proteínas con diferentes funciones - también hace que la diversidad de proteínas aparezca en la naturaleza. Los científicos creen que la recombinación es crucial para la aparición de una pequeña parte de las proteínas - a través de la evolución, su orientación en la membrana celular cambia -.

Cuando estos investigadores simularon La recombinación agregando una nueva proteína a un extremo de una retinopatía, se dio la vuelta. Esto fue realmente inesperado. Si cada uno de los retinoides modificados o recién descubiertos existentes obtiene una nueva función al voltear, esto puede conducir aHerenciaDuplicar las herramientas proteicas en el aprendizaje de la tecnología. No solo fueron capaces de cambiar la orientación de las proteínas en las membranas celulares, sino que también fueron capaces de descubrir que estas nuevas retinoides modificadas tienen nuevas funciones * y útiles. Una de ellas, llamada flinchr (inversión de longitud completa de chr, inversión de longitud total de chr), actúa al principio como una Neurona activa. Cuando se produce una voltereta, se convierte en un inhibidor potente y rápido que puede usarse para realizar nuevos experimentos.

¡2. ¡ gran avance en la fotogenética de la ciencia! ¡¡ la conversión ascendente de nanopartículas ayuda a la estimulación profunda del cerebro! ¡¡ o subvertirá el tratamiento de las enfermedades neurológicas!
doi:10.1126/ciencia.aaq1144; doi:10.1126/ciencia.aar7379

Thomas mchugh, Jefe de investigación del Instituto de Ciencias del cerebro del Instituto de física y química de Japón (riken), y sus colegas ahora han encontrado nuevas formas de introducir la luz no invasiva en las profundidades del cerebro. En su artículo publicado ayer en science, usan upconversionNanoLas partículas (ucnps) introdujeron el láser en las profundidades del cráneo. EsteNanoLas partículas pueden estar en la luz tradicionalHerenciaLa profundidad a la que el aprendizaje no puede llegar absorbe la luz infrarroja cercana y la convierte en luz visible. Este método se utiliza para activar neuronas en diferentes regiones del cerebro, silenciar la epilepsia y activar células de memoria. "Las nanopartículas pueden prolongar efectivamente la profundidad a la que nuestra fibra óptica puede llegar, lo que permite la entrega remota de luz para lograr un tratamiento no invasivo", dijo mchugh.

Además de activar las neuronas, los ucnps también se pueden usar para inhibir la condición de los ratones epilépticos. Los investigadores inyectaron nanopartículas en el hipocampo del ratón que podían emitir luz verde, y luego irradiaron la superficie del cráneo con luz infrarroja cercana. Como resultado, las neuronas epilépticas de estos ratones fueron efectivamente silenciadas. En otra región llamada núcleo Septal medial, la luz emitida por las nanopartículas promueve la sincronización del ciclo Theta de las neuronas, una importante onda cerebral. En ratones con recuerdos de miedo, los investigadores utilizaron ucnps luminosos para despertar con éxito recuerdos de miedo en ratones en el hipocampo. Estos efectos de activación, inhibición y estimulación de la memoria neuronal solo se observaron en ratones inyectados con nanopartículas.

¡3. science: ¡ impulsar el desarrollo de la genética óptica! Se analiza la estructura tridimensional de la proteína del canal de la sustancia roja púrpura 2.
doi:10.1126/ciencia.aan8862; doi:10.1126/ciencia.aar2299

La proteína del canal púrpura 2 (channel rhodopsin 2, chr2) es una proteína de membrana ampliamente utilizada en técnicas fotogenéticas. LuzHerenciaLa tecnología es una tecnología relativamente nueva que implica el uso de la luz para manipular neuronas y células musculares en organismos vivos. Métodos similares se han utilizado para revertir parcialmente la pérdida auditiva / visual y controlar la contracción muscular.

Para desvelar la estructura de chr2, investigadores de alemania, francia, Rusia y la República Checa utilizaron una técnica de análisis llamada difracción de rayos X. Esta técnica solo se utiliza para analizar muestras de proteínas presentes en forma cristalina. Cultivan cristales de proteína chr2 en una llamada fase intermedia lipídica cúbica (fase intermedia lipídica cúbica) que permite que la proteína se mueva libremente sin salir de la membrana. Utilizaron rayos X de una longitud de onda de aproximadamente 1 Angstrom para irradiar el cristal proteico chr2 que cultivaron y lograron analizar la estructura de la proteína chr2 analizando la difracción de los rayos X en este cristal proteico. Los resultados de la investigación fueron publicados en la revista Science el 24 de noviembre de 2017, bajo el título "structural Insights into Ion Production by Channel rhodopsin 2".

4. hippocampus: terapia "fotogenética" o capaz de recuperar la memoria de algunos pacientes con Alzheimer
Doi: 10.1002 / hipo.22756

Recientemente, investigadores de la Universidad de Columbia publicaron un artículo en la revista Hippocampus diciendo que a través de la luzHerenciaLos medios de aprendizaje pueden restaurar la memoria de los ratones con alzheimer. Este descubrimiento puede cambiar nuestra comprensión de la enfermedad.

En primer lugar, los autores realizaron modificaciones fotogenéticas en ratones para que emitieran la fluorescencia del color de la luz mientras almacenaban la memoria y la fluorescencia roja cuando la recuperaban. Después de eso, el autor lo aceptó.HerenciaLos ratones de tipo salvaje modificados se asociaron con ratones con enfermedad de Alzheimer con un olor a limón, después de lo cual se aplicó una estimulación eléctrica, lo que asoció estos dos recuerdos. Una semana después, los autores volvieron a estimular el olor a limón de estos ratones. Los resultados mostraron que los ratones de tipo salvaje fueron capaces de presentar fluorescencia amarilla y roja al mismo tiempo, y aparecieron manifestaciones de miedo, lo que indica que también se produjo una recuperación de la memoria (recall) mientras formaba la memoria. Sin embargo, las áreas luminosas del cerebro de los ratones con Alzheimer son significativamente diferentes, lo que indica que sus cerebros están desordenados durante la recuperación de la memoria. Después, los investigadores utilizaron un rayo de luz azul para estimular el cerebro de los ratones, lo que permitió reactivar la memoria de los ratones sobre el olor al limón y la estimulación eléctrica, con lo que los ratones desarrollaron temblores cuando volvieron a oler el olor mencionado.

5. cell: la fotogenética hace que las ratas se conviertan en asesinos
doi:10.1016/j.cell.2016.12.027

Cada ratón esconde un asesino en su cuerpo. Los investigadores han localizado áreas del cerebro que controlan el comportamiento de la caza y han logrado encontrar una manera de controlar su interruptor. El doctor Ivan de araujo, de la Universidad de yale, y sus colegas han descubierto dos grupos de nervios en el cerebro que controlan el comportamiento de caza de ratones, uno coordina la persecución de presas y el otro controla los músculos del cuello y la mandíbula, ambos en la amígdala, una región del cuerpo involucrada en movimientos, sensaciones y miedos.

Al modificar estos nervios, pueden activarlos a través del láser, una técnica llamada hacer luz.HerenciaPor lo tanto, el equipo de investigación puede controlar los interruptores de estas vías en cualquier momento. Cuando el láser se apaga, los ratones caminan normalmente alrededor de la jaula, y una vez que el láser se abre, los ratones atacan frenéticamente cualquier cosa en su camino: grillos vivos, insectos falsos e incluso ramas o tapas de botellas. Se abalanzan sobre la presa, la agarran con sus garras y la pican repetidamente.

Después de eso, los investigadores intentaron inhibir la función de cada grupo de nervios por separado, y cuando inhibieron los nervios responsables de perseguir a la presa, los ratones persiguieron más lentamente, pero todavía mordieron; A su vez, si se inhiben los nervios responsables de la mordedura, el ratón persigue a la presa, pero no la mordedura.

6. oncotarget: uso de la fotogenética para controlar la aparición de tumores
doi:10.18632/oncotarget.8036

En un nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Tufts en Estados unidos, basados en modelos de ranas, confirmaron el uso de la luz para controlar las señales eléctricas entre las células, detener la formación de tumores y normalizarlos después de su formación. El estudio informa sobre el uso de la luzHerenciaManipular las señales bioeléctricas de manera específica para detener la formación de tumores inducidos por oncogenes y causar la inducción de oncogenes.TumorRetrocede. Los resultados de la investigación fueron publicados en línea en la revista oncotarget el 16 de marzo de 2016, y el artículo se titula "use of generical encoding, Light - gated in translocators to control tumorigenesis".

Las ranas son un buen organismo modelo para la investigación científica básica sobre el cáncer, porque los tumores de ranas y mamíferos tienen muchas de las mismas características, incluyendo divisiones celulares rápidas, destrucción de tejidos, aumento del crecimiento vascular, infiltración y células que contienen un voltaje positivo interno Anormal. Casi todas las células sanas mantienen un mayor voltaje negativo dentro de la célula en comparación con el exterior de la célula; Abrir y cerrar los canales iónicos en la membrana celular puede hacer que el voltaje se vuelva más positivo (despolarizando la célula) o más negativo (polarizando la célula). En condiciones normales en otros aspectos, aprovecharTumorLas características anormales de las señales bioeléctricas pueden detectarlas.

¿7. neuron: ¿ borrar la memoria? El futuro puede ser realmente posible.
doi:10.1016/j.neuron.2014.09.037

Recientemente, en un trabajo de investigación publicado en la revista neuron, investigadores del Centro de investigación en neurociencias de la Universidad de california, davis, utilizaron la luz para eliminar con éxito recuerdos especiales del cerebro de ratón, un estudio que podría proporcionar ciertas ideas para revelar cómo diferentes partes del cerebro trabajan juntas para restaurar la memoria situacional.

LuzHerenciaLa Optogenética es una nueva tecnología que utiliza la luz para estudiar las células nerviosas y que en los últimos años está siendo rápidamente adoptada por los científicos como método estándar para la investigación de la función cerebral. En el artículo, la investigadora kazumasa Tanaka aplicó la tecnología a investigaciones que realizan la recuperación de la memoria, entre otras cosas, y durante 40 años los científicos asumieron que la Memoria episódica restauradora (incluso eventos especiales que ocurren en lugares especiales, etc.) implica una actividad coordinada entre la corteza cerebral y el caballo del cerebro grande, una teoría para estudiar patrones de reactivación de la actividad cerebral que involucran la corteza cerebral y el hipocampo durante el proceso de recuperación de la memoria episódica, lo que hace que los individuos vuelvan a experimentar esos eventos y, si el hipocampo se daña, el paciente pierda décadas de memoria.

En el artículo, los investigadores usanHerenciaLos ratones modificados fueron estudiados y cuando las células nerviosas del ratón se activaron, pudieron emitir fluorescencia verde en su totalidad y expresar proteínas especiales para facilitar el cierre de las células nerviosas por la luz. los investigadores entrenaron a los ratones en jaulas, en las que los ratones experimentaron un shock eléctrico, y los ratones que normalmente estaban en un nuevo ambiente usaron el olfato para adaptarse al ambiente, pero cuando se colocaron en un nuevo ambiente después del shock eléctrico, se encontraron en una respuesta de miedo.

8. naturaleza: una nueva esperanza para las herramientas de fotogenética, se analiza la estructura del canal de iones de sodio impulsado por la luz kr2
doi:10.1038/nature14322

Científicos japoneses publican un artículo académico en la revista Nature diciendo que han analizado la estructura de la proteína de canal de iones de sodio kr2 impulsada por la luz, que es la nueva generación de luz en el futuro.HerenciaAprender herramientas crea posibilidades.

Muchos organismos pueden absorber la energía de la luz o percibir la información de la luz, confiando en una molécula de retinopatía. Esta molécula tiene una proteína de membrana cruzada alfa - espiral (optina) unida a una molécula de retinol a través de un enlace covalente. Según el tipo de optina, se puede dividir en optina animal y optina microbiana. Por su parte, la función de la fotoporina de los microorganismos es diferente a la de los animales, principalmente como canales iónicos, transportistas iónicos, moléculas fotosensibles o quinasas. La retinopatía de este microorganismo ha recibido cada vez más atención. Esto se debe a que la retinopatía del tipo de canal de iones y bomba de iones puede usarse para moverse en las células nerviosas de muchos organismos vivos y se ha convertido en una luz muy poderosa en el campo de la neurociencia.HerenciaAprender herramientas.

En general, se cree que los iones de hidrógeno con carga positiva de la base Schiff se localizarán en los canales iónicos de todas las bombas de iones ópticos y se cree que pueden evitar el paso de moléculas aniónicas y neutras. El análisis de la estructura de kr2 plantea un nuevo problema, es decir, cómo esta bomba de iones transfiere iones de sodio.

9. neuron: científicos de Chicago logran nuevos avances en la tecnología de la fotogenética
doi:10.1016/j.neuron.2015.02.033

Con los científicos en los últimos añosEpigenéticaCon la profundización de la investigación en el campo, la gente comenzó a querer controlar el Estado de las células in vivo, especialmente las células nerviosas, a través de la estimulación in vitro. Este campo tiene amplias perspectivas de aplicación, como el tratamiento de enfermedades genéticas como la maculopatía. Sobre esta base, la luzHerenciaSe han establecido disciplinas como el aprendizaje. Sin embargo, hasta ahora, para lograr este objetivo, los investigadores han tenido que modificar genéticamente las neuronas. Esto también ha obstaculizado en gran medida la popularización de esta tecnología.

Investigadores cercanos de la Universidad de Chicago y la Universidad de Illinois en Chicago han logrado avances en este campo. Los investigadores utilizaron el calor generado por la luz infrarroja lejana para controlar la actividad vital normal de las células nerviosas normales. A diferencia de la práctica anterior de expresar proteínas fotosensibles en células nerviosas normales, los científicos de Chicago optaron por usar nanopartículas de oro para localizar neuronas específicas. Para resolver el problema de la especificidad de las nanopartículas de oro, los investigadores conectaron una neurotoxina de escorpión ts1 a las nanopartículas de oro. El ts1 puede apuntar a identificar las células nerviosas identificando los canales de iones de sodio en la superficie de las células nerviosas. Esto también es que los humanos no están transformando las neuronas.HerenciaSobre la base de las características, se realiza el propósito de controlar la actividad de las neuronas por la luz. Sin embargo, el estudio todavía está en sus primeras etapas, y los investigadores también dijeron que ts1 puede ser tóxico para las células nerviosas. Este trabajo de investigación fue publicado en la revista neuron.

10. Nat métodos: los fotosensibilizadores controlan la Diana celular
doi:10.1038/nmeth.3735

Investigadores de la Universidad Carnegie Mellon en Estados Unidos dan luz aHerenciaLos fotosensibilizadores en la ciencia rediseñan y desarrollan una sonda fluorescente para controlar las células, una técnica que puede ayudar a comprender el papel de células y proteínas específicas en la aparición de enfermedades, y también ofrece esperanza para el desarrollo posterior de terapias dirigidas contra el cáncer u otras enfermedades.

La fotogenética es el uso de la luz para controlar los procesos biológicos del organismo, y los investigadores suelen lograr el proceso de las células controladas por la luz reprogramando los componentes activados por la luz en el código genético del organismo, que cuando estos componentes están expuestos a la luz promueve que algunos tejidos del Organismo desempeñen funciones * diferentes. Los investigadores tardaron casi 10 años en desarrollar sondas fluorescentes llamadas proteínas activadas por grupos fluorescentes (faps), que a menudo se utilizan para monitorear la actividad de proteínas en tiempo real en células vivas, una proteína activada por grupos fluorescentes que generalmente se realiza en las células.HerenciaExpresa sexualmente que cuando entra en contacto con un tinte fluorescente con el mismo nombre que un fluorescente, el complejo brilla, lo que permite a los científicos observarlo y rastrearlo.

Para encender la luz, dice el investigador bruczHerenciaEtiqueta de la ciencia, en el artículo realizamos operaciones de ingeniería con tintes fluorescentes para que no solo emitan luz, sino que también produzcan oxígeno unilineal (oxgen), una forma tóxica de oxígeno, que cuando se une a la proteína activada por el fluorescente y se expone a la luz, la proteína activada por el fluorescente dirigido y el método de activación de fotosensibilizadores (fap - taps) permiten a los científicos ver claramente las proteínas marcadas, al tiempo que inhibe selectivamente la actividad de estas proteínas. (valle biológico)