فاز العلماء الذين توصلوا إلى كيفية التحكم في خلايا الدماغ بالضوء، بجائزة نوبل لهذا العام في الفسيولوجيا أو الطب. تم تكريم كارل ديسيروث، وبيتر هيجمان، وجورج ناجل لأبحاثهم في “القنوات الأيونية ذات البوابات الضوئية وعلم البصريات الوراثي”.
أراد بيتر هيجمان، من جامعة هومبولت في برلين، وجورج ناجل، من جامعة فورتسبورغ، أن يفهموا كيف تسمى الطحالب الصغيرة وحيدة الخلية الكلاميدوموناس يستشعر الضوء. لا يقتصر استشعار الضوء على الحيوانات ذات العيون: فالكائنات الحية في جميع أنحاء العالم الحي تستخدم الضوء لاكتشاف محيطها والاستجابة للتغيرات في بيئتها. حتى الكائنات وحيدة الخلية لديها بروتينات تستجيب للضوء. تُستخدم هذه البروتينات للتحرك نحو الضوء أو بعيدًا عنه، ولتوليد الطاقة، وللاستجابة لمختلف متطلبات يوم 24 ساعة.
هيجمان وناجل اكتشف الذي – التي الكلاميدوموناس يمتلك آلية بارعة وجميلة للكشف عن الضوء والتي تعتمد على بروتين واحد يسمى تشانيل رودوبسين.
تم بناء Channelrhodopsin في الغشاء الخارجي لخلية الطحالب. جزء من البروتين يواجه الماء خارج الخلية، وجزء يواجه الداخل. ويحتوي البروتين أيضًا على جزيء صغير يسمى الريتينالدهيد، وهو قادر على امتصاص الضوء.
عندما يضرب الضوء الريتينالدهيد الموجود داخل قناة رودوبسين، فإنه يتغير شكله. وهذا يجعل بروتين Channelrhodopsin يتغير شكله أيضًا. يفتح هذا التغيير ممرًا صغيرًا عبر غشاء الخلية. ويمكن للجسيمات المشحونة إيجابيًا، بما في ذلك الصوديوم، أن تتدفق بعد ذلك من الماء خارج الطحالب إلى داخل الخلية. وترسل حركة الجسيمات المشحونة هذه إشارة داخل الطحالب تساعدها على السباحة.
تشغيل الخلايا العصبية المختارة
كم هو رائع أن نتمكن من حل مثل هذا السؤال البيولوجي المثير للاهتمام، ولكن لماذا جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب؟ الجواب يكمن في الطريقة التي تعمل بها الخلايا العصبية. تستخدم الخلايا العصبية حركة الجسيمات المشحونة (التي تسمى “الأيونات”) عبر أغشيتها للتحكم في نشاطها. عندما تتدفق الجزيئات المشحونة إيجابيا إلى الخلية العصبية، فإنها يمكن أن تجعلها أكثر نشاطا. أدرك الباحثون أنهم إذا تمكنوا من وضع تشانيل رودوبسين في الخلايا العصبية، فقد يكونون قادرين على تشغيل تلك الخلايا ببساطة عن طريق تسليط الضوء عليها. وهذا هو بالضبط ما فعله هيجمان وناجل، والفائز الثالث بجائزة نوبل، كارل ديسيروث، الطبيب النفسي والمهندس الحيوي في جامعة ستانفورد في كاليفورنيا. تسمى القدرة على التحكم في الخلايا العصبية بالضوء علم البصريات الوراثي. لقد أصبحت أداة بحث قوية لأن العلماء يمكنهم استخدامها لتشغيل وإيقاف مجموعات معينة من الخلايا العصبية ومعرفة ما يحدث.
أولاً، يقوم العلماء بتوصيل الجين الخاص بالقناة رودوبسين إلى الخلايا العصبية التي يريدون دراستها. وعادة ما يتم نقل الجين إلى الخلايا عن طريق فيروس تم تعديله بحيث لا يسبب المرض. ثم تقوم الخلايا بتصنيع بروتين تشانيل رودوبسين، مما يجعلها تستجيب للضوء. وفي حيوانات مثل الفئران، يستطيع العلماء تسليط الضوء على الدماغ من خلال ألياف بصرية رفيعة. عندما يصل الضوء إلى الخلايا، ينفتح قناة رودوبسين، وتصبح الخلايا نشطة. ولا تتأثر الخلايا العصبية القريبة التي لا تحتوي على البروتين. يمكن توجيه الضوء إلى جزء صغير جدًا من الدماغ وتشغيله وإيقافه بسرعة كبيرة. وهذا يجعل علم البصريات الوراثي وسيلة قوية لدراسة كيفية عمل الدماغ. على سبيل المثال، إذا أراد العلماء معرفة ما إذا كانت مجموعة معينة من الخلايا العصبية تشارك في الذاكرة أو النوم أو الإحساس أو الحركة، على سبيل المثال، فيمكنهم تشغيل هذه الخلايا بالضوء ورؤية ما يحدث.
الضوء يعيد تنشيط ذاكرة الخوف لدى الفئران
في تجربة واحدة في عام 2012، قام فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بإعطاء الفئران صدمة كهربائية خفيفة في قفص معين. استخدموا علم البصريات الوراثي لوضع علامات على الخلايا العصبية في مركز ذاكرة الدماغ التي كانت نشطة أثناء تجربة تكييف الخوف. وبعد أيام، وفي قفص مختلف، قاموا بتشغيل تلك الزنزانات بالضوء. تجمدت الفئران من الخوف، وكأنها تتذكر الصدمة.
الفئران التي لم تتعرض للصدمة لم تتجمد، مما أظهر أن الضوء كان يعيد تنشيط ذاكرة معينة. كان ديسيروث أحد مؤلفي الدراسة.
تسعى التجارب المبكرة إلى استعادة الرؤية
لقد أحدث علم الوراثة الضوئية تحولًا في قدرة العلماء على دراسة كيفية عمل الدماغ والجهاز العصبي. وقد يكون له أيضًا مستقبل كعلاج. علم البصريات الوراثي موجود بالفعل التجارب السريرية في مرحلة مبكرة للأشخاص الذين يعانون من تنكس الشبكية. في هذه التجارب، يقوم الباحثون بإدخال بروتينات حساسة للضوء في الخلايا العصبية التي تبقى في شبكية العين بعد فقدان الخلايا التي تكتشف الضوء عادة، والتي تسمى العصي والمخاريط. وهذا يمكن أن يجعل الخلايا الباقية تستجيب للضوء وتستعيد بعض الرؤية.
ويحقق الباحثون أيضًا فيما إذا كان من الممكن استخدام علم البصريات الوراثي في النهاية لعلاج الحالات العصبية، بما في ذلك مرض باركنسون و الصرع.
هذا العام جائزة نوبل يحتفل بالعمل الذي بدأ بسؤال قد يبدو مقصورًا على فئة معينة: كيف الكلاميدوموناس السباحة نحو الضوء؟ هذا السؤال ليس له أهمية عملية واضحة. فهو لا يلبي حاجة ملحة في مجال صحة الإنسان، كما أنه ليس طريقًا واضحًا لتحقيق الثروات. إن نجاح علم البصريات الوراثي هو مثال على أهمية الاستمرار في طرح الأسئلة لمجرد فهم العالم من حولنا لأنه من المستحيل التنبؤ إلى أين ستأخذنا المعرفة.
مقتبس من مقالة نشرت أصلا في المحادثة.
لا تفوت أي اختراق:
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.
