אופטוגנטיקה הוא התחום החם היום בנוירוביולוגיה ונוירופיזיולוגיה. אין ספק שהרעיון והביצוע מבריקים, וסביר להניח שבעתיד הלא רחוק נראה את ממציאי השיטה מעונבים בפפיון ומשתחווים למלך שוודי כזה או אחר.
מנגנון ההולכה העיצבית נחקר לעייפה לאורך השנים על ידי אנשים מבריקים ורובו ככולו ידוע. לתאי עצב (נוירונים) כמה עשרות עד מאות שלוחות תאיות הקרויות דנדריטים שבהם הם קולטים אותות מנוירונים אחרים, ושלוחה מרכזית אחת הנקראת אקסון שדרכה מועברים אותות לתאים שכנים (איור 1). האותות מועברים על ידי הולכה חשמלית, כשנוירון מעורר עובר סף פוטנציאל פעולה, וגורם להכנסה של יוני נתרן אל תוך התא. פעולה זו יוצרת פוטנציאל חשמלי לאורך ממברנת התא שעובר לאורך האקסון במהירות עד לסינפסה, או נקודת מפגש עם תא שכן. בקצה האקסון הפוטנציאל גורם לפתיחת תעלות סידן שגורמות לשחרור בועיות שמכילות נוירוטרנסמיטור כזה או אחר. הנוירוטרנסמיטור נקשר לקולטנים שנמצאים על התא השכן ובכך נותנות אות לעירור או אינהיביציה של אותו תא שכן. מכיוון שכל תא יכול לקלוט אותות מעל ל - 1000 תאים שונים, התוצאה הסופית של עירור או אי-עירור תלוי בסכם של האותות המתקבלים מכלל הנוירונים שבאים במגע עם אותו תא.
איור 1: תא עצב. התמונה באדיבות ויקיפדיה
המנגנונים הנ"ל קלים יחסית לחקור במודלים פשוטים של חלזונות תולעים, ודיונונים, אך בבעלי חיים בעלי מערכת עצבים מרכזית העסק מורכב בהרבה. המח של בני אדם בנוי מכ- 100 מיליארד נוירונים, כשכל אחד מחובר בסבך בלתי אפשרי לכמה מאות עד עשרות אלפי נוירונים אחרים. ישנו מגוון רחב של נוירונרטסמיטרים שיכולים לפעול בין הסינפטות, והשפעתם על סוגים שונים של נוירונים יכולה להיות הפוכה. הכלים המדעיים שקיימים לחקר המח כוללים חומרים כימיים (כמו תרופות), שימוש במניפולציות גנטיות, ושימוש באלקטרודות, שהשפעתם רחוקה מלהיות ספציפית. חומרים כימיים ומניפולציות גנטיות של אנזימים או רצפטורים משפיעים על כל המח, ואילו אלקטרודות מעוררות את כל הנוירונים שסמוכים אליהם ללא אבחנה בין סוגי נוירונים. מגבלות אלו היוו בעיה מהותית עבור נוירוביולוגיים לאורך השנים. איך תחקור איבר כל כך מורכב, עם מספר עצום של חיבורים, בעזרת כלי מחקר שניתן להמשילם לפטיש ואזמל?
החלום של כל נוירוביולוג היה האפשרות לעורר או להשתיק נוירון בודד ולבדוק את מסלול ההולכה העצבית וההשפעה על האורגניזם. הרעיון לאופטוגנטיקה ממחיש את החשיבות של התעניינות בתחומים שונים במדע לקבלת רעיונות יצירתיים. בתחילת שנות התשעים חוקרים גרמניים הראו שהאצה החד-תאית קלמידומונס (Chlamydomonas) מתחילה לזוז בתגובה להארת אור כחול, מנגנון שמאפשר לה לנוע לאזור האור ולבצע פוטוסינתזה. לאורך השנים הראו שפעולה זו נובעת מחלבון ממשפחת האופסינים, צ'נלרודופסין (Channelrhodopsin), שמורכב מחלבון ופיגמנט. קליטה של פוטון באורך גל מסוים משנה את קונופומציית הפיגמנט, שמשפיעה על מבנה החלבון שאליו הוא קשור. החלבון משמש כתעלת יונים בממברנה ושינוי המבנה גורם לפתיחת התעלה ומעבר של יוני נתרן אל תוך התא. החוקרים לקחו את הגן של צ'נלרודופסין והחדירו אותו לתאים תחת פרומוטור (איזור בקרה) המתבטא רק בנוירונים מסויימים. כשחשפו את המערכת העצבית לאור כחול, אותם נוירונים בהם התבטא הגן עוררו בשל פתיחת תעלות הנתרן. כך, בעזרת סיבים אופטיים ומניפוצליות גנטיות ניתן לערר נוירונים בודדים באזורים ספיציפיים שרוצים לחקור. התחום המשיך להתפתח בעזרת תעלות מעכבות שמגיבות לאור צהוב (halorhodopsin), שבעזרתם ניתן להשתיק את פעולת הנוירון, ובעזרת חלבונים כימריים, בהם האור שולט ביצירת מולקולות מתווכות (cAMP, cGMP, IP3) ועל ידי כך מאפשר שינוי בריכוזם בתאים ספיציפיים. כל זאת נעשה ברזולציות זמן של מילישניות, כך שהפעילות המתקבלת קרובה בהרבה לפעילות הטבעית של הנוירונים הנחקרים.
איור 2: אופטוגנטיקה: הגן לתעלת יונים רגישה לאור מהאצה החד תאית מוחדר לתאי עצב ומאפשר עירור סלקטיבי על ידי הארה. תמונות מויקיפדיה.
מאת: אוני צברי
המחלקה לכימיה ביולוגית
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
