Optogenetik canlı hücre ve organizmalarda moleküler olayları seçici bir şekilde düzenlemek için ışığı kullanan bir yöntemdir. Genetik olarak kodlanmış proteinlerin ışık varlığında şeklinin değişmesi ile hücre davranışına etki edilir. Örneğin uyarılabilir hücrelerin membran gerilimi bu yöntemle değiştirilebilir. Optogenetik özellikle nöronları kontrol etmek için kullanılır. Genetik olarak modifiye edilmiş hücrelerde ışığa duyarlı iyon kanalları oluşturularak yaşayan dokuda tek tek nöronları kontrol etmek mümkün olmaktadır. Optogenetik yöntemleri nöronal aktivitenin optik izlenmesi ve nöron dışı hücrelerin biyokimyasını düzenlemek için de kullanılabilir. Ancak terim genellikle genetik olarak işaretlenmiş nöronların optik kontrolünü ifade eder. Optogenetik 2010 yılında Nature Methods dergisi tarafından yılın tekniği seçilmiştir.
Tarihçe
Nöron aktivitesinin seçici kontrolü için ışığın kullanılması fikri DNA’nın kaşiflerinden Francis Crick tarafından 1999’da ortaya atılmıştır.Genetik olarak hedeflenmiş rodopsine duyarlı nöronların ışık yardımıyla kontrolü ilk olarak 2002 yılında bildirilmiştir. Boris Zemelman ve Gero Miesenböck tarafından yapılan çalışmada meyve sineği rodopsini memeli nöron kültürüne aktarılmıştır. 2004’ten itibaren araştırmacılar organik foto-anahtarlar (tersine dönebilir bileşikler) geliştirmiştir. Peter Hegemann ve Georg Nagel yeşil algdeki ışığa duyarlı genleri kurbağa yumurtasına nakletmiştir. Çalışmaları sonucu ilk genel uygulanabilir optogenetik aracını bulmuşlardır. 2005’te Susana Lima ve Miesenböck genetik olarak hedeflenmiş P2X2 fotostimülasyonu ile hayvan davranışını kontrol edebilmiştir. 2005’teki başka bir çalışmada kültüre hippokampal nöronlar ve gelişmekte olan sağlam tavuk embriyolarındaki omurilik devreleri kanalrodopsin-2 ile kontrol edilebilmiştir. Optogenetikle bilişsel performansı arttırmak mümkün olabilir. Bir deneyde maymunların frontal loblarında belirli bir alan aktive edilerek nesne takip etme performansları geliştirilebilmiştir.
Optogenetiğin Avantajları
Optogenetik milisaniye kesinliğinde nörona müdahale imkanı verir. Geleneksel genetik manipülasyonların hücreye etki etmesi ise saatler veya günler sürer. Hızlı biyolojik bilgi işlemeye yetişebilmek için milisaniye ölçeğinde kesinlik şarttır. Böylece belirlenmiş nöronlarda spesifik aksiyon potansiyellerinin neden-sonuç ilişkisi incelenebilir. Bu araştırmalar nöral kodu çözmek için gereklidir. Hızlı ışıkla aktive olan kanallar, pompalar ve enzimler optogenetiğin başlıca araçlarıdır. Işığı canlı hayvanların beyin hücrelerine ulaştırmak için fiberoptikle eşlenmiş diod teknolojisi kullanılır. Yüzeysel kısımlara ulaşmak için kafatasına optik fiber veya LED’ler yerleştirilir. Daha derin beyin alanları için implante optik fiber kullanılır.
Klinik Kullanımı
Optpgenetik spesifik hücre tiplerinin canlıdaki belirli fonksiyonlara nasıl katkıda bulunduğunu araştırmada kullanılır. Parkinson hastalığı, otizm, şizofreni, ilaç bağımlılığı, anksiyete, depresyon gibi hastalık ve sorunların mekanizmasının anlaşılmasında yarar sağlayabilir. Optogenetikte kullanılan tekniklerle belki de epilepsi nöbeti bir ışık huzmesi ile anında durdurulabilir, Parkinson hastalığında uykudaki hücreler uyarılarak hareketlerde düzelme sağlanabilir. Henüz insanlarda güvenli kullanımı olmasa da gelecekte tedavide güçlü bir araç haline gelebilir.
Referans
- Guru A, Post RJ, Ho YY, Warden MR. Making Sense of Optogenetics. Int J Neuropsychopharmacol. 2015;18(11):pyv079. Published 2015 Jul 25.
