Okuma süresi: 5 dk

Son yıllarda hızla gelişmekte olan yeni bir alan optogenetik. Optik (ışık bilimi) ve genetik çalışmalarının kesişiminde yer alan optogenetik, genetik müdahale sayesinde ışığa duyarlı hale getirilen hücrelerin ışık kullanılarak davranışlarına müdahale edilmesini kapsıyor. Yeşil floresan protein (“green fluorescent protein”) gibi işaretleyici moleküllerin gözlenmek istenen proteinlerin görüntülenmesi amacıyla biyolojide kullanımı çok daha eskiye dayansa da, optogenetik yöntemlerin geliştirilmesi yepyeni araştırma alanlarının açılmasını sağladı. Gelecekte, bu heyecan verici yöntemler sayesinde, çeşitli hastalıkların tedavisinden robotiğe uzanan uygulamaların hayata geçmesi ve henüz tahmin edemediğimiz yenilikçi uygulama alanlarının açılması muhtemel.

Optogenetik yöntemler ile temel olarak, ışığa duyarlı reseptörleri (almaçları) olmayan nöronlara (sinir hücreleri) kanalrodopsin, halorodopsin veya arkearodopsin genlerinin aktarılması ve bu genlerin hücre içinde ifade edilmesi (“expression”) sağlanmaktadır [1]. Bu genler ışığa karşı yüksek duyarlılık gösteren rodopsin protein ailesi genleri, hem prokaryotlarda hem ökaryotlarda bulunmaktadir. Gerekli genetik müdahaleler yapıldıktan sonra rodopsin yapılı proteinleri üretebilen sinir hücreleri, birtakım özel yöntemler kullanılarak belli dalgaboyu ve enerji düzeyindeki ışık ile uyarılabilir hale gelmektedir. Böylece, çok farklı hücre türlerinin ışıkla uyarılarak yeni birtakım işlevler göstermesi mümkün olmaktadır. ( Aşağıdaki illüstrasyon, optogenetik yöntemler sayesinde yeni bir biyolojik işlev kazanan farenin beyin işlevindeki değişimi ifade etmektedir.)

Araştırmacıların geliştirmeye devam ettikleri optogenetik yöntemler ile, sinir hücrelerinin temel biyolojik süreçlerinin gözlenmesi ve bunlara dair bilgimizin artması sağlanırken, çeşitli hastalık veya hasar durumlarına karşı çözümler de üretilebiliyor. Bunların en çarpıcı örneklerinden biri, Doroudchi ve arkadaşları tarafından gerçekleştirilen, görme yetisi olmayan farelerin görebilmelerinin sağlandığı 2011 yılındaki çalışmaları [2]. Molecular Therapy adlı dergide yayınlanan ve şimdiden klasikleşen bu çalışmada, ışığa duyarlı hücrelerini kaybetmiş farelere kanalrodopsin geni aktarımı yapılıyor. Aslında ışığa duyarlı olmayan başka hücrelerin fotoreseptörler (ışık almaçları) üretir hale gelmeleri sayesinde, farelerin görme yetilerine kavuşturulabileceği gösteriliyor. Sağlıklı fareler ile karşılaştırmalı olarak izlenen bu fareler, sekiz hafta içinde görme yetilerini geri kazanıyorlar ve elde edilen etki on ay boyunca sürüyor.

Yapılan en son çalışmalardan biri ise optogenetik yöntemler ile farelerde stres kaynaklı gelişen davranış değişikliklerini düzenlemeyi amaçlıyor. Beyinde stres yanıtlarının oluşturulduğu bir bölge olan talamusta kortikotropin salgılatıcı hormon üreten bir grup hücrenin güvenli sosyal ortamda bulunan farelerde aktif olduğu görülüyor. Bu hücreler stres içeren durumlarda ise saldırganlığın artışı ve alkol tüketiminin artışı yanıtlarını oluşturuyor. Newman ve arkadaşlarının Biological Psychiatry dergisinde bu yıl yayınlanan çalışmasında, dişi fareler üzerinde sosyal stres uygulamasının ardından talamustaki bu hücrelerin optogenetik uyarımı ile stres yanıtı oluşturmalarının önüne geçilerek artan alkol tüketiminin ve saldırgan tavırların azaltılması sağlanıyor [3].

Bu çalışmalar, optogenetik alanında heyecan uyandıran pek çok çalışmadan yalnızca iki tanesi. Optogenetik yöntemler; duygudurum ve davranış çalışmalarından [4], ilaç etkinliği çalışmalarına [5], kardiyovasküler alanda aritmi bozukluklarının tedavisinden [6], robotik yöntemler ile uzaktan hareket kontrolüne [7] kadar pek çok alanda şimdiden büyük ilerlemeler vaad ediyor. Kim bilir, belki yakın gelecekte görme engeli ve daha pek çok sağlık sorunu optogenetik sayesinde tarihe karışır!

Yazar: Melis Olçum
Editörler: H. Enis Karahan, Güney Akbalık, Pınar Önal
Görsel: Melis Olçum

 

Kaynaklar
[1] M. Z. Lin and M. J. Schnitzer, “Genetically encoded indicators of neuronal activity, [Nöral aktivitenin genetik kodlanmış göstergeleri]” Nat. Neurosci., vol. 19, no. 9, pp. 1142–1153, 2016, doi: 10.1038/nn.4359.
[2] M. M. Doroudchi et al., “Virally delivered Channelrhodopsin-2 Safely and Effectively Restores Visual Function in Multiple Mouse Models of Blindness [Fare modelinde viral olarak transfer edilen kanalrodopsin-2 birden fazla körlük modelinde görme kaybını geri döndürüyor],” Mol. Ther., vol. 19, no. 7, pp. 1220–1229, 2011, doi: 10.1038/mt.2011.69.
[3] E. L. Newman, H. E. Covington, M. Z. Leonard, K. Burk, and K. A. Miczek, “Hypoactive Thalamic Crh+ Cells in a Female Mouse Model of Alcohol Drinking After Social Trauma [Sosyal travma sonrası alkol içme problemi dişi fare modelinde hipoaktif talamik Crh+ hücreleri],” Biol. Psychiatry, vol. 90, no. 8, pp. 563–574, 2021, doi: 10.1016/j.biopsych.2021.05.022.
[4] S. Borgomaneri, S. Battaglia, G. Sciamanna, F. Tortora, and D. Laricchiuta, “Memories are not written in stone: Re-writing fear memories by means of non-invasive brain stimulation and optogenetic manipulations [Anılar taşa yazılmaz: Invaziv olmayan beyin uyarımı ve optogenetik manipülasyonlar ile korku anılarının yeniden yazılması],” Neurosci. Biobehav. Rev., vol. 127, pp. 334–352, 2021, doi: 10.1016/j.neubiorev.2021.04.036.
[5] W. Li, J. Lin, T. Wang, and P. Huang, “Photo-triggered Drug Delivery Systems for Neuron-related Applications [Nöronal uygulamalarda ışıkla tetiklenen ilaç dağıtım sistemleri],” Curr. Med. Chem., vol. 26, no. 8, pp. 1406–1422, 2019, doi: 10.2174/0929867325666180622121801.
[6] C. Crocini et al., “Optogenetics design of mechanistically-based stimulation patterns for cardiac defibrillation [Kardiyak defibrilasyon için mekanik tabanlı stimülasyon modellerinin optogenetik tasarımı],” Sci. Rep., vol. 6, no. 1, p. 35628, 2016, doi: 10.1038/srep35628.
[7] S. Chen et al., “Optogenetics Based Rat–Robot Control: Optical Stimulation Encodes ‘Stop’ and ‘Escape’ Commands [Optogenetik tabanlı fare-robot kontrolü: optik uyarım “dur” ve “kaç” komutlarını kodlar],” Ann. Biomed. Eng., vol. 43, no. 8, pp. 1851–1864, 2015, doi: 10.1007/s10439-014-1235-x.