Променящата формата ДНК помага на изследователите да декодират човешкия мозък

„Мисля, че голямото нещо, което винаги подчертаваме, е, че наистина разбираме много малко за мозъка“, казва Нако Накацуко.

Свързване и сложност на мозъка, неговия легион от неврони и различните невротрансмитери, които се движат между тях, каскадно преминавайки през малки пролуки, наречени синапси – „Доста е страшно, когато се замислите за това“, казва Накацуко, колко малко знаем.

Но капакът на тази черна кутия най-накрая се отваря; Наскоро изследователите започнаха да разработват инструменти, за да се опитат да отговорят на тези големи въпроси за това какво се крие зад очите ни.

Накацуко е в челните редици на разработването на тези инструменти.

Старши изследовател в Лабораторията по биосензори и биоелектроника в престижния ETH Цюрих в Швейцария, Накацуко разработва невероятно малки наносензори, конструирани от ДНК, за откриване на невротрансмитерна активност в почти синаптичен мащаб.

„Мисля, че голямото нещо, което винаги подчертаваме, е, че наистина разбираме много малко за мозъка.“

Нако Накацуко

Нейните наносензори, предназначени да ни помогнат да разберем невродегенеративните заболявания, привлякоха вниманието на MIT Technology Review, който я посочи в своя списък от 35 под 35, заедно с други изследователи в тази област.

„Мисля, че това е супер готино!“ казва Кен Кишида, доцент по физиология и фармакология в Уейк Форест, който изучава невротрансмитери. Кишида, който не участва в работата на Накацуко, започва академичната си кариера с изучаване на генетика, очарован от това какво може да кодира ДНК.

„Наистина е страхотно да видим как структурата… на ДНК молекулите е била използвана за молекулярно инженерство“, казва Кишида.

споразумение невротрансмитери: Невротрансмитерите са валутата на нервната система, молекулите, които невроните използват, за да комуникират помежду си, включително химикали от списък А като допамин, серотонин и норепинефрин.

Флуктуациите в нивата на невротрансмитерите са свързани с много неврологични разстройства, като дефицит на допамин при болестта на Паркинсон, казва Кришна Вадодария, асоцииран директор по невробиология в Engrail Therapeutics.

„Много лекарства са насочени към невротрансмитерни системи, например класът антидепресанти, наречени „селективни инхибитори на обратното захващане на серотонина“, като популярния SSRI циталопрам, обяснява Вадодария по имейл. (Този, който познавам отблизо, включително неговите брутални и мистериозно ефективни начини.)

Вадодария и Накацука подложиха наносензорите на тест, като проведоха изследване на серотонин и SSRIs в лабораторията на Ръсти Гейдж в Института за биологични изследвания Salk в Ла Джола, където Вадодария тогава беше член на научния екип.

Невротрансмитерите са валутата на нервната система, химикали от списъка А като допамин, серотонин и норепинефрин.

Въпреки че разбираме добре някои аспекти на мозъка, разбирането ни за невротрансмитерите липсва, особено като се има предвид тяхното предполагаемо значение за мозъчната функция. Изучаването им вътре в мозъка е трудно, дори само заради очевидния проблем с получаването в там, но те могат да бъдат трудни за измерване дори в неврони в лабораторията.

Невротрансмитерите са проектирани да работят в a много локализирана област – синапсите – обяснява Вадодария.

И въпреки че нивата на невротрансмитери са високи в това малко пространство, те се разреждат в средата, в която се намират клетките, което затруднява измерването им. Серотонинът има допълнителната трудност да бъде нестабилна, лесно разграждаща се и чувствителна към топлина молекула.

Но изследователите започват да разбират по-добре невротрансмитерите в човешкия мозък, благодарение на нови начини за измерването им.

Кишида, изследователят на Virginia Tech Read Montague и техните колеги направиха първите измервания на допамин в буден, съзнателен човешки мозък през 2009 г.

Тяхната техника, която разчита на мозъчни операции за пускане на сонда и четене на невротрансмитери чрез електрически сигнали – анализирани от сложен алгоритъм за машинно обучение – започна да разкрива прозрения, като потенциалната функция на допамин и серотонин във възприятието и вземането на решения.

В неговото молекулярно психиатрично изследване с Vadodaria, наносензорите на Nakatsuka, които използват напълно различен метод за измерване на наличието на невротрансмитери, откриха доказателства, че невроните се диференцират, за да реагират на серотонин в ястие всъщност кутия секретират серотонин и реагират на SSRI, както се очаква, потенциален нов модел за изследване на серотонина, който “отдавна е ограничен до животински модели”, пишат изследователите в своето проучване.

Използвайки ДНК, наносензорите могат да откриват невротрансмитери чрез промяна на формата в тяхно присъствие.

Големи въпроси, малки сензори: Групата на Накацука в момента се фокусира върху вземането на този вид инвитро измервания, работейки с клетки и срезове от мозъчна тъкан, а не вътре в черепа на живо същество.

„Ние наистина опростяваме мозъка и просто изследваме една до няколкостотин мозъчни клетки, за да започнем да задаваме наистина основни въпроси“, казва Накацука. Как един неврон комуникира с друг? Как можем да повлияем на тези издания?

„Разбира се, въпреки че това е много опростена система, мисля, че все още е такава черна кутия, че е средството, чрез което можем да започнем да задаваме различни въпроси от измерванията в мозъка.“

За да измери невротрансмитерите, Накацука се обърна към ДНК. В допълнение към кодирането на протеини, ДНК може да промени структурата си, когато се свърже с конкретна молекула. Тъй като ДНК има структура, която предпочита в зависимост от средата си, тя ще се върне към тази форма, когато молекулата, с която се е свързвала, вече не присъства.

Наречени “ДНК аптамери”, те са ключът към наносензорите.

Първо, ДНК аптамерът е проектиран да се свързва със специфичен невротрансмитер, например серотонин. Когато присъства серотонин, ДНК аптамерът се свързва с него, променя формата си и увеличава потока на електрически ток. Чрез разчитане на тези разлики в електрическия ток, докато аптамерът променя формата си и се връща, наносензорите могат да дадат показания за нивата на невротрансмитери.

Аптамерите могат да бъдат конструирани така, че да се свързват с различни молекули, което прави наносензорите многофункционални – разменете ги и измервайте нещо ново.

“[The sensors are] наистина започва да се доближава до размерите на неврона и мястото, където комуникира.

Нако Накацука

Въоръжена с малкото си измервателно устройство, Накацука се прицели да постави сондата си там, където трябва да бъде – в мащаб, доближаващ този на самия синапс. Аптамерите бяха заредени в пипети в наномащаб – около 10 нанометра на върха.

„Наистина започва да се доближава до размерите на неврона и къде комуникира“, казва Накацука. И този мащаб е важен; колкото по-малък ставате, толкова повече пространствена разделителна способност можете да увеличите или най-малкото нещо, което сензорът може да измери точно. (Вземи го в синапсите с прецизност обаче са настоящо предизвикателство.)

„Колкото повече технологията може да се движи в тази посока, толкова повече тя просто отваря различни начини за задаване на въпроси“, казва Кишида.

Следващи стъпки: Въпреки че наносензорите преминаха тест в реалния свят, за да могат да измерват серотонина в проучването на Salk, все още има много работа за вършене и потенциални проблеми – и възможности – за разкриване.

В момента наносензорите измерват от порядъка на секунди. Аптамерите обаче могат да бъдат настроени за повишена скорост; Накацука смята, че в крайна сметка милисекунди са възможни.

Тъй като ДНК е биологична и разграждаща се молекула, изследователите също ще трябва да определят дали техните аптамери в крайна сметка ще се разпаднат. Понастоящем те изглежда се задържат заедно в съдове и тъканни проби в продължение на седмици или дори месеци, но по-дългосрочната продължителност все още не е определена.

„Това е наистина вълнуващо развитие в невротрансмитерните сензори. Изглежда, че тук има много потенциал за разработване на нови начини за разследване.

Кен Кишида

Съществува и въпросът дали използването на биологичен сензор може да повлияе на биологичната среда и колко добре ще работи там. Накацука започна да използва наносензори в проби от мозъчна тъкан, увеличавайки сложността на инвитро неврони.

Тя предвижда използването на наносензори в лабораторията, за да се осигури основно разбиране за това как работят невротрансмитерите, като например как лекарствата взаимодействат с тях, като изследователи като Вадодария и Кишида използват нейните нови инструменти, за да отговарят – и да задават – нови въпроси. Въпроси.

„Това е наистина вълнуващо развитие в невротрансмитерните сензори“, казва Кишида. „Изглежда има много потенциал тук за разработване на нови начини за разследване.“

Ще се радваме да чуем от вас! Ако имате коментар за тази статия или имате съвет за бъдеща история на Freethink, моля, изпратете ни имейл на [email protected]

Add Comment