Biologisk maskineri i nanostørrelse til manipulation af fysiologisk funktion

Dr. Numano og kolleger har undersøgt dynamikken i ionkanaler og effektivt manipuleret dem til optisk kontrol af neural aktivitet.

Rene Descartes foreslog, at alle fysiologiske systemer kunne genkendes ved mekanistiske principper. Vi genkender intakte biostrukturer ionotrope glutamatreceptorer (iGluR6) som maskiner, som normalt udtrykkes i synaptiske neurale processer i pattedyrs hjerne. For at kontrollere enhver neural aktivitet eksternt og reversibelt, fotoswitchbar nano-maskine-LiGluR &Yin/yang-blev udviklet baseret på iGluR6 og betjent ved hjælp af fotoiosomeriserbare nye kemikalier, MAG.

Rika Numano ved Electronics-Inspired Interdisciplinary Research Institute (EIIRIS), Toyohashi Tech, i samarbejde med Ehud Isacoffs gruppe ved UC Berkeley har undersøgt ionkanalers dynamik og effektivt manipuleret dem til optisk kontrol af neural aktivitet.

Her, Numano og kolleger fotoskiftet iGluR6 ved hjælp af tre slags MAG0, 1, 2, som dingler 2R, 4R-allyi glutamat (G) fra en linker indeholdende det fotoisomeriserbare azobensen (A), der er bundet til indførte cystein via maleimid (M). MAG'erne blev undersøgt ved nogle cysteinmuterede positioner omkring ligandbindingsdomænet "clamshell" fra geometri.

I neurale celler med LigluR (med L439C -mutation), Handlingspotentialer fremkaldes og slukkes optimalt af UV og synligt lys, henholdsvis. Yin/yang (G486C) optisk kontrol gør det muligt for en enkelt bølgelængde af lys at fremkalde potentialer i et sæt neuroner, mens de-spændende et andet sæt neuroner i det samme præparat.

Evnen til at generere modsatte svar med kort MAG0 og to versioner af en målkanal, som kan udtrykkes i forskellige celletyper, baner vejen for ingeniørmæssig modstandsdygtighed i neuroner, der formidler modsatrettede funktioner.

Forskerne kunne kontrollere bemærkelsesværdig neural kredsløbsaktivitet for at regulere fysiologi ud fra et mekanistisk synspunkt.