ด้วยยีนเพิ่มเติมอีกสองยีนสำหรับเอนไซม์ไดออกซีเจเนสและช่องประจุลบที่ควบคุมด้วยแสง ACR1 พืชยาสูบสามารถถ่ายทอดไอออนของเกลือผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เมื่อสัมผัสกับแสงสีเขียว ความสำเร็จสามารถเห็นได้ในการทดลอง: ในขณะที่หลอดละอองเกสรโดยปกติเติบโตไปในทิศทางของเซลล์ไข่เพื่อการปฏิสนธิ แต่ในเซลล์ดัดแปลงพันธุกรรม พวกมันจะเปลี่ยนทิศทางของการเจริญเติบโตขึ้นอยู่กับการสัมผัสกับแสง (ภาพ: ดร.ไก่ คอนราด)
เกือบ 10 ปีแล้วที่วารสารวิทยาศาสตร์ Science เรียกออพโตเจเนติกส์ว่าเป็น “ความก้าวหน้าของทศวรรษ”
พูดง่ายๆ ก็คือ เทคนิคนี้ทำให้สามารถควบคุมกิจกรรมทางไฟฟ้าของเซลล์ด้วยพัลส์ของแสงได้ ด้วยความช่วยเหลือ นักวิทยาศาสตร์สามารถได้รับข้อมูลเชิงลึกใหม่ๆ เกี่ยวกับการทำงานของเซลล์ประสาท และทำให้เข้าใจโรคทางระบบประสาทและทางจิตเวช เช่น โรคซึมเศร้าและโรคจิตเภทได้ดีขึ้น
กำหนดขั้นตอนเกี่ยวกับเซลล์สัตว์ ในการวิจัยเกี่ยวกับเซลล์สัตว์ ออพโตเจเนติกส์เป็นเทคนิคที่เป็นที่ยอมรับในหลายสาขา ภาพในการวิจัยพืชจะแตกต่างออกไป: การถ่ายโอนหลักการไปยังเซลล์พืชและการประยุกต์ใช้ในวงกว้างยังไม่สามารถทำได้จนถึงขณะนี้ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ได้เปลี่ยนไปแล้ว: นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัย Julius Maximilians แห่ง Würzburg (JMU) ประสบความสำเร็จในการใช้วิธีการออปโตเจเนติกส์ในพืชยาสูบ พวกเขานำเสนอผลงานของพวกเขาในวารสารNature Plants ฉบับ ปัจจุบัน “โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Dr. Kai Konrad จากกลุ่มของ Prof. Hedrich (Botany I) และ Dr. Shiqiang Gao จากกลุ่มของผม มีส่วนรับผิดชอบหลักต่อความสำเร็จของโครงการนี้” ศาสตราจารย์ Georg Nagel ผู้ร่วมก่อตั้งของ optogenetics อธิบาย นอกจากภาควิชาสรีรวิทยาในสถาบันสรีรวิทยาแล้ว เก้าอี้ 3 ตัวของสถาบัน Julius-von-Sachs ยังมีส่วนร่วมในความร่วมมือ ได้แก่ Botany I, Botany II และ Pharmaceutical Biology
สวิตช์ไฟสำหรับการทำงานของเซลล์
“ออปโตเจเนติกส์คือการจัดการเซลล์หรือสิ่งมีชีวิตด้วยแสงหลังจากนำ ‘เซ็นเซอร์วัดแสง’ มาใช้โดยใช้วิธีการทางพันธุวิศวกรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ช่องไอออนบวกที่ควบคุมด้วยแสง channelrhodopsin-2 ได้ช่วยให้ออปโตเจเนติกส์บรรลุความก้าวหน้า” Nagel กล่าวอธิบายวิธีที่เขาร่วมพัฒนา ด้วยความช่วยเหลือของ channelrhodopsin กิจกรรมของเซลล์สามารถเปิดและปิดได้ราวกับใช้สวิตช์ไฟ
อย่างไรก็ตาม ในเซลล์พืช จนถึงตอนนี้ได้ผลในขอบเขตที่จำกัดเท่านั้น มีเหตุผลหลักสองประการ: “เป็นการยากที่จะดัดแปลงพันธุกรรมพืชเพื่อให้ผลิตโรดอปซินตามหน้าที่ นอกจากนี้ ยังขาดปัจจัยร่วมที่สำคัญโดยที่ rhodopsins ไม่สามารถทำงานได้: all-trans retinal หรือที่เรียกว่าวิตามิน A” Dr. Gao อธิบาย
ไฟเขียวสำหรับเซลล์พืช
Prof. Nagel, Dr. Gao, Dr. Konrad และเพื่อนร่วมงานสามารถแก้ไขปัญหาทั้งสองได้แล้ว พวกเขาประสบความสำเร็จในการผลิตวิตามินเอในพืชยาสูบโดยใช้เอ็นไซม์จากแบคทีเรียในทะเล ดังนั้นจึงช่วยให้การรวมโรดอปซินในเยื่อหุ้มเซลล์ดีขึ้น วิธีนี้ช่วยให้สามารถจัดการพืชที่ไม่บุบสลายหรือเซลล์ที่เลือกโดยแสงผ่านช่องไอออนที่เรียกว่า rhodopsin GtACR1 ได้โดยไม่รุกรานเป็นครั้งแรก
ในแนวทางก่อนหน้านี้ นักสรีรวิทยาพืชจาก Botany I ได้เพิ่มโคแฟกเตอร์วิตามิน A ที่จำเป็นอย่างมากลงในเซลล์เพื่อให้ช่องไอออนบวกที่ปิดด้วยแสงสามารถทำงานในเซลล์พืชได้ (Reyer et al., 2020, PNAS) การใช้เคล็ดลับทางพันธุกรรมที่นำเสนอนี้ ศาสตราจารย์นาเจลและเพื่อนร่วมงานได้สร้างพืชที่ผลิตเอนไซม์พิเศษนอกเหนือจากโรดอปซินที่เรียกว่าไดออกซีเจเนส พืชเหล่านี้สามารถผลิตวิตามินเอ ซึ่งปกติแล้วไม่มีอยู่ในพืช จากโปรวิตามินเอซึ่งมีอยู่มากในคลอโรพลาสต์ของพืช การผสมผสานระหว่างการผลิตวิตามินเอและการเพิ่มประสิทธิภาพของ rhodopsins สำหรับการประยุกต์ใช้ในพืช ทำให้นักวิจัยนำโดย Prof. Nagel, Dr. Konrad และ Dr. Gao ประสบความสำเร็จ
แนวทางใหม่สำหรับการวิจัยพืช “ถ้าคุณฉายรังสีเซลล์เหล่านี้ด้วยแสงสีเขียว การซึมผ่านของเยื่อหุ้มเซลล์สำหรับอนุภาคที่มีประจุลบจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และศักยภาพของเมมเบรนจะเปลี่ยนไปอย่างมาก” ดร.คอนราดอธิบาย ด้วยวิธีนี้ เขากล่าวว่า เป็นไปได้ที่จะจัดการการเจริญเติบโตของหลอดเรณูและการพัฒนาของใบโดยเฉพาะ ตัวอย่างเช่น และด้วยเหตุนี้เพื่อศึกษากลไกระดับโมเลกุลของกระบวนการเจริญเติบโตของพืชอย่างละเอียด นักวิจัยของWürzburgมั่นใจว่าแนวทาง optogenetic แบบใหม่ในการวิจัยพืชจะช่วยอำนวยความสะดวกในการวิเคราะห์เส้นทางการส่งสัญญาณที่เข้าใจผิดก่อนหน้านี้ในอนาคตอย่างมาก
ผู้บุกเบิกด้านออพโตเจเนติกส์
Rhodopsin เป็นเม็ดสีที่ไวต่อแสงตามธรรมชาติซึ่งเป็นพื้นฐานของการมองเห็นในสิ่งมีชีวิตหลายชนิด ความจริงที่ว่าปั๊มไอออนที่ไวต่อแสงจากอาร์คีแบคทีเรีย (bacteriorhodopsin) สามารถรวมเข้ากับเซลล์ของสัตว์มีกระดูกสันหลังและการทำงานนั้นแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกโดย Georg Nagel ในปี 1995 ร่วมกับ Ernst Bamberg ที่ Max Planck Institute for Biophysics ในแฟรงค์เฟิร์ต ในปี 2545/2546 การพิสูจน์นี้ประสบความสำเร็จด้วยช่องไอออนที่ไวต่อแสงจากสาหร่าย
ร่วมกับ Peter Hegemann Nagel ได้สาธิตการมีอยู่ของโปรตีนแชนเนลที่ไวต่อแสง 2 ชนิด ได้แก่ channelrhodopsin-1 และ channelrhodopsin-2 (ChR1/ChR2) ในเอกสารสองฉบับที่ตีพิมพ์ในปี 2545 และ 2546 นักวิจัยได้ค้นพบว่า ChR2 ทำให้เกิดความรวดเร็วอย่างมาก , การเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากแสงในกระแสเมมเบรนและแรงดันเมมเบรนเมื่อยีนแสดงออกในเซลล์ของสัตว์มีกระดูกสันหลัง นอกจากนี้ ขนาดที่เล็กของ ChR2 ทำให้ใช้งานง่ายมาก
ตั้งแต่นั้นมา Nagel ได้รับรางวัลมากมายสำหรับการค้นพบนี้ โดยล่าสุดคือในปี 2020 ร่วมกับผู้บุกเบิกด้านออปโตเจเนติกส์อีกสองคน นั่นคือ Shaw Prize for Life Sciences มูลค่า 1.2 ล้านเหรียญสหรัฐ
Credit : winxforums.com prosperityvas.com gucciusaoutlet.net dodgermath.com yimkwikwqa.com fastcashinminutes.net phanmemvuonxa.com ebonyistatefrc.com jasminekruger.com tigersofindia.net
