Подобные биотехнологии помогают исследовать механизмы работы мозга. За последние годы ученые изобрели множество биологических «вольтметров» для измерения силы импульса в нервных клетках. Большинство из них не нашли применения из-за высокой токсичности, невысокой точности и крайне медленной скорости считывания напряжения.

Адам Коэн (Adam Cohen) и его коллеги из Гарвардского университета отмечают, что их технология позволяет следить за малейшими изменениями в силе нервного импульса и делает это очень быстро — между электрическим всплеском и сигналом «вольтметра» — вспышкой света — минует лишь несколько миллисекунд.

Группа ученых под руководством Коэна экспериментировала с различными белками бактерий, реагирующими на свет или электрические импульсы. Один из таких белков — археродопсин Arch — используется бациллами Halorubrum sodomense для преобразования энергии света в электричество.

Белок — «перевертыш»

Авторы статьи предположили, что эту молекулу можно использовать и для обратной цели — испускания света при захвате свободных электронов. Ученые вырастили культуру клеток человеческой почки с вставленным геном Arch и проследили за тем, как будет реагировать этот белок на излучение лазера.

Эксперимент показал, что «лазерная подсветка» заставила трансгенные клетки почки испускать лучи красного света. За 10 минут непрерывного облучения клетки не потеряли своей формы и не погибли: это означает, что данный белок может беспрепятственно использоваться для длительных экспериментов с нервными клетками.

Затем ученые проверили, как белок будет реагировать на изменение электрического напряжения. Оказалось, что пик свечения белка приходился на разные оттенки красного цвета при изменении электрического потенциала. Arch реагировал на новое напряжение тока очень быстро — максимальное время «переключения» между тонами красного не превышало 500 микросекунд (1 микросекунда равняется одной миллионной доле секунды).

Убедившись в действенности метода, ученые разработали алгоритм считывания сигнала при помощи цифрового спектрометра и проверили его работу на нервных клетках крысы, в которые был вставлен ген Arch.

«Светомузыка» в мозге

Коэн и его коллеги вырастили популяцию трансгенных крыс, усыпили их и подготовили несколько срезов мозга. Ученые подавали на срезы импульсы тока различной силы и сравнивали показатели белкового «вольтметра» с реальным напряжением тока.

В целом, новый метод оказался довольно точным — среднее отклонение между реальным напряжением и показаниями спектрометра составило 4 милливольт. Алгоритм авторов статьи смог верно определить 99,6% из всех пиков электрической активности при частоте 2 тысячи вспышек в секунду.

После этого биологи отключили часть белка, которая отвечает за преобразование энергии света в электричество, и тем самым улучшили его точность. Новая версия Arch была в три раза чувствительнее своей предшественницы и точно указывала на напряжение, которое подавалось на срез мозга. С другой стороны, скорость реакции «вольтметра» несколько снизилась — среднее время реакции этой молекулы составляет 40 миллисекунд.

Ученые намерены изучить и другие белки бактерий со схожими функциями — вполне возможно, что среди них встречается молекула, сочетающая быстроту Arch и точность мутантной версии этого белка.