А начиналось все с водорослей...

Рассказ о новой технологии следовало бы начинать с нео­бычного творения природы — водорослей, плавающих на по­верхности водоемов. В ранние 1990-е немецкий биолог Питер Хагеманн (Peter Hegemann) экспериментировал с существом, состоявшим из одной клетки, называемым хламидамонадой ОChlamydomonas) и представлявшим собой, если обойтись без специальной терминологии, одноклеточную водоросль.

Хагеманн спросил себя: каким образом это одноклеточное, не имея ни глаз, ни мозга, способно реагировать на свет? Как оно «видит»? Что заставляет его «действовать»? В сущности, уче­ного интересовало, как совокупность молекул узнает о том, что творится в окружающем мире. Если формулировать предельно лаконично, как «работает» жизнь.

Ответ медленно вызревал в течение нескольких лет. Хагеманн и его коллеги обнаружили, что клеточная мембрана усеяна спи­ралевидными молекулами белка. Ученые предположили: как только фотон света разогревает одну из таких молекул, она рас­прямляется, теряя свою спиралевидность и создавая в мембране крошечное отверстие — пору. Электрозаряженные ионы следу­ют через последнюю, меняя электрический потенциал мембра­ны. Та, в свою очередь, отдает свой небольшой разряд, импульс от которого и приводит в движение хвост. И все «устройство» плывет вперед^[110].

Это было отличное исследование, посвященное клетке. А сама одноклеточная водоросль — ну что за прелесть! Однако, с точ­ки зрения перспектив нейронауки, она — существо совершенно бесполезное, хотя и очаровательное. Какой вклад может внести в нейробиологию одно отдельно взятое одноклеточное? Но ока­залось, что с некоторыми фрагментами молекулярной структуры можно обходиться как с фрагментами текста в Word’e: «копиро­вать» у одного существа (команда «Сору») и «вставлять» в дру­гое (команда «Paste»).

Таким образом, когда ученые находят в какой-нибудь клетке представляющий интерес структурный элемент, они пытаются встроить его в другую клетку и выяснить, что получится. В 1999 году Роджер Тсьен (Roger Tsien)^[112], биолог из университета Сан- Диего, Южная Калифорния, внимательно следил за работой Френсиса Крика, призывающего найти наилучшие способы це­ленаправленной передачи нейронам импульсов возбуждения. Когда Тсьен прочитал об экспериментах с хламидомонадой, он задал себе прямой вопрос: можно ли эту функцию однокле­точной водоросли (реагировать на свет) «встроить» в нервную клетку? Для решения такой задачи необходимо определить, ка­кой ген отвечает за синтез белка, входящего в состав оболочки хламидомонады и проявляющего чувствительность к свету. Его можно было бы перенести в нервную клетку и, как надеялся Тсьен, заставить нейрон возбуждаться при облучении световы­ми лучами.

Само по себе это еще не великое достижение, поскольку при­вести нервную клетку в активное состояние можно и с помощью электрического тока. Самым волнующим было бы добиться того, чтобы встраиваемый ген обеспечивал нужную реакцию на свет со стороны лишь нейрона определенного типа. В данной связи исследователям необходим «промоутер» (promouter) — специ­фический фрагмент ДНК, которым можно маркировать ген для контроля над тем, используется он с заданной целью или нет.

И вот что проделали ученые. Они встроили чувствительный к свету ген в структуру вирусов и ввели некоторое количество та­ких вирусов в мозг, заразив один или два кубических миллиме­тра мозговой ткани. То есть в каждом без исключения нейроне на данном участке мозга поселился новый ген. Звучит устрашающе, поскольку обычно вирусы — вредоносные маленькие существа.

Благодаря своему «промоутеру», встраиваемый ген проявля­ется лишь в нейронах определенного типа, а все другие — игно­рируются. Понять, в чем тут дело, поможет следующая аналогия. Вообразите, что возможность ловить мяч в игре имеют только левши. Как вы этого добьетесь? Раздадите всем без исключе­ния игрокам лишь по левой перчатке. Правшам тогда останет­ся стоять без дела, волнуясь и взывая о помощи. А левши будут действовать без ограничений. Точно так же, как они отмечены («tagged») наличием одной только левой перчатки и поэтому мо­гут действовать строго определенным образом, нейрон заданно­го типа отмечен («tagged») тем, что в него встроен ген, который будет использоваться так, как задумано экспериментаторами. Вот они, искомые итог и награда! Теперь в одном кубическом миллиметре мозговой ткани можно стимулировать исключи­тельно нейроны определенного типа — не затрагивая ничего вокруг. Иными словами, исследователи могут воздействовать только на те нейроны, которые, например, продуцируют допа­мин или ацетилхолин, или GABA (ГАБА, гамма-аминомасляная кислота. — Прим. пер.)¹. Контроль исключительной точности. Никаких побочных эффектов.

Тсьен знал, что эта методика будет работать. Однако совме­щение генов растений с животными клетками имело дальний прицел. Смогут ли чувствительные к свету гены хламидомона­ды проявить свои свойства в чужой для них клеточной среде? Сможет ли молекула белка открывать и закрывать поры в мем­бране с той быстротой, которая нужна для мгновенного получе­ния десятками нейронов импульса возбуждения? Если бы в то время у биологов спросили, ждет ли Тсьена успех, большинство из них, вероятно, ответили бы отрицательно.

Однако Тсьен все равно пытался добиться своего. Он попросил Хагеманна выслать ему чувствительный к свету ген хламидомо­нады. Тот не был уверен, какой именно требуется, и поэтому вы­слал два варианта. Тсьен и его студенты-выпускники должным образом встроили в нейроны, с которыми тогда работали, оба. Однако ни один из них не отреагировал на облучение светом. Тсьен повторил попытку, используя теперь лишь один ген. С тем же результатом. « Получив два сокрушительных удара подобного рода, вы должны признать, — говорил он впоследствии, — что находитесь на ложном пути и вам следует попробовать нечто

¹ Henderson, J. Optogenetic Neuromodulation. P. 4.

l68

иное». Так он и переключился на другое направление исследо­ваний, а четвертый ген нетронутым положил на хранение в хо­лодильник, стоявший в его лаборатории.

Прошло не менее трех лет, прежде чем Хагеманн и его сотруд­ники в конце концов обнаружили нужный ген. Они встроили его в яйцеклетку лягушки, подали на него луч света и — вуаля! Электрический ток заструился по мембране лягушачьей яйце­клетки.

Как только Тсьену на глаза попалась написанная Хагеманном и его коллегами научная статья, он сразу понял, какой ген ему нужен. Разумеется, тот самый, что был когда-то отложен. Очень похоже на то, как вы покупаете четыре лотерейных билета, обна­руживаете, что три из них пустые, и раздраженно отбрасываете четвертый. После чего видите, как кто-то другой подбирает этот билет и выигрывает по нему ю миллионов. «Мы ошиблись не в том, — оглядываясь назад, признавался с натянутой улыбкой Тсьен, — что положили его в холодильник, а в том, что упустили время извлечь обратно». Однако такова природа науки: «Порой вы выигрываете, порой — проигрываете». (Дело закончилось тем, что Тсьен кое-что выиграл. Нобелевскую премию 2008 года — за свои новые исследования, посвященные тому, как с помощью генной инженерии заставить светиться клетки определенного типа).

Хагеманн и его команда назвали принесший успех ген чен- нелродопсином (channelrhodopsin). В 2003 году они опублико­вали научную статью с потрясающим заявлением: «ChR2 (раз­новидность ченнелродопсина. — Прим. автора) может быть ис­пользован для деполяризации животных клеток... посредством облучения светом»^[113]. Однако до применения этого открытия на практике было еще очень и очень далеко.