سروتونین یک ماده شیمیایی عصبی است که نقشی اساسی در نحوه کنترل مغز بر افکار و احساسات ما دارد. به عنوان مثال، بسیاری از داروهای ضد افسردگی برای تغییر سیگنالهای سروتونین ارسال شده بین سلولهای عصبی طراحی شده اند.
محققان در یک بررسی توضیح دادند که چگونه از تکنیک های پیشرفته مهندسی ژنتیک برای تبدیل پروتئین باکتریایی به یک ابزار تحقیقاتی جدید استفاده می کنند که ممکن است به انتقال و کنترل سروتونین با اطمینان بیشتری نسبت به روشهای فعلی کمک کند.
آزمایشات نشان داد که حسگر می تواند تغییرات ظریف و در زمان واقعی سطح سروتونین مغز را در هنگام خواب، ترس و تعاملات اجتماعی تشخیص دهد و همچنین اثربخشی داروهای روانگردان جدید را ارزیابی کند.
بودجه این مطالعه، تا حدی توسط تحقیقات مغز NIH از طریق پیشرفت فناوری های عصبی نوآور (BRAIN) انجام شد که هدف آن ایجاد انقلابی در درک ما از مغز در شرایط سالم و بیماری است.
این مطالعه توسط محققان در دانشکده پزشکی دانشگاه کالیفرنیا انجام شد. روشهای فعلی فقط می توانند تغییرات گسترده در سیگنالینگ سروتونین را تشخیص دهند. در این مطالعه، محققان یک پروتئین باکتریایی مگس جذب کننده مواد مغذی را به یک سنسور بسیار حساس تبدیل کردند که با گرفتن سروتونین به صورت فلورسنت روشن می شود.
پیش از این، دانشمندان از روشهای مهندسی ژنتیک کلاسیک برای تبدیل پروتئین باکتری به حسگر انتقال دهنده عصبی استیل کولین استفاده کردند. پروتئینی که OpuBC نامیده می شود، به طور معمول ماده مغذی کولین را که شکل مشابه استیل کولین دارد، گیر می اندازد.
محققان از الگوریتم های یادگیری ماشین برای کمک به رایانه در ایجاد 250،000 طرح جدید استفاده کردند. پس از سه دوره آزمایش، دانشمندان به یک آزمایش پرداختند. آزمایشات اولیه نشان می دهد که سنسور جدید در حالی که واکنش کمی نسبت به سایر انتقال دهنده های عصبی یا داروهای مشابه دارد، سروتونین را در سطوح مختلف در مغز تشخیص می دهد.
آزمایش های انجام شده در برش های مغز موش نشان داد که سنسور به سیگنال های سروتونین ارسال شده بین نورون ها در نقاط ارتباطات سیناپسی پاسخ می دهد.
در همین حال، آزمایشات روی سلولها حاکی از آن بود که سنسور می تواند به طور موثری تغییرات در این سیگنالهای ناشی از مواد مخدر، از جمله کوکائین، اکستازی و چندین داروی ضد افسردگی که معمولاً استفاده می شوند را کنترل کند.
سرانجام، آزمایشات روی موش ها نشان داد که این حسگر می تواند به دانشمندان در مطالعه انتقال دهنده عصبی سروتونین در شرایط طبیعی تر کمک کند. به عنوان مثال، محققان شاهد افزایش میزان سروتونین هنگام بیداری و رفتن به خواب در موش بودند.
همچنین وقتی موشها سرانجام به ژرفای بیشتری در خواب وارد شدند، سروتونین افت بیشتری پیدا کرد. روش های سنتی نظارت بر سروتونین در حالتهای خواب، این تغییرات جزئی را از دست می دادند. علاوه بر این، دانشمندان مشاهده کردند که در هنگام هشدار موشها به دلیل ضربه زنگ، میزان سروتونین در دو مدار جداگانه مربوط به ترس در مغز افزایش می یابد.
محققان قصد دارند حسگر را به راحتی در دسترس سایر دانشمندان قرار دهند. آنها امیدوارند که به محققان کمک کند درک بهتری از نقش حیاتی سروتونین در زندگی روزمره و بسیاری از شرایط روانشناختی داشته باشند.
برای اطلاعات بیشتر به مؤسسه سلامت مغز دانا مراجعه کنید.
منبع:
Elizabeth K. Unger et al, Directed Evolution of a Selective and Sensitive Serotonin Sensor via Machine Learning, Cell (2020). DOI: 10.1016/j.cell.2020.11.040