אופטוגנטיקה הינה שיטה המבוססת על הנדסה גנטית של תאים, ובעזרתה ניתן לגרום לתאים לייצר חלבונים הרגישים לאור. באמצעות האור, ניתן לשלוט בחלבונים אלו ודרכם לשלוט בתהליכים ביולוגיים רבים.

הרבה מהתהליכים הביולוגיים המתרחשים בגוף האדם הינם תהליכים רגישים מאוד ומהירים להפליא. במידה ורוצים להשפיע עליהם ישירות, יש צורך באמצעי מדויק ודינמי. ישנן שיטות רבות במחקר המתמקדות בבחינת תהליכים האלו, כגון יצירת אורגניזם בו חסר מרכיב אחד ספיציפי אותו רוצים לחקור, ובחינת ההשלכות של כך. ניתן ללמוד מכך רבות, אך זהו גם תהליך ארוך ומלא בקשיים. בשנים האחרונות פותחה שיטה המאפשרת יותר שליטה על התהליכים הביולוגיים בעזרת שימוש בחלבון הנשלט על ידי אור. ניתן להוסיף את אותו החלבון לתא של האורגניזם באמצעות הנדסה גנטית, ובכך "לשלוט" על תהליכים בתא ע"י שימוש באור. שיטה זו נקראת אופטוגנטיקה.

טכנולוגיית האופטוגנטיקה מבוססת על על שימוש בחלבונים הנקראים אופסינים (opsins) אשר רגישים לאור [1]. בתגובה לאור באורך גל מסוים, חלבונים אלו משנים את צורתם מה שגורם לפתיחת תעלה, זרימה של יונים ושינוי מהיר במתח החשמלי בתא [2]. שינוי זה בתאים כגון תאי עצב ותאי שריר הינו קריטי לפעילותם. לדוגמא, כאשר המתח החשמלי של תא שריר משתנה, זה יגרום לתא להתכווץ. המקור של חלבוני האופסינים הוא בעיקר מאצות או חיידקים, כאשר האופסין המוכר ביותר הינו channelrhodopsin-2 (או בקיצור ChR2) אשר מצוי בטבע באצה חד תאית. באמצעות הנדסה גנטית ניתן לבטא חלבון זה וחלבונים אחרים ממשפחת האופסינים בתאים של אורגניזמים שונים ובכך לשלוט בתהליכים חשמליים בתא בו בחרנו לבטא את החלבון. יכולת זו פותחת את הדלת ליישומים שונים בחקר מערכת העצבים והלב.

בחקר המוח, לדוגמא, תאי עצב (נוירונים) אשר מייצרים את החלבון האופסין ChR2, או חלבון דומה לו, מופעלים כאשר מוקרן עליהם אור כחול וישארו במצב זה כל עוד האור מופעל [3]. מאפיין זה עוזר לחוקרים לבחון תפקודים שונים של המוח. רוב המחקרים הללו נעשים בעכברים מפני שקל לבצע בהם מניפולציות גנטיות. בשביל לגרום לנוירונים של העכברים לייצר את החלבון, מזריקים להם וירוסים הנושאים את הגן המקודד לחלבון ChR2, ובכך גורמים לנוירונים לייצר בעצמם את החלבון הרגיש לאור. על ידי התמקדות בנוירונים באזורים מסוימים במוח, והפעלתם באמצעות השימוש באור ניתן היה לחקור את פעילותם ותפקידם. באחד המחקרים הראשונים בתחום, החוקרים הנדסו גנטית עכברים כך שהחלבון ChR2 יוצר במוח באזור האחראי על הוצאת תנועה לכיוון מסוים. כאשר כיוונו אור כחול על אזור זה, העכברים שינו את כיוון תנועתם ונעו שמאלה בלבד כל עוד האור נשאר דולק [4]. 

אך לא רק במוח ניתן להשתמש בטכנולוגיה של אופטוגנטיקה. תחום נוסף העושה בה שימוש הינו חקר הלב. מחקרים הראו כי ניתן לשלוט בקצב ההתכווצות של הלב ע"י שימוש באופטוגנטיקה [5], וליכולת זו פוטנציאל לשפר את קוצבי הלב בחיות מעבדה. ע"י שימוש ביכולת הדיוק של אופטוגנטיקה ניתן לייצר קוצבים ביולוגיים אשר יופעלו בעזרת אור, וכתוצאה מכך רק סוג ספיציפי של תאים בלב יתכווץ. ניתן גם לטפל בהפרעת קצב בעכברים: במקום להשתמש בשוק חשמלי על מנת להחזיר את הלב לפעילות תקינה, חשיפה לאור תעשה את אותה הפעולה [6]. 

לשימוש באופטוגנטיקה יש פוטנציאל אדיר גם בתחומים נוספים, כגון טיפול בעיוורון [7] או השפעה על נשימה [8], אך עדיין מחקר רב נדרש לפני שטכנולוגיה זו תהיה שמישה בבני אדם. דבר ראשון, יש צורך להתייחס לנושא של הנדסה גנטית של תאים אנושיים באמצעות וירוסים. כמו כן, יש צורך לענות על השאלה של מה יהיה מקור האור? איך שמים מעין פנס בתוך גוף האדם קרוב ללב או למערכת העצבים? המחקר בנושאים אלו ממשיך כיום, ופתרונות חדשים לבעיות השונות נמצאים כל הזמן, כך שניתן לקוות שבעוד כמה שנים ניתן יהיה לטפל במחלות שונות פשוט ע"י הדלקה של האור. 

מקורות:

1. איך עובדת אופטוגנטיקה
2. איך פועל ChR2
3. שליטה בפעילות מוחית ע"י ChR2
4. שליטה בתנועה של עכברים באמצעות אופטוגנטיקה
5. שימוש באופטוגנטיקה לחקר הלב
6. טיפול בהפרעות קצב בעכברים באמצעות אופטוגנטיקה
7. טיפול בעיוורון באמצעות אופטוגנטיקה
8. השפעה על נשימה באמצעות אופטוגנטיקה