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» » Optogenética: El control del cerebro con la luz (2)


Poniéndole luz a la vida

La biología tiene la tradición de utilizar la luz para intervenir en los sistemas vivos. Los investigadores han empleado un método basado en la luz llamado CALI para destruir, y así inhibir, las proteínas seleccionadas; los láseres también se han utilizado para eliminar células determinadas, por ejemplo, en el gusano Caenorhabditis elegans. Por el contrario, Richard L. Fork, de los Laboratorios Bell (en la década de 1970), y Rafael Yuste de la Universidad de Columbia (en 2002), informaron de unas formas de estimular las neuronas con láseres que interrumpen parcialmente las membranas celulares. Más recientemente, los laboratorios de Gero Miesenböck, entonces en el Memorial Sloan-Kettering Cancer Center, y de Ehud Isacoff, Richard H. Kramer y Dirk Trauner, todos ellos entonces en la Universidad de California, Berkeley, emplearon sistemas de varios componentes para modular las células diana con la luz. Introducían, por ejemplo, una proteína que regulaba las neuronas y una sustancia química que estimularía una acción dentro de la proteína que se activaba por una luz ultravioleta.

Sin embargo, la destrucción de las proteínas o células que nos interesan, obviamente limita las opciones experimentales y los métodos que dependen de múltiples componentes; aunque resulte elegante y útil, conlleva desafíos prácticos que no han experimentado una amplia aplicabilidad o utilidad en los mamíferos. Se hacía necesario un cambio estratégico fundamental para un solo componente. Como resulta que esta estrategia no era capaz de construir ninguna de las partes o métodos de los enfoques anteriores, en su lugar se empleó la activación total por luz de las proteínas de los microbios: unas proteínas que ahora se llaman bacteriorhodopsina, halorhodopsins y channelrhodopsina.

Bueno, después de que se dieran a conocer en la ciencia la bacteriorodopsina y la halorhodopsina, en el año 2000, el Instituto de Investigación de ADN Kazusa, en Japón, publicó miles de secuencias de genes nuevos a partir de la alga verde Chlamydomonas reinhardtii. Al revisarlos, Peter Hegemann, de la Universidad de Regensburg en Alemania, que ya había predicho que la Chlamydomonas podría tener un canal iónico activado por luz, observó dos largas secuencias similares a las de la bacteriorodopsina. Obtuvo copias de éstas de Kazusa y le preguntó a Georg Nagel (entonces investigador principal en Frankfurt) si efectivamente estaban codificados los canales iónicos. En 2002, Hegemann y Nagel describen el hallazgo de una de estas secuencias codificadas de un canal de la membrana de una sola proteína sensible a la luz azul: cuando se golpea con fotones azules, se regula el flujo de iones cargados positivamente. La proteína fue apodada en consecuencia, como canalrodopsina-1, o ChR1. Al siguiente año, Nagel y Hegemann (junto con sus colegas, incluyendo a Ernst Bamberg en Frankfurt), exploraron otra secuencia que nombraron como "canalrodopsina-2", o ChR2. Casi al mismo tiempo, John L. Spudich, en Houston, presentó evidencias de los genes que eran importantes para las respuestas dependientes a la luz en las Chlamydomonas. Aunque estas canalrodopsinas, no respondían de inmediato, esto se tradujo en un avance de la neurociencia, más que los descubrimientos de la bacteriorhodopsina y la halorhodopsina en las décadas anteriores. Pasaron varios años sin otros eventos después de 2002, como pasó desde 1971.

Un buen número de científicos habían confiado en mí, y habían considerado la inserción de genes opsina bacterianas o de algas en las neuronas, para así controlar las células alteradas con la luz, pero abandonaron la idea. De hecho, cualquier cosa es posible en biología, pero lo que realmente se puede hacer es otra historia. Con los retos de financiación, la necesidad de proyectos de bajo riesgo que apoyen las carreras meritorias, y de otros temas que ponían el umbral muy alto para la toma de riesgos de la ciencia académica moderna. De las células animales es poco probable la fabricación de estas proteínas de membrana microbiana de manera eficiente y segura, y estas proteínas seguro que serían muy lentas y débiles para ser eficaces. Por otra parte, para funcionar, las proteínas requieren un cofactor adicional relacionado (la vitamina A), un compuesto llamado all-trans retinal [ácido retinóico] que absorbe los fotones. El riesgo de perder tiempo y dinero era demasiado grande.

Sin embargo, para el equipo de investigación de bioingeniería que se había reunido en la Universidad de Stanford, la motivación para mejorar nuestra comprensión del cerebro en estados de enfermedad psiquiátrica fue más que suficiente para justificar el riesgo extremado alto de fracaso. Como investigador principal de Stanford, a partir de 2004, formé un equipo que incluía a estudiantes de postgrado de extraordinario talento, Edward Boyden y Feng Zhang (ambos ahora profesores adjuntos en el Instituto de Tecnología de Massachusetts), para hacer frente a este desafío. Yo introduje la canalrodopsina-2 de las neuronas de mamíferos en la cultura de las bien establecidas técnicas de transfección, es decir, al ensamblar el gen de la ChR2 con un tipo específico de conector, o promotor, en un vector (como un virus benigno) que transportaba el agregado genético a las células. Los promotores pueden asegurar que sólo algunos tipos de neuronas se expresen (como las que secreta el neurotransmisor glutamato), o crear la codificación de las proteínas.

Contra todo pronóstico, los experimentos funcionaron increíblemente bien. Usando sólo pulsos de seguridad de luz visible alcanzamos un control fiable, de un milisegundo de precisión sobre los patrones celulares de activación de potenciales de acción, —el voltaje tensional, o los impulsos que permiten a una neurona transmitir información a otra. En agosto de 2005, mi equipo publicó el primer informe al introducir un gen de opsina microbiana, pudimos hacer que las neuronas respondieran de manera precisa a la luz. La channelrhodopsina (y a medida que se descubrían, la bacteriorodopsina de 1971 y la halorhodopsina, también), todas demostraron ser capaces de activarse y desactivarse con seguridad y eficacia en respuesta a la luz. Funcionaron en parte, porque los tejidos de mamíferos contienen de forma natural robustas cantidades de ácido retinóico, un cofactor químico esencial para que los fotones puedan activar las opsinas microbianas, de esta manera no era necesario, aparte del gen de la opsina, añadir nada más a las neuronas específicas. Los genes de opsina microbianos siempre han proporcionado de una amplitud estratégica para un solo componente.

Mejora de la naturaleza

El número de herramientas optogenéticas, junto con la diversidad de sus capacidades, se han expandido rápidamente desde entonces debido a la notable convergencia entre la ecología y la ingeniería. Los investigadores están añadiendo nuevas opsinas a sus juegos de herramientas rebuscando en el mundo natural las novedades, a su vez que están aplicando la ingeniería molecular para ajustar la opsinas conocidas para que sean aún más útiles para diversos experimentos en una amplia gama de organismos.

                 
En 2008, por ejemplo, las búsquedas de genoma, dirigidas por Feng Zhang, en una especie de algas diferentes, la Volvox carteri, revelaron una tercera canalrodopsina (VChR1), que responde a la luz amarilla en lugar de la azul, como ya demostramos junto con Peter Hegemann. Usando jujntas la VChR1 y la canalrodopsina, pudimos simultanear el control de poblaciones mixtas de células, con la luz amarilla ejercíamos un tipo de control sobre algunas de ellas y con la luz azul enviábamos un comando distinto a las demás. Y actualmente hemos encontrado que la canalrodopsina más potente de todas es en realidad un híbrido de la VChR1 y ChR1 (sin necesitar para nada la ChR2). Las otras opsinas modificadas (creadas con Ofer Yizhar, Lief Fenno, Lisa Gunaydin y Hegemann y sus estudiantes) incluyen ahora mutantes canalrodopsinas "rápidas" y "lentas" que ofrecen un control exquisito sobre el momento y la duración de los potenciales de acción: la primera puede conducir a un potencial de acción mayor de 200 veces por segundo, mientras que con las segundas se pueden llevar a las células a estados de reposo o excitación estables con pulsos de luz única. Nuestras últimas opsinas también pueden responder ahora a la luz de un color rojo oscuro que raya en el infrarrojo, el cual se mantiene enfocado con más agudeza, penetra en los tejidos con mayor facilidad y es mejor tolerado por los sujetos. Muchos grupos están ahora avanzando la ingeniería de opsinas, incluyendo las de Hiromu Yawo en Japón, Ernst Bamberg en Frankfurt y Roger Tsien en San Diego.
                 
Se están descubriendo muchos genes opsina naturales, en varios genomas no animales que codifican proteínas que las células de mamíferos no hacen bien. Pero Viviana Gradinaru, de mi grupo, ha desarrollado una serie de estrategias de proósito general para mejorar su entrega y la expresión. Por ejemplo, en las piezas de "tráfico" de ADN puede conllevar los genes opsina para que actúen como "códigos postales", y así garantizar que los genes son transportados a los compartimientos apropiados dentro de las células de los mamíferos y que sean traducidos correctamente en proteínas funcionales. Este enfoque generalizable ha servido para desbloquear el amplio repertorio ecológico de genes opsina microbianos.
                 
La ingeniería molecular también está extendiendo el control optogenético más allá de los comportamientos eléctricos de las células, hacia eventos bioquímicos bien definidos. Una gran parte de todos los medicamentos aprobados por acto médico corresponde a la familia de proteínas de membrana, llamadas receptores acoplados de proteínas G. Estas proteínas sienten las señales químicas extracelulares, como la adrenalina, y responden al cambio de los niveles de señales bioquímicas intracelulares, como los iones de calcio, y por lo tanto, a la actividad de las células. Al añadir el dominio sensible a la luz, de una molécula de rodopsina a los receptores acoplados de proteínas G, Raag Airan y otros, a principios de 2009 en mi laboratorio, publicaron una conjunto de receptores llamados optoXRs que responden rápidamente a la luz verde. Cuando se utilizan virus para insertar los genes optoXR de un solo componente, dentro del cerebro de los roedores del laboratorio, se define primero un control óptico rápido sobre un tipo de célula específica que habilita rutas bioquímicas determinadas, trabajando incluso en los mamíferos que se mueven libremente. El control óptico sobre eventos bioquímicos definidos se está estudiando ahora también en muchos laboratorios, y abre las puertas a la optogenética en cada célula y tejido biológico.
                 
Con las herramientas de fibra óptica que hemos desarrollado y publicado en 2006 y 2007, los investigadores pueden ahora enviar la luz para el control optogenético a cualquier área del cerebro, ya sea superficial o profunda, en mamíferos en pleno movimiento. Y para permitir lecturas simultáneas de las señales eléctricas dinámicas producidas por el control optogenétco, también hemos publicado instrumentos a escala de milisegundos que son híbridos integrados de fibra óptica y electrodos ("optrodes"). Entre la estimulación óptica y registro eléctrico surgió una gran sinergia de búsqueda, ya que ambos se pueden configurar para que no interfieran entre sí. Ahora podemos, por ejemplo, observar directamente la cambiante actividad eléctrica en los circuitos neuronales implicados en el control motor, al mismo tiempo que estamos controlando ópticamente dichos circuitos con opsinas microbianas. Cuanto más rica y compleja sean nuestras entradas optogenéticas y nuestras medidas eléctricas de salida, de los circuitos neuronales, tanto más poderosas son nuestras inferencias de cálculo e información del papel de los circuitos neuronales y de cómo transformar nuestras señales.



  • - Referencia: ScientificAmerican.com, por Karl Deisseroth, 20 de octubre 2010
  • - El autor: Karl Deisseroth es miembro de las facultades de bioingeniería y psiquiatría de la Universidad de Stanford. Ha sido laureado con el Premio Internacional Nakasone 2010 por su desarrollo de las opsinas microbianas y de la optogenética.

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Editor del blog Pedro Donaire

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