DEL TEXTO EN INGLÉS, HHMI ( Howard Hughes Medical Institute ) Bulletin Mayo 10, Volumen 23, N° 02; Pag 14, 15 y 48 Titulo Articulo Original : Ligth Moves ( La Luz mueve )a Luz se convierte en la Herramienta elegida por los investigadores que desean manipular de manera precisa las neuronas y otras células.
Hay una razón por la cual el neuro científico y bio ingeniero Karl Deisseroth muestra el mismo video en la mayoría de sus charlas. Los movimientos de un ratón de cola larga ofrecen una poderosa ilustración del poder de la luz para poder manipular células específicas.
Apenas visible en la visión panorámica del ratón, hay una fibra óptica que es alimentada a través del cráneo del animal, en la corteza motora derecha de su cerebro. Tan pronto como el ratón explora de manera casual a los alrededores del un contenedor blanco donde se encuentra, un brillo azul frío aparece en el punto de entrada de la fibra óptica. Al instante, el ratón comienza a girar hacia la izquierda alrededor del contenedor, de manera brusca y deliberadamente, llegando a pensarse que está recibiendo órdenes. Unos momentos después en el video, el destello azul desaparece. El ratón súbitamente para su marcha y revierte su paso cansino, quedando finalmente echado sobre sus extremidades posteriores leer masDeisseroth, un científico de HHMI, que a inicios de su carrera perteneció a la U. de Stanford, es parte de una comunidad creciente de de investigadores, que ocupan la genomática, la ing. Genética, la biología molecular, la microbiología, la bio física, bio ingeniería, y la óptica para desentrañar las complejidades de los circuitos cerebrales y para manipular células especificadas para la investigación ( tal como las células de la corteza motora implicadas en la marcha del ratón ) que les permitan acceder a diversos otros tipos de células.
“Pacientes con fibras ópticas insertadas dentro de sus cerebros no están considerados dentro de la agenda” – dice Deisseroth, un psiquiatra que vé pacientes una vez por semana. Pero el trabajo que él y otros han venido desarrollando, muy próximo al laboratorio podría llegar a revelarnos un relato pormenorizado a cerca de los cerebros saludables y los disfuncionales hasta el punto de mejorar los tratamientos aplicados a las personas. Las terapias actuales – medicamentos, electroshock, cirugía – a veces funcionan. Pero “estos tienen consecuencias desagradables y efectos secundarios”, afirma, porque estos tratamientos no son muy selectivos en relación a cuales células y tejidos pueden afectar. “Mis pacientes me han motivado a encontrar herramientas más elegantes que puedan hablar el lenguaje del cerebro”.
Edward Boyden, un antiguo post doc de Deisseroth que ahora maneja el grupo de neurobiología sintética del Instituto tecnológico de Massachusetts, ha tomado los primeros pasos en la dirección de aplicaciones humanas. En Abril del 2009, el y sus colegas publicaron un paper en la revista NERON, reportando el mismo tipo de protocolo subyacente a cómo podría funcionar la “marcha del ratón” ya mencionada, probada esta vez de forma aparentemente segura, en monos Macacos. Y en el 2008, él y 2 colegas dieron el punta pie inicial a la Eos Neuroscience de San Francisco, con la misión de – acorde a su web site – “desarrollar tratamientos para los desordenes crónicos neurológicos”.
Arreglar cerebros es toda una ambición para un campo que ha encaminado esta tecnología de punta desde aquella surgida a partir de trabajos con organismos unicelulares.
Prestado desde la naturaleza
Bacterias, hongos, plantas y otros organismos usan un repertorio de interruptores para responder a la luz. De manera amplia, las membranas de muchas de estas especies microbianas tienen compuertas activadas por la luz y dicho control es producido por paso ( el bombeo ) de sodio positivamente cargado, potasio, calcio e iones de hidrogeno o iones de cloro negativamente cargados.
Las compuertas activadas con la luz en estas membranas primitivas y las corrientes de empuje (flujos) son mecanismo que pueden ser transferidos a otras células del reino viviente, incluyendo células cerebrales y musculares de mamíferos, factibles de trabajar con técnicas de ingeniería genética. Una vez transferidos, estos módulos móviles llegarían a ser controlables con la luz. “si uno puede hacer eso” – dice el biólogo sintetista, e investigador del HHMI Wendell Lim de la universidad de San Francisco (UCSF) – “tu tienes una herramienta muy poderosa. Tú puedes usar la luz para perturbar sistemas y modificarlos. Nosotros podemos tener un tipo de control sistemático que no teníamos antes”.
La molécula activada por luz, hasta ahora más manejable es la Rodopsina – 2 (ChR2), la cual fue originalmente encontrada en el “punto sensitivo” a la luz del “ojo” del Chlamydomonas reinhardtii, un tipo de alga verde. In Chlamydomonas, a través de la exposición a la luz azul, el ChR2 abre y permite cargar iones positivamente cargados dentro de la célula. Esto gatilla una secuencia de cambios que ejerce una influencia sobre de la propulsión basada en los cilios y por tanto en este movimiento y en la conducta alimenticia. Cuando es transferida dentro de las neuronas el ChR2 se convierte en un gatillador activado por la luz que hace a las neuronas modificadas enciendan mas fácilmente. El grupo de Deisseroth ha usado neuronas motoras que han sido modificadas genéticamente para portar receptores de ChR2 para hacer que el ratón se mueva en respuesta a la luz.
Si el ChR2 es un activador azul, la Halorhodopsina (NpHR) es un silenciador amarillo. Este fue descubierto en la Natronobacterium pharadonis, una bacteria aislada desde un lago altamente alcalino y hipersalino en Egipto. En la bacteria, los canales de NpHR guiados por la luz, bombean iones de cloro dentro de la célula, un flujo que en última instancia ayuda a conducir la síntesis de ATP, el combustible bioquímico de la célula. Transferidas a las neuronas sin embargo, estos canales responden a la luz amarilla a través de la hiperpolarización de las células, silenciándolas de manera efectiva.
ChR2 y el NpHR constituye un dúo poderoso. Ello permite a los investigadores emparejar a las neuronas y otros tipos de células, incluyendo células musculares e incluso quizá células pancreáticas sintetizadoras de insulina y células inmunológicas (vea el extra de la web, “Ninguna neurona dejada sin sintonizar” www.hhmi.org/bulletin/may2010) con encendido y apagado de interruptores. Desde una tercera compuerta activada por la luz, la VChR1, el grupo de Deisseroth desarrollaron una herramienta que responde a la luz en el lado rojo del espectro óptico. VChR1, un canal de Rodopsina en el alga Volvox, es un elicitador celular del mismo tipo que el ChR2.
Para los neuro científicos como el investigador del HHMI, Scanziani, de la U. de California en San Diego, el real poder experimental de estos “interruptores” ( switches ) se vuelve claro cuando ellos son insertados dentro de tipos específicos de neuronas.
Para alcanzar esto, Scanziani añade los genes, digamos el ChR2o el NpHR, a tramos de ADN conocidos como "promotores de la selección celular" cada uno de los cuales se hace operativo en un solo tipo de neurona. Así, aunque el paso inserción de genes podría ocurrir en todos los tipos de neuronas, sólo uno de esos tipos realmente expresa los interruptores. Así, incluso pensando que el paso de los genes injertados podría ocurrir en todos los tipos de neuronas, sólo algunos de estos tipos realmente podrán expresar los interruptores de ChR2 o del NpHR.
“Esto te dá una inmensa susceptibilidad” dice Scanziani, quien usa la técnica para probar la función de células específicas en la corteza de los cerebros animales, en la región asociada con la sensación y el pensamiento. Por ejemplo en ratas y ratones, Scanziani estudia como imputs sensoriales, como el contraste entre diferentes elementos de la escena visual, son procesados por circuitos neuronales en la corteza visual. “Tu ahora puedes manipular un circuito y entender qué diablos este hace en el cerebro” – dice Scanziani.
El repertorio de módulos de interruptores controlados por la luz disponible por el trabajo de la opto genética esta incrementándose. “ Hay todo un home Depot de estos interruptores allá afuera” , dice Michael Ehlers investigador del HHMI, del centro médico de la Universidad de Duke, donde el estudia la estructura y dinámica de las sinapsis a través de las cuales las neuronas se comunican con las demás. Por su parte el grupo del Dr. Deisseroth continúa llenando las “estanterías” de esta ferretería, con muchos interruptores optogenéticos.
Su categoría mas reciente de interruptores (en inglés llamados switches), los optoXRs, permite a los investigadores modificar cómo las células responden a la luz, como si estas hubieran sido estimuladas por los neurotransmisores, como la adrenalina y la dopamina. Estos interruptores combinan el componente sensible a la luz de la Rodopsina con las partes internas del receptor acoplado de la proteina G. Esta es una extensa familia de recetores que gatillan respuestas sensoriales internas, desplegadas frente a estímulos sensoriales, hormonales, neuroquímicos y otros provenientes del exterior de la célula. Para los neurocientíficos, los optoXRs abren aproximaciones completamente nuevas para el estudio de enfermedades como el Alzaimer, el Parkinson, la esquizofrenia, las adicciones y otros problemas neurológicos severos – afirmó Deisseroth.
Boyden y sus colegas han introducido información en la ya creciente biblioteca de bases de datos genéticas para diversificar el set de herramientas optogenéticas. Es así como él y sus asociados desarrollaron Arch and Mac, dos bombas de protones conducidas por la luz ( la primera a partir de una bacteria, la segunda a partir de un hongo ) que silencia las células dentro de las cuales los investigadores las han insertado, cuando los interruptores han sido expuestos a la luz azul o amarilla, respectivamente. Los científicos ya publicaron los resultados iniciales de su trabajo en un paper de NATURE, en Enero 7 de 2010.
Células Esculpidas
Lim, de la UCSF, está aplicando metodología optogenética para iluminar las interacciones proteína – proteína, localizadas que subyacen a todo lo que va desde “prender y apagar” genes ( activar y des activar), hasta hacer que células evidencien mayor o menor sensibilidad a estímulos, o a remodelar citoesqueletos celulares, alterando la forma de estas o influenciando su movimiento.
El Phytochrome B, es un receptor sensible a la luz presente en la plata de la mostaza ( arabidopis thaliana ) en el cual Lim está trabajando, para desarrollarlo como una versátil herramienta molecular. En su rol normal, el Phytochrome permite responder frente a cambios de tonalidad. Por ej. cuando esta es bañada en luz roja, el Phytochrome lleva a cabo un cambio de forma que guia una alteración en la expresión de los genes de manera tal que causa el crecimiento de la planta entre medio de espacios soleados.
En una de las mas audaces muestras de control experimental, Lim y sus colegas combinaron el Phytochrome con un componente enzimático en un módulo, de manera tal que pueden usar la luz para activar la polimerización de la proteína Actina en una célula. Como resultado de esto se producen cambios localizados en la estructura del citoesqueleto , quien determina la forma de la célula. Usando óptica de precisión, los investigadores pueden inducir cambios de forma localizados con suficiente exactitud y fineza, tanto que Lim se refiere a este proceso como “esculpir las células”.
Lim imagina usar la luz para orquestar nuevas organizaciones celulares, tal vez incluso para fabricar componentes lógicos ( basados en el funcionamiento neuronal ) para ser usados en computadores biológicos o para ayudar a reconstruir tejido nervioso que haya sido dañado.
Para demostrar la utilidad de esta aproximación fina a la “escultura celular” , el grupo de investigadores encabezado por Lim, usa como dispositivo una micro red de espejos digitales (micromirror array) para proyectar esta diminuta película “el juego de la vida” dentro de células de mamíferos portadoras del modulo Phytochrome. Cada escena de la película exhibe un patrón compuesto por recuadros oscuros y recuadros luminosos. El patrón evoluciona de una manera sistemática cuadro a cuadro – los recuadros oscuros se convierten en luminosos y viceversa - acorde a una pauta matemática simple. A través de la proyección de estos patrones cambiantes de espacios oscuros y brillantes (pixeles) dentro de la célula, los investigadores inducen a la superficie de la célula a adoptar (embodied) los mismos patrones morfológicos.
En el paper publicado en Nature el 13 de Septiembre del 2009, Lim y varios colegas de la UCSF (todos pertenecientes al Cell Propulsion Lab) afirman que estarían en condiciones de vincular al interruptor del de luz del Phycrome con muchas otras vías de recepción de señales involucradas en el reclutamiento de agentes protéicos (proteíns players). Lim se refiere a este sistema como el “control remoto universal” ya que pueden determinar de manera experimental, cuando y donde una célula activa un una compuerta que sea de interés activar, y anuncia también el desarrollo de Kitt de herramientas factible de ir expandiendo con el tiempo. ( ver: “Beyond Light” en el boleín de Mayo, HHMI )
“Nosostros hemos aprendido a diseccionar sistemas biológicos de la manera que los ingenieros electrónicos diseccionan circuítos”, afirma Lim. Intervenciones precisas y elegantes en los circuitos neuronales, del tipo que los investigadores del área de la optogenética están explorando, establecen la posibilidad de que herramientas quirúrgicas, electrodos y la actual generación de fármacos lleguen a ser obsoletos.
ORIGINAL EN:
http://www.hhmi.org/catalog/main?action=product&itemId=352
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