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¿Cómo funciona la optogenética?

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Estoy al tanto de la publicación aquí 'Optogenética: ¿Cómo funcionan las opsinas microbianas?' sin embargo, es un poco demasiado técnico para mí. Estoy luchando por entender cómo las neuronas se pueden diseñar genéticamente para producir estas moléculas sensibles a la luz en optogenética, y cómo la ingeniería genética de las neuronas es incluso un método utilizable, considerando que parece que tendría que diseñar genéticamente las neuronas una por una. Así que supongo que mi pregunta es: en los ensayos realizados con optogenética hasta ahora (con ratones), ¿cómo hicieron las neuronas para responder al estímulo de luz?

Además, me preguntaba si el principio detrás de la optogenética, controlar las llamadas con luz, podría usarse para otros tratamientos, por ejemplo. para matar las células cancerosas?

Mi conocimiento de biología se limita a A-Level (último año de la escuela secundaria), sin embargo, realmente quiero comprender este tema a fondo, ¡así que las respuestas detalladas pero no demasiado técnicas serían muy apreciadas! ¡Gracias!

EDITAR: Solo quería agregar dos preguntas rápidas más ...

  1. ¿Están las moléculas sensibles a la luz (que ahora he leído son canalrodopsinas) presentes a lo largo del axolema, o solo la membrana del soma de la neurona? (¡Espero haber usado esos términos correctamente!)

  2. Wikipedia dice que estas canalrodopsinas no son específicas (con algunas excepciones: la mutación L132C (CatCh) aumenta la permeabilidad del calcio y genera corrientes muy grandes. [17] La ​​mutación de E90 en el aminoácido con carga positiva arginina convierte a la canalrodopsina de un canal catiónico inespecífico. en un canal de aniones. Esta canalrodopsina conductora de cloruro (ChloC) inhibe los picos neuronales cuando se ilumina con luz azul. [18]). Entonces, ¿cómo pueden funcionar estos canales, si algún catión puede difundirse de alguna manera a través del canal?


Respuesta corta
La optogenética se puede utilizar para hacer que las células respondan a la luz. Un uso sorprendente de esta tecnología es restaurar la visión en los ciegos haciendo que las neuronas supervivientes de la retina sean sensibles a la luz. Esto se puede hacer transfectando la retina con virus modificados genéticamente que inducen la expresión de bacterias. canalrodopsina proteínas en las neuronas de la retina.


Fondo

Explicaré la optogenética centrándome en una de las aplicaciones más llamativas: hacer ver a los ciegos. En los humanos, la luz es percibida por fotorreceptores en la retina (ver lectura adicional # 2). Los bastones infieren la visión en escala de grises (es decir, visión nocturna), mientras que los conos proporcionan visión del color cuando hay suficiente luz disponible. Los bastones y conos contienen proteínas sensibles a la luz: el fotopigmentos. El pigmento en los fotorreceptores de varillas se llama rodopsina, en los conos se les conoce como pigmentos de cono, que se utilizan para la visión del color. Cuando la luz incide en los bastones y los conos, los fotopigmentos captan la luz y activan una cascada de reacciones de segundos mensajeros, lo que finalmente provoca la hiperpolarización de la membrana. Esta hiperpolarización, a su vez, activa neuronas secundarias en la retina, que finalmente llevan la señal del receptor al cerebro, donde se procesa y se utiliza para generar una percepción visual.

Detección de luz en animales unicelulares y multicelulares está mediada por dos grandes familias de proteínas: la opsinas. Los genes de opsina se dividen en dos superfamilias distintas: opsinas microbianas (tipo I) y opsinas animales (tipo II). Los pigmentos de rohodpsina y conos que se encuentran en los seres humanos pertenecen al tipo II. Entre otras diferencias, las opsinas de tipo I están unidas a los canales iónicos, mientras que las de tipo II no. Por lo tanto, las opsinas de tipo II necesitan una batería de segundo mensajero moléculas para operar. Por el contrario, las opsinas de tipo I, al ser proteínas de canal, provocan directamente cambios intracelulares al cambiar el potencial de membrana tras la activación debido al flujo de iones. Las opsinas de tipo I, que son proteínas de canal, se denominan canalrodopsinas.

En enfermedades degenerativas de la retina como retinitis pigmentosa (RP) los fotorreceptores se degeneran y los pacientes eventualmente pierden la visión. Sin embargo, las neuronas secundarias de la retina sobreviven parcialmente. Como se explicó anteriormente, estas neuronas secundarias son responsables de procesar la señal del fotorreceptor y enviarla al nervio óptico. Por lo tanto, aunque los pacientes con RP pierden los fotorreceptores, ¡el resto de la vía visual está lista para moverse! Por lo tanto, de alguna manera estas neuronas deberían activarse. Hay una serie de enfoques para hacer precisamente esto. Los implantes de retina activan las neuronas directamente mediante activación eléctrica (consulte la lectura adicional # 3).

Optogenética (Fenno et al., 2013) es otro enfoque donde el secundario las neuronas supervivientes se vuelven fotosensibles, evitando así los fotorreceptores convirtiendo las neuronas secundarias en fotorreceptores. Las neuronas se vuelven fotosensibles haciéndolas expresar canalrodóspinas. Esto se hace inyectando un vector viral en el ojo de manera que el virus infecte las células de la retina. Sin embargo, en lugar de un virus viable, se modifica y lo único que hace el virus es incorporar la canalrodopsina en el genoma de las neuronas, que comienzan a expresarla.

Canalrodopsinas son canales de cationes y, por lo tanto, al activarse la luz, permiten que los iones cargados positivamente (en particular Na+, pero también Ca+) en la celda. Esta despolariza la neurona y puede inducir la activación del potencial de acción (ver lectura adicional # 1). Los potenciales de acción son la forma neuronal de transmitir señales al cerebro. Por lo tanto, al activar las neuronas secundarias a través de la transformación de canalrodopsina, comienzan a enviar actividad neuronal inducida por la luz al cerebro. El cerebro manejará esta entrada como si fuera evocada por fotorreceptores y, por lo tanto, la interpretará como estímulos visuales evocados por la luz.

Con respecto al cáncer: se ha demostrado que la expresión de canalrodopsina y la iluminación de ratones completos dieron como resultado una disminución del recuento de células cancerosas subcutáneas (yang et al., 2013).

Con respecto a su primera pregunta agregada: dependiendo de las secuencias reguladoras de péptidos exactas agregadas a la proteína, o mediante el uso de vectores virales que se dirigen específicamente a los axones, La expresión de canalrodopsinas puede ocurrir donde se desee..

Su segunda pregunta adicional: los canales catiónicos activan las neuronas, los canales aniónicos las inhiben. Esto significa que puede jugar con diferentes variantes para controlar las neuronas a voluntad.

Referencias
Fenno y col. Annu Rev Neurosci 2011;34:389-412
Yang y col. Enfermedad y muerte celular 2013;4: e893

Otras lecturas
1. Potenciales de acción y neuronas: cómo-el-cerebro-y-los-nervios-crean-pulsos-eléctricos
2. Fotorreceptores: paralelos-entre-imagen-pixelada-y-la-retina-humana
3. Retina e implantes de retina: ¿codifica-la-retina-información-visual-como-un-mapa-de-bits-o-un-svg


Adición a la respuesta anterior.

¿Cómo expresar canalrodopsinas en neuronas?

Aparte del método que implica la inyección viral directa, como se describe en la respuesta anterior, estas proteínas se pueden expresar en células específicas haciendo transgénicos (mediante el uso de promotores que expresarán el gen aguas abajo solo en células específicas).

¿Como funciona?

Cuando una neurona se vuelve sensible a la luz mediante la expresión ectópica de canal-rodopsinas, entonces se puede hacer que se "dispare" (genere potencial de acción) mediante una simple iluminación. Las fibras ópticas se utilizan para iluminar neuronas específicas en el cerebro. Vea la imagen a continuación:

¿Están las moléculas sensibles a la luz (que ahora he leído son canalrodopsinas) presentes a lo largo del axolema ...

Se expresarían en todas partes, pero su expresión en los axones puede estar limitada debido a la mielinización. Es posible hacer que ciertas proteínas se expresen en la región dendrítica. Esto requiere señales de localización llamadas códigos postales (este proceso aún no se comprende muy bien).

Entonces, ¿cómo pueden funcionar estos canales, si algún catión puede difundirse de alguna manera a través del canal?

Chr2 puede conducir Na+, Ca2+ y K+. Su conductividad para el sodio es mayor que la del potasio. Cuando los canales se abren, el mayor flujo de sodio hacia adentro desencadenaría el potencial de acción (AP). Además, el calcio también ayuda a fortalecer el PA. Aunque el canal puede conducir Li+, el ion no está presente en el líquido extracelular. Por lo general, no se utilizan los canales inespecíficos.

Además, me preguntaba si el principio detrás de la optogenética, controlar las llamadas con luz, podría usarse para otros tratamientos, por ejemplo. para matar las células cancerosas?

La luz (como láseres) se utiliza para matar las células cancerosas, pero no implica técnicas optogenéticas. Primero necesitaría modificar genéticamente la célula cancerosa.


Hoy en día, la optogenética es una tecnología ampliamente aceptada para sondear el funcionamiento interno del cerebro, pero hace una década era la fuente de cierta ansiedad para el entonces profesor asistente de bioingeniería Karl Deisseroth.

Deisseroth había invertido la mayor parte de los fondos que le habían dado para iniciar su laboratorio en Stanford en una idea loca: que con un poco de ayuda de las proteínas que se encuentran en la escoria de los estanques, podría encender y apagar las neuronas de los animales vivos, usando la luz. Si no funcionaba, se quedaría sin fondos sin una investigación publicada y probablemente estaría buscando un nuevo trabajo.

Afortunadamente, funcionó, y acaba de ganar a Deisseroth, ahora profesor D. H. Chen de bioingeniería y de psiquiatría y ciencias del comportamiento, el Premio Keio de Ciencias Médicas 2014. Miles de laboratorios de todo el mundo están utilizando la optogenética para comprender y desarrollar tratamientos para enfermedades del cerebro y afecciones de salud mental y para comprender mejor el complejo cableado de nuestro cerebro.

Deisseroth describió el primer paso de su éxito en un artículo fundamental en 2005, pero pasaron muchos años y muchos más artículos académicos antes de que pudiera respirar tranquilo. "Hubo un período de varios años en el que no todos los que probaron la optogenética consiguieron que funcionara", dijo Deisseroth. "Hubo algunas personas que se mostraron escépticas acerca de lo útil que sería, y con razón porque había una serie de problemas que aún teníamos que resolver".

Los científicos de todo el mundo ahora han utilizado la optogenética para investigar la adicción, la depresión, la enfermedad de Parkinson, el autismo, el dolor, los accidentes cerebrovasculares y una miríada de otras afecciones.

"La optogenética ha revolucionado la neurociencia", dice Rob Malenka, profesor de psiquiatría y ciencias del comportamiento. Malenka es ex asesora postdoctoral de Deisseroth y ahora es una colaboradora frecuente. "Ha permitido a los neurocientíficos manipular la actividad neuronal de una manera rigurosa y sofisticada y de una manera que era inimaginable hace 15-20 años".

Deisseroth agrega: "Pensé que funcionaría, pero no estaba seguro de que llegaría a este punto".

Karl tuvo la intuición de darse cuenta de lo importante que iba a ser esto. La idea había estado flotando, pero reconoció la importancia y la hizo funcionar.

& mdash Rob Malenka, profesor de psiquiatría y ciencias del comportamiento


Optogenética: un sistema de realidad virtual para controlar células vivas

Nuestros cerebros se comunican con señales eléctricas y químicas, pero los científicos han descubierto que la estimulación de la luz podría tener claves potenciales para manipular las vías de comunicación neuronal que influyen en el control motor, la percepción sensorial, la memoria, la producción neuroquímica y el estado de ánimo, o la realidad virtual celular, según un informe de el Journal of Cell Biology lo describe.

¿Quién está interesado en la optogenética?

Con el lanzamiento de la Iniciativa BRAIN de 300 millones de dólares de la Casa Blanca en 2013, el interés por descubrir los secretos del cerebro humano se ha acelerado y ahora incluye muchas agencias gubernamentales, asociaciones públicas / privadas y universidades.

Desde al menos 1971, la investigación optogenética ha madurado lo suficiente como para llamar la atención de organizaciones como los NIH, DARPA e IARPA, que están explorando el papel que pronto podrían desempeñar las células sensibles a la luz en los campos relacionados con la neurobiología, incluida la salud física y mental. , la interfaz hombre-máquina y el avance de la inteligencia artificial a través de la ingeniería cerebral inversa.

¿Cómo funciona la optogenética?

Los experimentos optogenéticos actuales se basan en la extracción de "opsinas" (proteínas sensibles a la luz) de plantas que pueden introducirse en mamíferos mediante métodos que incluyen inyección e infección a través de adenovirus.

Una vez administradas a un organismo, las opsinas se pueden expresar en las células de los ojos, el cerebro o la piel, lo que permite que su sensibilidad a la luz se active o silencie de forma remota con pulsos de luz cronometrados en diferentes longitudes de onda de color en todo el espectro de luz que pueden apuntar a múltiples sistemas corporales y causar una variedad de efectos biológicos.

Sin embargo, los investigadores han sugerido que la introducción de opsinas en un organismo puede no ser un requisito a largo plazo, ya que se buscan métodos para usar optogenética en células de mamíferos que responden naturalmente a la luz, como las de la retina humana.

Capacidades e intereses actuales

Como parte de la Iniciativa BRAIN, los científicos han estado trabajando en códigos de barras neuronales y completando un atlas cerebral detallado en línea para investigadores. Se espera que esto eventualmente proporcione un diagrama de circuito detallado de cada neurona y sinapsis en el cerebro, lo que permitiría identificar varios patrones neuronales para que puedan activarse para el efecto deseado.

Si se enfoca con la suficiente precisión con la luz adecuada, se cree que la optogenética podría usarse manipulando los circuitos neuronales involucrados con el dolor, el miedo, la recompensa, la vigilia y los comportamientos sociales. En un estudio de Yale, por ejemplo, se infectaron ratones con un virus que hizo que sus neuronas fueran sensibles a la luz azul. Luego, los científicos utilizaron esa vía de luz para activar el comportamiento depredador.

". Los investigadores utilizaron una pequeña fibra óptica para hacer brillar un láser azul en la amígdala. Esto llevó a los animales a tensar los músculos de la mandíbula y el cuello. 'No es solo fisiológico, es cazar, morder, soltar y comer. Esas son secuencias motoras que requieren mucha información '[dijo un neurocientífico del MIT] "

En 2015, la optogenética se combinó con CRISPR para desarrollar un conjunto de herramientas fotoactivables que permiten la edición del genoma de un organismo mediante el uso externo de la luz. Dichas herramientas pueden controlar la ubicación, el tiempo y la reversibilidad del proceso de edición del genoma, ya sea activando, reprimiendo o modificando un gen.

La optogenética también se menciona como una característica integral del programa Neural Engineering System Design (NESD) financiado por DARPA, un esfuerzo conjunto entre seis equipos que tienen como objetivo crear una interfaz neuronal implantable durante los próximos cuatro años que sea capaz de desarrollar procesos cerebrales de alta resolución. comunicación a máquina. Tales avances, por ejemplo, podrían facilitar el desarrollo de prótesis controladas por la mente con sensación táctil como el brazo 'Luke' respaldado por DARPA (anteriormente conocido como el brazo 'Deka').

Una interfaz desarrollada por NESD para monitorear y estimular neuronas junto con el brazo 'Luke'.

En el pasado, DARPA ha buscado técnicas de manipulación de la memoria optogenética para tratar a los veteranos con lesiones cerebrales traumáticas y / o PTSD a través de la restauración o eliminación de la memoria.

Más recientemente, durante una conferencia de salud mental en noviembre de 2017 con 30,000 asistentes en Washington D.C., se destacó la optogenética por el impacto que está teniendo en la capacidad de estudiar el cerebro. Según el corresponsal de ciencia de NPR, Jon Hamilton, la tecnología ha permitido que aspectos de los trastornos de salud mental humana se reproduzcan en animales, ayudando a mapear los circuitos neuronales involucrados con problemas como la depresión.

Ensayo clínico y tecnologías futuras

Las empresas interesadas en la aplicación de tecnologías optogenéticas han comenzado a surgir durante la última década, particularmente desde que la FDA aprobó la tecnología en 2015 para su uso en el tratamiento de un trastorno ocular conocido como "retinitis pigmentosa".

La aprobación impulsó un ensayo clínico y desde entonces se han utilizado desarrollos optogenéticos para restaurar la visión parcial en pacientes que fueron descritos como "profundamente ciegos". El manejo del dolor crónico, la epilepsia y el Parkinson se encuentran entre los muchos problemas de salud que los investigadores están experimentando para abordar a través de la optogenética.

La tecnología también está contribuyendo a otras áreas de investigación como la "ecogenética", que utiliza ultrasonidos de baja presión para activar neuronas sensibilizadas ultrasónicamente. Esta es otra área de interés para DARPA, que ha financiado el esfuerzo de la Universidad de Columbia para estimular las neuronas mediante ultrasonido y cree que eventualmente podría conducir a una versión magnética de la tecnología llamada "magnetogenética".

Para investigar el uso terapéutico de la optogenética, la acústica y los campos electromagnéticos, DARPA lanzó el programa ElectRX (Prescripción eléctrica) en 2015, que es capaz de estimular, modular y monitorear el sistema nervioso periférico del cuerpo. La agencia de investigación también está explorando cómo la inteligencia artificial podría usarse en implantes cerebrales de circuito cerrado, como la capacidad de detectar patrones asociados con trastornos del estado de ánimo.

Con suficiente progreso, se cree que la optogenética y sus cuerpos de investigación circundantes pueden abrir la puerta a tecnologías de biofeedback y mapeo cerebral en tiempo real, que podrían usarse para tratar todo tipo de dolencias sobre la marcha a través de señales de neuromodulación de circuito cerrado que llegan y de un dispositivo implantado, eliminando en última instancia la necesidad de productos farmacéuticos.


El control de las células nerviosas con luz abrió nuevas formas de estudiar el cerebro

La optogenética convierte las células nerviosas en marionetas controladas por la luz.

SEBASTIAN KAULITZKI / Science Photo Library / Getty Images, adaptado por E. Otwell

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En realidad, algunos grandes descubrimientos científicos no se descubren. Están prestados. Eso es lo que sucedió cuando los científicos reclutaron proteínas de un prestamista poco probable: las algas verdes.

Células de la especie de algas Chlamydomonas reinhardtii están decoradas con proteínas que pueden percibir la luz. Esa capacidad, que se advirtió por primera vez en 2002, rápidamente llamó la atención de los científicos del cerebro. Una proteína sensible a la luz prometía el poder de controlar las neuronas, las células nerviosas del cerebro, al proporcionar una forma de encenderlas y apagarlas, exactamente en el lugar y en el momento adecuados.

Las células nerviosas diseñadas genéticamente para producir las proteínas de las algas se convierten en marionetas controladas por la luz. Un destello de luz podría inducir a una neurona silenciosa a disparar señales o forzar a una neurona activa a quedarse en silencio.

"Esta molécula es el sensor de luz que necesitábamos", dice el neurocientífico de la visión Zhuo-Hua Pan, que había estado buscando una forma de controlar las células de la visión en las retinas de los ratones.

El método habilitado por estas proteínas prestadas ahora se llama optogenética, por su combinación de luz (opto) y genes. En menos de dos décadas, la optogenética ha dado lugar a grandes conocimientos sobre cómo se almacenan los recuerdos, qué crea percepciones y qué sale mal en el cerebro durante la depresión y la adicción.

Para celebrar nuestro próximo centenario, estamos lanzando una serie que destaca algunos de los mayores avances científicos durante el último siglo. Para obtener más información sobre el pasado, el presente y el futuro de la neurociencia, visite Century of Science: Our brains, our futures.

Usando la luz para impulsar la actividad de ciertas células nerviosas, los científicos han jugado con las alucinaciones de los ratones: los ratones han visto líneas que no están allí y han recordado una habitación en la que nunca habían estado. Los científicos han utilizado la optogenética para hacer que los ratones peleen, se apareen y coman, e incluso para que los ratones ciegos puedan ver. En una gran primicia, la optogenética recientemente restauró aspectos de la visión de un ciego.

Una pista temprana sobre el potencial de la optogenética llegó alrededor de la 1 am del 4 de agosto de 2004. El neurocientífico Ed Boyden estaba en un laboratorio en Stanford, revisando un plato de neuronas que poseían un gen para uno de los sensores de luz de las algas, llamado canalrodopsina-2. . Boyden iba a iluminar las celdas con luz azul y ver si disparaban señales. Para su asombro, la primera celda que revisó respondió a la luz con un estallido de acción, escribió Boyden en una cuenta de 2011. Las posibilidades planteadas por esa pequeña chispa de actividad, descritas en un informe técnico de 2005 de Boyden, Karl Deisseroth de la Universidad de Stanford y sus colegas, se convirtieron rápidamente en realidad.

En el laboratorio de Pan, las proteínas sensibles a la luz restauraron la visión en ratones con retinas dañadas, un hallazgo que ahora ha llevado a un ensayo clínico en personas. La promesa de la optogenética no era un hecho en esos primeros días, ya que los científicos estaban aprendiendo por primera vez cómo usar estas proteínas en las neuronas. “En ese momento, nadie anticipó que este trabajo optogenético tendría un impacto tan grande”, dice Pan.

Desde esos primeros descubrimientos, los sensores de luz de las algas se han adoptado para su uso en numerosos campos de investigación del cerebro. La neurocientífica Talia Lerner de la Universidad Northwestern en Chicago, por ejemplo, usa la optogenética para estudiar las conexiones entre las células del cerebro del ratón. El método le permite separar las relaciones entre las células que producen y responden a la dopamina, un mensajero químico involucrado en el movimiento y la recompensa. Esos enlaces celulares, iluminados por la optogenética, podrían ayudar a revelar detalles sobre la motivación y el aprendizaje. "Mi investigación realmente no sería posible en su forma actual sin la optogenética", dice.

La optogenética también es indispensable para Jeanne Paz de los Institutos Gladstone en San Francisco. Ella y sus colegas han estado buscando las células que puedan evitar que las convulsiones se propaguen por el cerebro. Al darle una forma de controlar distintos grupos de neuronas, la optogenética es crucial para su búsqueda. “Realmente no podríamos hacer estas preguntas con ninguna otra herramienta”, dice Paz.

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Su búsqueda asistida por optogenética llevó a Paz a una estructura cerebral llamada tálamo, una estación de paso para muchas redes neuronales del cerebro. “Recuerdo la piel de gallina que experimenté la primera vez que encendí la luz en el tálamo y detuvo la convulsión”, dice ella.

Hasta ahora, la investigación en optogenética se ha llevado a cabo principalmente en ratones. Pero pronto se podrán encontrar conocimientos sobre cerebros más complejos, incluidos los de primates, dice Yasmine El-Shamayleh de la Universidad de Columbia. En 2009, Boyden y sus colegas describieron la optogenética en un macaco. El-Shamayleh y otros están impulsando esta línea de investigación con fuerza. "Definitivamente estamos en la cúspide" de revelar algunos principios fascinantes del cerebro de los primates, como cómo el cerebro transforma las señales de los ojos en percepciones, dice.

La optogenética ha evolucionado rápidamente. Los científicos han diseñado y optimizado nuevos sensores de luz y nuevas formas de combinarlos con otras técnicas. Una razón importante de la innovación generalizada de hoy, dice Lerner, fue el espíritu temprano de compartir de los pioneros de la optogenética. En Stanford, Deisseroth organizaba regularmente talleres para capacitar a otros científicos en la técnica. "De alguna manera, eso es tan importante como inventarlo", dice Lerner.

Por lo tanto, vale la pena tomarse un minuto para apreciar a los participantes originales. No importa lo que suceda a continuación en este campo en rápido movimiento, una cosa es segura: los científicos del cerebro estarán para siempre en deuda con las algas.


Optogenética: un sensor de luz novedoso construido a partir de enzimas de algas

La luz violeta activa una cadena de señalización en el interruptor de proteína del sensor de luz: Cyclop, la luz azul o verde detiene la cadena. Al final, la producción de la molécula de señalización cGMP está regulada por la enzima guanilil ciclasa (GC). Crédito: Shiqiang Gao / Universidad de Würzburg

El alga verde unicelular Chlamydomonas reinhardtii ya ha dado un impulso masivo a la investigación: uno de sus sensores de luz, la canalrodopsina-2, fundó el éxito de la optogenética hace unos 20 años.

En esta tecnología, el sensor de luz del alga se incorpora a células o pequeños organismos vivos como las lombrices intestinales. Posteriormente, la luz puede desencadenar o detener ciertos procesos fisiológicos. Esto ya ha dado lugar a varios descubrimientos científicos nuevos, por ejemplo, sobre la función de las células nerviosas.

Ahora el alga verde Chlamydomonas vuelve a marcar el acento. Una vez más, son sus sensores de luz, las rodopsinas, los que han agregado un instrumento a la caja de herramientas de la biología celular.

El sensor de luz produce el mensajero cGMP

Los investigadores Yuehui Tian, ​​Georg Nagel y Shiqiang Gao de Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg en Baviera, Alemania, han construido un sensor de luz novedoso a partir de dos de las rodopsinas de las algas. Tiene actividad enzimática y se puede cambiar por dos colores de luz diferentes. La luz ultravioleta o violeta conduce a la producción de cGMP, una importante molécula de señalización en la célula. Un destello de luz azul o verde, por otro lado, detiene la producción de la molécula de señalización.

Los investigadores presentan el nuevo sensor de luz en la revista Biología BMC. Le han dado el nombre de switch-Cyclop.

El grupo de investigación de Nagel en el Instituto de Fisiología JMU continúa caracterizando las propiedades de las diversas rodopsinas de Chlamydomonas. El equipo del profesor está cooperando estrechamente con neurocientíficos. El objetivo es explorar las posibles aplicaciones de los sensores de luz.


La promesa de la optogenética en biología celular: interrogando circuitos moleculares en el espacio y el tiempo

Los módulos optogenéticos ofrecen a los biólogos celulares nuevas formas sin precedentes de pinchar y pinchar células. La combinación de estas herramientas perturbativas de precisión con herramientas de observación, como las proteínas fluorescentes, puede acelerar drásticamente nuestra capacidad para comprender el funcionamiento interno de la célula.

La biología siempre ha sido principalmente una ciencia de observación, y en la era moderna, el desarrollo de proteínas fluorescentes codificadas genéticamente, como la GFP, nos ha brindado la capacidad sin precedentes de mirar dentro de la célula viva y observar su funcionamiento interno. Ahora podemos estudiar células individuales en cultivo o en el contexto de un organismo completo y observar directamente dónde se localizan las proteínas, su dinámica y su variabilidad en el nivel de expresión. Más que nunca, ahora apreciamos que la célula no es una bolsa de moléculas, sino una estructura anisotrópica con una organización espacial muy compleja. Podemos ver ejemplos de cómo esta organización cambia en procesos dinámicos, que van desde cambios en la forma de las células hasta la transducción de señales propagadas desde la membrana plasmática hasta el núcleo.


Resumen de la charla

La optogenética es una combinación de genética y óptica para lograr una ganancia o pérdida de función de eventos bioquímicos como los potenciales de acción en una neurona o tejido en particular. Los genes de opsina codifican proteínas que reciben luz y dan lugar al flujo de iones. Esta charla ofrece una introducción a la optogenética seguida de ejemplos de cómo se utiliza la optogenética para estudiar el cerebro.

Preguntas

  1. ¿Cuáles de las siguientes afirmaciones son verdaderas sobre las opsinas (seleccione todas las opciones que correspondan)?
    1. Activado por la luz
    2. Dar lugar al flujo de iones
    3. Activado por iones
    4. Puede inhibir las células
    1. Describe la longitud de onda de la luz necesaria para activar la opsina.
    2. Describe la constante de tiempo de desactivación de la opsina después de que se apaga la luz.
    3. Describe la constante de tiempo de activación de la opsina después de que se aplica la luz.
    4. Describe la cantidad de opsinas que se necesitan expresar en una célula para lograr la activación.

    Respuestas

    1. A, B, D
    2. La optogenética puede aumentar la precisión y la especificidad en la excitación y la inhibición. Se pueden enviar estas señales a una sola célula o tejido si se desea. La misma célula / tejido se puede encender y apagar y controlar temporalmente para controlar los eventos bioquímicos.
    3. B
    4. Dado que τ apagado es la constante de tiempo de desactivación de la opsina después de que se apaga la luz, un τ apagado prolongado significa que la celda permanecerá activada después de que se retire la luz. Esto es útil porque se pueden usar varios pulsos de luz de bajo nivel para activar o inhibir la opsina en lugar de un pulso de luz de mayor intensidad. La activación / inhibición puede ocurrir sin que se entregue luz continuamente y, por lo tanto, es menos invasiva porque la opsina permanecerá activada incluso cuando se retire la fuente de luz, ya que la activación es persistente. Estos canales se pueden apagar con un fotón de luz diferente (por ejemplo, encendido con luz azul, apagado con luz verde). Por último, se puede capturar la actividad nativa de la célula después de que se activa en lugar de prescribir un patrón de picos.

    Sobre mí

    La comunicación científica de Ravi Singhal es importante en la sociedad tecnológicamente avanzada de hoy. Una buena parte de la comunidad adulta no es conocedora de la ciencia y carece de los antecedentes para entender la tecnología que cambia rápidamente. Mi blog intenta ayudar publicando artículos de interés general en un formato fácil de leer y comprender sin utilizar las matemáticas. Puede contactarme en [email protected] Ver mi perfil completo

    Fotobiología sintética: ¿por qué utilizar la luz?

    En biología sintética y bioingeniería, los científicos buscan sondear directamente y construir nuevos sistemas. Tales objetivos requieren métodos para activar e inactivar directamente los procesos biológicos. Los efectores químicos son subóptimos por varias razones, incluida su potencial toxicidad y reactividad cruzada con otras vías. Dado que estos efectores son difusibles, tampoco son adecuados para estudios espacialmente limitados y pueden fluctuar con las condiciones de cultivo cambiantes.

    El uso de luz de baja intensidad resuelve cada uno de estos problemas. Se pueden diseñar herramientas económicas como los LED para proporcionar pulsos de luz precisos, consistentes y controlables. Se pueden utilizar patrones complicados de intensidad de luz y longitud de onda para estudiar procesos dinámicos. Por el contrario, también se pueden utilizar diversos patrones de entrada para diseñar nuevas vías con sofisticados controles de expresión génica. La mayoría de los tipos de células no responden a la luz de baja intensidad, por lo que los efectos fuera del objetivo deben ser limitados.

    Los fitocromos son sistemas sensibles a la luz que se encuentran en algunas bacterias, pero no E. coli . Caen bajo el título de sistemas de dos componentes (TCS). Los TCS consisten en una histidina quinasa que fosforila un regulador de respuesta (RR). Las respuestas inducidas por TCS son variadas, un resultado es la transcripción dirigida de un promotor dado.

    Para aprovechar el poder de la luz, el laboratorio de Christopher Voigt creó el primer E. coli sistema de dos componentes sensible a la luz (TCS). Levskaya y col. fusionó un dominio fotosensorial de cianobacterias a un común E. coli histidina quinasa. Esta construcción híbrida detecta la luz y un cromóforo obligado permite que el sistema responda a diversas entradas de luz. En condiciones de luz u oscuridad de color rojo lejano, el cromóforo activa el RR (OmpR) a través de la fosforilación, lo que promueve la transcripción (consulte la figura siguiente). La exposición posterior a la luz roja desactiva rápidamente el sistema. El laboratorio de Voigt utilizó este sistema para desarrollar una cámara bacteriana que imprime una imagen química, así como un método genético para el problema computacional de detección de bordes. Tabor y col. Posteriormente diseñó un segundo TCS fotosensible activado por luz verde. Estos dos sistemas se pueden coexpresar para un control sofisticado de la expresión génica.

    Un sistema de dos componentes sensible a la luz (TCS) de E. coli. Un fotosensor / histidina quinasa híbrido detecta varias entradas de luz y un cromóforo obligado permite que el sistema responda. En condiciones de luz u oscuridad de color rojo lejano, el cromóforo activa el regulador de respuesta a través de la fosforilación, promoviendo la transcripción de un reportero de GFP. La exposición posterior a la luz roja desactiva rápidamente el sistema.

    La versión 1 de este sistema sensible a la luz roja lejana / roja se distribuye en tres plásmidos, con el regulador de respuesta codificado en el genoma. Para hacer que el sistema sea menos voluminoso y más fácil de usar con otras cepas de E. coli, Schmidl y col. condensó el sistema en dos plásmidos optimizados.

    La utilidad de estos TCS se vio limitada por algunos factores. Estos voluminosos sistemas se distribuyeron en varios plásmidos, con un RR (ompR) codificado cromosómicamente. Las fugas también fueron un problema, pero persistió alguna actividad promotora en el estado inactivo. The dynamic range, defined as the difference between the lowest and highest level of “output” signal, was only about 10-fold, precluding the study of gene expression at very high or very low levels.

    Schmidl et al. chose to optimize these systems to make them more tunable and user-friendly. They experimented with the promoter strength of various components, removing inducible promoters that could crosstalk with other pathways. They also reduced system leakiness and increased dynamic range to around 100-fold. These improvements will allow researchers to better fine-tune the level of output gene expression based on the input light intensity. In addition to these improvements, the constructs have been greatly streamlined only two plasmids are required per system.


    Optogenetics: Illuminating Our Head Space

    The brain serves as a computer for the body: it regulates body functions and systems, sends signals, stores memories and learned behaviors, and adapts as new behaviors and concepts are learned. One of the most complex organs in the human body, the brain does all this through a dense network of several billion neurons that constantly interact with each other.

    Defined by their shape and the molecules they contain, neurons can be categorized into hundreds of different types. When some of these types are compromised, either by injury or chemical imbalance, some of the brain's specific computations can be thrown off. Neurological conditions such as Parkinson's and psychiatric disorders such as schizophrenia can be the result. These types of illnesses affect billions of people around the world and are some of the most problematic medical issues we face today.

    In order treat such disorders, scientists are trying to understand how the elements of a neural circuit work together. One method is to selectively stimulate the activity of specific neurons within the circuit, and observe the results of that stimulation on neural computation and behavior.

    Optogenetics, which combines optics, genetic engineering, and several other disciplines, is making this possible. In this method, specific neurons are genetically modified with light-sensitive proteins. Researchers can then use light to precisely stimulate and control those target cells. This control offers clinical benefits, especially in treating neurological disorders.


    Confocal analysis at 63x magnification, followed by the three-dimensional reconstruction of neuronal cell bodies and branches. Credit: Scripps Research

    Moving toward a light solution
    In 1979, British neuroscientist Francis Crick realized a way to address the problem of targeting individual neurons without affecting others nearby. By that time, scientists had long been able to stimulate neurons using electrical or magnetic interventions, but neither method could distinguish between individual types of neurons that might be sitting right next to each other. Certain microorganisms were known to possess proteins that responded to light, so Crick suggested that light might be the tool to control, turn on, or turn off individual neurons.

    This idea was pursued further in the 1980s when Peter Hegemann, a neuroscience professor at Humboldt University of Berlin, discovered that light-activated molecules in green algae and other simple organisms could sense light. Specifically, Hegemann and his colleagues found that channelrhodopsin molecules could be used to switch neurons on and off. Soon afterward, Gero Miesenböck, now director of the Centre for Neural Circuits and Behaviour at Oxford, tested the method on a fruit fly, showing for the first time that it was possible to control the brain using light, and offering a new way to illuminate the brain's function.

    In 2004, Karl Deisseroth, a professor of bioengineering and of psychiatry and behavioral sciences at Stanford School of Medicine, wanted to improve the lives of patients with psychiatric disorders. With grad students Feng Zhang &mdash who had a background in chemistry, molecular biology, and virology &mdash and Ed Boyden &mdash skilled in electrophysiology &mdash he conducted experiments showing the rhodopsin proteins first studied by Hegemann in single-cell organisms could be used to activate neurons. The team developed ways to both excite and inhibit neuron activity with light, and achieved the first single-cell-resolution-control of neuronal activity and behavior in living mammals using optogenetics.


    Optogenetics uses light to stimulate, inhibit, and control neuron activity in the brain. Image: Warren Alpert Foundation.

    Deisseroth is, in fact, credited with coining the phrase "optogenetics" in 2006. Between 2004 and 2009, his team at Stanford developed a series of tools that can activate or silence genetically specified neurons. These tools are optogenetic proteins encoded from natural species of algae, fungi, and archaebacteria. Like tiny, genetically encoded solar panels embedded in the membranes of neurons, the proteins respond to light by altering the voltage of the neuron. A neuron is itself an electrical device, so by using a virus to express the genes in neurons, the neuron can be activated or silenced by different colors of light.

    According to Deisseroth, the essence of optogenetics is that it uses light to make neurons active, and does this in the very language that the brain uses. While the language of the heart delivers a pump every second or so, the language of the brain uses more like a thousand words or syllables in a second. Light, of course, can operate at that speed.

    The light at the end of the synapse
    Since Deisseroth first published his team's work in 2005, optogenetics has been gaining worldwide attention. In 2010, Nature selected optogenetics as its "Method of the Year," and researchers working with in the discipline have garnered recognition with awards such as the Warren Alpert Prize the Berthold Leibinger Zukunftspreis and the Breakthrough Prize in Life Sciences.

    Today, researchers around the world are using optogenetics to define the deficits behind schizophrenia, autism, depression, addiction, Parkinson's disease and more, as well as determining the brain circuitry responsible for specific behaviors. Efforts are underway to refine optogenetic techniques, such as improving the light sensitivity of genetically modified proteins. Researchers are also finding ways of better light delivery to improve the accuracy and efficiency of optogenetic methods. These strategies include arrays of separately controllable LEDs that cover specific areas of the brain as well as infrared illumination systems that can penetrate dense brain tissue.

    "What optogenetics allows us to do is to put particular sensitizers &mdash antennas of a sort, for external sources of energy and information into specific kinds of neurons," Deisseroth explained in a 2016 video. "And then we can use light. In this case, if we make light-sensitive antennas or transducers, and make neurons of a particular kind respond to light, and we do that to allow different kinds of ions to flow into cells and turn neurons on or off depending on the experiment, well, that's the fundamental idea of optogenetics and it's something people have wanted to do for a very long time."


    Ver el vídeo: Qué es la Optogenética? (Agosto 2022).