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Fibao Una perspectiva molecular en medicina
TECNICAS
Optogenética
Diagnóstico
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Fecha de Publicación: 24-1-2011 Última actualización : 24-1-2011
Resumen
La optogenética es un conjunto de tecnologías que permite el control rápido y dirigido de eventos específicos en sistemas biológicos tanto simples (células) como complejos (tejidos e incluso animales de experimentación vivos y libres de moverse). La razón de este control tan rápido y preciso reside en el uso de la luz como agente inductor, generando una velocidad de respuesta del orden de milisegundos y una precisión que puede restringirse a células aisladas. Por esta razón, la optogenética está abriendo nuevos horizontes de aplicación en medicina.
Concepto
Descripción animada del funcionamiento de las opsinas.

La aproximación optogenética se basa en la introducción en las células de genes exógenos que codifican proteínas sensibles a la luz, las cuales sirven para modificar el comportamiento celular mediante la luz. Por lo tanto, la tecnología optogenética abarca el desarrollo de esas proteínas sensibles a la luz (las herramientas básicas del sistema), la puesta a punto de estrategias para introducir los genes en las células o tejidos diana y la generación de sistemas de lectura capaces de analizar los cambios de comportamiento que se produzcan en la célula, tejido o animal de que se trate.

 
Las proteínas sensibles a la luz existen de forma natural, aunque pueden conseguirse también mediante modificaciones químicas que las hacen fotosensibles.  La aproximación química se basa en el uso de “ligandos enjaulados”, que se activan al ser estimulados con luz y posteriormente se unen a receptores exógenos genéticamente introducidos en las células. Estos ligandos pueden ser también anclados a los propios receptores utilizando un compuesto sensible a la luz que actúa como interruptor óptico. En ambos casos, el ligando debe ser suministrado a las células o tejidos para que éstos puedan responder a la luz.


En contraste, las opsinas son proteínas naturales sensibles a  la luz, normalmente integradas en la membrana celular y que tienen un cromóforo unido covalentemente. En su acepción más general, un cromóforo es cualquier molécula o parte de una molécula responsable del color de la misma. Cuando una molécula es capaz de absorber ciertas longitudes de onda de luz visible y transmitirla o reflejarla a otras diferentes, produce color. Los cromóforos pueden hacer esto porque algunos de sus átomos tienen electrones que pueden “saltar” de unos orbitales a otros desprendiendo energía cuando son excitados. En las opsinas, este cromóforo es el retinal, el cual isomeriza (es decir, cambia de isómero, por ejemplo, pasando de una configuración cis a otra trans) cuando es excitado por la luz, produciendo la activación de la proteína a la cual está unido covalentemente.


Los mamíferos disponemos de opsinas en nuestra retina, que son las responsables de que podamos percibir la luz y el color. Pero lo que realmente ha logrado el avance de la optogenética es la adaptación de las opsinas procedentes de microorganismos para su utilización como interruptores celulares. Estas opsinas combinan un dominio sensible a la luz y un canal iónico en la misma proteína.
Las opsinas microbianas fueron utilizadas por primera vez por neurocientíficos para modular la señalización neuronal utilizando luz. En las neuronas, la despolarización de la membrana produce la activación transitoria de señales eléctricas que son la base de la comunicación neuronal. Ahora bien, al ser canales iónicos, las opsinas son estupendas candidatas para modular el potencial de membrana y para inducir estas despolarizaciones. El primero de estos interruptores neuronales fue la canalrodopsina-2 (ChR2, del inglés channelrhodopsin-2). Esta opsina es un canal catiónico que tras expresarlo en neuronas fue capaz de despolarizar la membrana de ésta al ser activado mediante luz azul. Tras este primer experimento, se han ido desarrollando variantes de esta opsina y caracterizando otras. Por ejemplo,  la bacteriorodopsina, y la halorodopsina han mostrado su capacidad para activar o desactivar neuronas de forma rápida y segura, en respuesta a luz de diferentes colores. La caja de herramientas optogenéticas está rápidamente expandiéndose a medida que avanza la búsqueda de otras opsinas en otros nichos ecológicos. También se trabaja en el rediseño de las ya existentes. Pero lo más interesante es que estas herramientas pueden usarse en combinación, logrando un control multimodal de la actividad neuronal. Además, la optogenética comienza a extenderse a otros tejidos fuera del neuronal, como lo demuestra la descripción reciente del uso de ChR2 para controlar la contracción de células cardíacas de ratón.


¿Cómo puede una opsina microbiana funcionar en un tejido o una célula de mamífero sin necesidad de otros factores? La respuesta está en el retinal. Lo interesante del retinal es que se encuentra en la mayoría de las células de los vertebrados en cantidades suficientes. De hecho, es una de las formas de la vitamina A. Esto permite que las opsinas introducidas de manera exógena puedan incorporarlo de forma natural durante su síntesis, con lo que tenemos un sistema optogenético tremendamente sencillo que sólo requiere un componente molecular. Esto ha permitido a los científicos llegar más lejos en este control neurológico. Esta disponibilidad del retinal ha dado lugar a elegantes e impresionantes experimentos de control neuronal mediado por luz en tejido cerebral intacto e incluso en ratones vivos.


Las opsinas no son las únicas proteínas susceptibles de utilizarse en optogenética. La idea siempre se basa en fusionar dominios que absorben luz a dominios efectores. De esta forma, pueden crearse variantes sensibles a la luz de proteínas efectoras mediante la fusión de otras proteínas fotosensibles como los fitocromos y los criptocromos de las plantas, o el fotorreceptor PhyB.


La optogenética y la medicina


El cerebro de los mamíferos y más concretamente el humano, no tiene comparación en cuanto a complejidad. Es un sistema intrincado  de billones de neuronas que se conectan e interrelacionan a velocidades enormes y con una apabullante precisión. La neurociencia ha chocado tradicionalmente contra esa complejidad que impide saber cómo funciona realmente el cerebro y por lo tanto, no permite conocer qué ocurre cuando falla y produce desórdenes como la depresión o la esquizofrenia.
El impacto de la optogenética en la salud humana no surge del uso directo de las opsinas en tejidos humanos, sino más bien en su uso como herramientas de investigación que permiten ahondar en la complejidad de las funciones de los tejidos. Al ser posible controlar la producción de opsinas en tipos celulares concretos (por ejemplo mediante promotores inducibles o específicos de tejido), el impacto de la optogenética comienza a ser visible en cuestiones relacionadas con diversas patologías.


La neurología y la neurofisiología son las grandes beneficiadas de esta tecnología hasta la fecha. Así, la optogenética ya ha ofrecido nuevas respuestas en la explicación de enfermedades neurológicas como la narcolepsia, la enfermedad de Parkinson o la esquizofrenia. Mediante la estimulación específica y controlada en el tiempo a nivel celular, sólo posible con esta tecnología, comenzamos a entender el modo en que determinadas neuronas pueden producir comportamientos complejos, abriendo las puertas de nuevos tratamientos.

 

Bibliografía