Hoy en día, las proteínas que se pueden controlar con luz son una potente herramienta optogenética ampliamente utilizada en la investigación para activar y desactivar específicamente ciertas funciones en los organismos vivos.
Una familia de estas proteínas sensibles a la luz, denominadas genéricamente canalrodopsinas, han sido el principal motor para el desarrollo de la optogenética: cuando se exponen a la luz, estas proteínas abren un poro en la membrana celular a través del cual pueden fluir iones; así es como se pueden activar las células nerviosas.
Un equipo del Centro de Diagnóstico de Proteínas (PRODI) de la Ruhr-Universität Bochum ha utilizado la espectroscopia para descubrir un mecanismo funcional universal de canalrhodopsinas que determina su eficiencia como canal y, por lo tanto, como herramienta optogenética. Los hallazgos, publicados recientemente en la revista Communications Biology, abren por tanto un nuevo camino para la adaptación de herramientas optogenéticas más eficientes en el futuro.
Proteínas activadas por la luz para mejorar las herramientas optogenéticas
La optogenética es un campo de investigación relativamente nuevo y de rápido crecimiento que implementa células eucarióticas modificadas genéticamente para provocar efectos fisiológicos desencadenados por la luz visible o ultravioleta. Los avances recientes demuestran el enorme potencial de la optogenética en diversas aplicaciones médicas, hablándose incluso del desarrollo de nuevos tratamientos que permitan curar la ceguera.
El descubrimiento inicial de canalrhodopsinas (ChR), así como su identificación como canales iónicos activados por la luz, representan el inicio de la optogenética. Desde entonces, numerosos parientes naturales y diseñados de estos canales se han utilizado como instrumentos fotobiológicos para controlar células activables por voltaje como las neuronas.
«La introducción de proteínas sensibles a la luz en los organismos para el control dirigido de ciertas funciones desde el exterior ofrece un enorme potencial para la investigación neurocientífica y su aplicación terapéutica», describre Klaus Gerwert, quién lideró la investigación. «Desafortunadamente, las propiedades de estas proteínas naturales, por ejemplo en las algas verdes, no siempre son óptimas para la aplicación optogenética relevante».
Por esta razón, las propiedades de las proteínas deben adaptarse cambiando sus secuencias genéticas. Actualmente, esto se hace en base a ensayo y error. «Para optimizar específicamente las proteínas para sus aplicaciones potenciales, es necesario un profundo conocimiento de las reacciones moleculares y la conducción iónica resultante», señala Klaus Gerwert.
En el estudio actual, los investigadores utilizaron espectroscopia infrarroja de transformación de Fourier y simulaciones biomoleculares resueltas en el tiempo para explorar una rodopsina de canal diferente, llamada rodopsina-1 de canal aniónica. «Este canal apenas tiene pérdida de eficiencia después de una exposición prolongada y tampoco tiene una segunda vía paralela de cambio estructural», explica el Dr. Max-Aylmer Dreier, primer autor del estudio.
Utilizando estos métodos, Klaus Gerwert y su equipo descubrieron recientemente el mecanismo que hace que la proteína channelrhodopsina 2, que se utiliza ampliamente en la optogenética, pierda su eficiencia con el tiempo. Anteriormente, los investigadores habían asumido que la excitación de la luz estimulaba un cambio estructural específico en la proteína. Sin embargo, el grupo encontró que la exposición a la luz induce dos cambios estructurales diferentes: uno es la apertura deseada del canal, que es útil para la optogenética. El segundo proporciona solo una corriente iónica débil, pero gana la ventaja con una exposición más larga y suprime la apertura del canal, un inconveniente para la optogenética.
«Así hemos demostrado que dividirse en dos vías paralelas conduce a canales ineficientes. En canales eficientes no parece haber una segunda vía paralela», concluye Klaus Gerwert.
Los investigadores esperan en el futuro, utilizar la información sobre los mecanismos moleculares subyacentes de la eficiencia del canal para bloquear la segunda vía ineficiente mediante el diseño de proteínas específicas y, por lo tanto, diseñar herramientas optogenéticas mejoradas.
