La optogenética permite activar y desactivar células nerviosas específicas mediante 'interruptores de proteínas' sensibles a la luz especiales. Uno de los interruptores más importantes es Channelrodopsin 2, la primera 'proteína de interruptor de luz' que se ha expresado con éxito en las células nerviosasHoy en día se usa en laboratorios de todo el mundo, ya que ha desempeñado un papel clave en el lanzamiento del campo de la optogenética, una técnica indispensable en neurociencia. Channelrhodopsin 2 se usa en la investigación básica en los campos de la neurociencia, la fisiología muscular y la biología celular.los días de Jülich, Frankfurt, Grenoble y Moscú han descubierto la estructura de esta proteína sensible a la luz.
Con la optogenética, los investigadores pueden usar la luz para controlar la actividad de las neuronas con mayor precisión que nunca. La clave de esta técnica son las proteínas microbianas similares a la rodopsina. Cuando estas proteínas se insertan en la membrana de las células nerviosas, actúan comointerruptores sensibles a la luz, que activan las células transportando iones positivos hacia ellas. Si estos iones son transportados fuera de la célula por otra proteína rodopsina, la célula se desactiva. A qué color de luz reaccionan las proteínas y a qué partículas transportano fuera de la célula varía de molécula a molécula.
Esto permite a los investigadores encender y apagar las células nerviosas de forma remota utilizando pulsos de luz, lo que les permite estudiar cómo funcionan las células. De esta manera pueden estudiar las interacciones entre los circuitos neuronales en cultivos celulares y en animales vivos con mucha más precisión de lo que era posible anteriormente.Además, esto se puede utilizar para estudiar enfermedades neurodegenerativas con mucha más precisión y desarrollar posibles tratamientos.
De la estructura a la aplicación médica
Uno de los interruptores más importantes es Channelrhodopsin 2, que proviene de un alga de agua dulce unicelular. Hasta ahora, no se conocía la estructura de alta resolución y el mecanismo estructural de este canal iónico ". Queríamos determinar elestructura molecular para resolver los detalles de cómo funciona esta molécula. Este conocimiento podría permitir aplicaciones mejoradas, tal vez incluso aplicaciones médicas ", dice Ernst Bamberg del Instituto Max Planck de Biofísica en Frankfurt. La esperanza es que la investigación permita el desarrollo deHerramientas optogenéticas mejoradas para la investigación de enfermedades neurodegenerativas y musculares, como la degeneración macular relacionada con la edad o la pérdida auditiva, o para marcapasos estimulados por la luz para la sincronización del músculo cardíaco. "Ensayos clínicos iniciales con una terapia génica basada en Channelrhodopsin 2 para la macular relacionada con la edadla degeneración ya se ha realizado ", señala Bamberg.
El biólogo estructural Valentin Gordeliy, sus colegas en ICS-6 en Jülich e investigadores de Grenoble, Moscú y Frankfurt han logrado un progreso significativo en la respuesta a estas preguntas. "Hemos podido determinar la estructura de la canalrodopsina, estableciendo así la base molecularpara entender cómo funciona el interruptor en detalle ", dice Gordeliy.
canal de iones con tres puertas
El análisis muestra que la estructura central de la canalrodopsina consiste en cuatro cavidades separadas por tres constricciones flexibles que actúan como puertas. Altamente simplificado, funciona de la siguiente manera: cuando está oscuro, las puertas están cerradas; cuando los investigadores encienden la luz, todostres puertas se abren, permitiendo que los iones fluyan a través. Esto activa la célula nerviosa. Las moléculas de agua actúan como guardianes, formando una cadena de enlaces de hidrógeno de molécula de agua a molécula de agua. Cuando la canaldopsina se expone a la luz azul, el pigmento retiniano en el lado superiorde la proteína da la orden para que se abra la puerta. La cadena de moléculas de agua se rompe, haciendo que las tres puertas se abran y produciendo un poro que se extiende a través de la proteína.
"Nuestros resultados son un hito en la optogenética", dice Gordeliy, "ya que abren la posibilidad de construir nuevos canales con propiedades específicas". Según el director del Instituto, Dieter Willbold: "Estos resultados son un excelente ejemplo de los fuertes vínculos entrebiología estructural e investigación del cerebro. Es por eso que, además de nuestro enfoque en los trastornos neurodegenerativos, hemos buscado durante mucho tiempo la investigación en optogenética. Esta es un área que realmente muestra los beneficios de combinar los métodos y la experiencia en biología estructural del Instituto con la investigación en trastornos neurodegenerativos ytratos."
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Materiales proporcionado por Max-Planck-Gesellschaft . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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