Los científicos de Salk amplían el código genético de los mamíferos para controlar la actividad de las proteínas en las neuronas con luz

Los científicos de Salk amplían el código genético de los mamíferos para controlar la actividad de las proteínas en las neuronas con luz

Una nueva técnica permite a los investigadores activar proteínas en el cerebro encendiéndolas con una luz LED

LA JOLLA, CA—Con solo encender un interruptor de luz, los investigadores del Instituto Salk de Estudios Biológicos pueden cambiar la forma de una proteína en el cerebro de un ratón, activando la proteína en el momento preciso que desean. Esto permite a los científicos observar el efecto exacto de la activación de la proteína. El nuevo método, descrito en la edición del 16 de octubre de 2013 de la revista Neurona, se basa en aminoácidos especialmente diseñados, las moléculas que componen las proteínas, y la luz de un LED. Ahora que se ha demostrado que funciona, la técnica se puede adaptar para dar a los investigadores el control de una amplia variedad de otras proteínas en el cerebro para estudiar sus funciones.

"Lo que ahora podemos hacer no es solo controlar la actividad neuronal, sino controlar una proteína específica dentro de una neurona", dice el autor principal del estudio. lei wang, profesor asociado en Salk's Centro Jack H. Skirball de Biología Química y Proteómica y titular de la Cátedra de Desarrollo Frederick B. Rentschler.

Si un científico quiere saber qué conjunto de neuronas en el cerebro es responsable de una acción o comportamiento en particular, poder encender y apagar las neuronas a voluntad le da al investigador una forma específica de probar los efectos de las neuronas. Asimismo, si quieren conocer el papel de una determinada proteína dentro de las células, la capacidad de activar o inactivar la proteína de interés es clave para estudiar su biología.

De izquierda a derecha: el científico de Salk Lei Wang y el estudiante graduado Ji-Yong Kang.

Imagen: Cortesía del Instituto Salk de Estudios Biológicos

Durante la última década, los investigadores han desarrollado varias formas de activar o desactivar las neuronas utilizando la luz, como parte del floreciente campo de la llamada optogenética. En experimentos optogenéticos, los ratones son modificados genéticamente para tener un canal sensible a la luz de algas integrado en sus neuronas. Cuando se expone a la luz, el canal se abre o se cierra, cambiando el flujo de moléculas hacia la neurona y alterando su capacidad para pasar un mensaje electroquímico a través del cerebro. Usando tales enfoques optogenéticos, los científicos pueden elegir qué neuronas del cerebro quieren activar o desactivar en un momento dado y observar el cambio resultante en los ratones diseñados.

“No hay duda de que esta es una gran manera de controlar la actividad neuronal, tomando prestados canales o bombas que responden a la luz de otros organismos y colocándolos en las neuronas”, dice Wang. “Pero en lugar de poner a un extraño en las neuronas, queríamos controlar la actividad de las proteínas nativas de las neuronas”.

Para hacer que las proteínas respondan a la luz, el equipo de Wang aprovechó un aminoácido fotosensible, llamado Cmn, que tiene una gran estructura química. Cuando un pulso de luz brilla sobre la molécula, la voluminosa cadena lateral de Cmn se rompe, dejando cisteína, un aminoácido más pequeño. El grupo de Wang se dio cuenta de que si un solo Cmn se integraba en el lugar correcto en la estructura de una proteína, el cambio drástico en el tamaño del aminoácido podría activar o desactivar toda la proteína.

Para probar su idea, Wang y sus colegas diseñaron nuevas versiones de un canal de potasio en las neuronas, agregando Cmn a su secuencia.

"Básicamente, la idea era que cuando colocas este aminoácido en el poro del canal, la cadena lateral voluminosa bloquea por completo el paso de iones a través del canal", explica Ji-Yong Kang, un estudiante graduado que trabaja en el grupo de Wang, y primer autor del nuevo artículo. “Luego, cuando el enlace en el aminoácido se rompe en respuesta a la luz, el canal se abre”.

El método funcionó en células aisladas: después de prueba y error, los científicos encontraron el lugar ideal en el canal para poner Cmn, de modo que el canal estaba inicialmente bloqueado, pero se abrió cuando la luz lo incidió. Pudieron medir el cambio en las propiedades del canal al registrar la corriente eléctrica que fluía a través de las células antes y después de la exposición a la luz.

Pero para aplicar la técnica a ratones vivos, Wang y sus colegas necesitaban cambiar el código genético de los animales, las instrucciones integradas que usan las células para producir proteínas basadas en secuencias de genes. El código genético normal no contiene información sobre Cmn, por lo que simplemente inyectar aminoácidos de Cmn en ratones no conduciría a que las moléculas se integren en proteínas. En el pasado, el grupo de Wang y otros expandieron los códigos genéticos de células aisladas de organismos simples como bacterias o levaduras, insertando instrucciones para un nuevo aminoácido. Pero el enfoque nunca había tenido éxito en los mamíferos. Sin embargo, a través de una combinación de técnicas y nuevos trucos, el equipo de Wang pudo proporcionar a ratones embrionarios las instrucciones para el nuevo aminoácido, Cmn. Con la ayuda del profesor Salk dennis o'leary y su investigador asociado Daichi Kawaguchi, luego integraron el nuevo canal que contiene Cmn en los cerebros de los ratones en desarrollo y demostraron que al iluminar el tejido cerebral podían forzar la apertura del canal, alterando los patrones de actividad neuronal. No solo fue una novedad para expandir el código genético de los mamíferos, sino también para el control de proteínas.

En la superficie, el nuevo enfoque tiene el mismo resultado que los enfoques optogenéticos para estudiar el cerebro: las neuronas se silencian en un momento preciso en respuesta a la luz. Pero el método de Wang ahora se puede usar para estudiar un cuadro completo de diferentes proteínas en las neuronas. Además de usarse para abrir y cerrar canales o poros que permiten que los iones entren y salgan de las células cerebrales, Cmn podría usarse para regular ópticamente las modificaciones de proteínas y las interacciones proteína-proteína.

“Podemos identificar exactamente qué proteína, o incluso qué parte de una proteína, es crucial para el funcionamiento de las neuronas específicas”, dice Wang. "Si desea estudiar algo como el mecanismo de formación de la memoria, no siempre se trata solo de encontrar qué neuronas son responsables, sino qué moléculas dentro de esas neuronas son críticas".

A principios de este año, el presidente Obama anunció la inversión multimillonaria Investigación del Cerebro a través de la Iniciativa Avanzando en Neurotecnologías Innovadoras (BRAIN), un proyecto de diez años para mapear la actividad del cerebro humano. La creación de nuevas formas de estudiar las moléculas en el cerebro, como el uso de aminoácidos que responden a la luz para estudiar las proteínas neuronales, será clave para avanzar en esta iniciativa y esfuerzos similares para comprender el cerebro, dice Wang. Su laboratorio ahora está trabajando para desarrollar formas no solo de activar proteínas, sino también de inactivarlas utilizando aminoácidos sensibles a la luz y aplicando la técnica a proteínas distintas de Kir2.1.

Otros investigadores del estudio fueron Daichi Kawaguchi, Irene Coin, Zheng Xiang, Dennis DM O'Leary del Instituto Salk de Estudios Biológicos y Paul A. Slesinger de la Escuela de Medicina Mount Sinai.

El trabajo contó con el apoyo de Salk Innovation Grant, una beca Marie Curie de la Comisión Europea y subvenciones de la Instituto de California para la medicina regenerativa y del Institutos Nacionales de Salud de EE. UU..

Sobre el Instituto Salk de Estudios Biológicos:
El Instituto Salk de Estudios Biológicos es una de las instituciones de investigación básica más importantes del mundo, donde profesores de renombre internacional investigan cuestiones fundamentales de las ciencias de la vida en un entorno único, colaborativo y creativo. Centrados tanto en el descubrimiento como en la orientación de futuras generaciones de investigadores, los científicos de Salk realizan contribuciones innovadoras a nuestra comprensión del cáncer, el envejecimiento, el Alzheimer, la diabetes y las enfermedades infecciosas mediante el estudio de la neurociencia, la genética, la biología celular y vegetal y disciplinas relacionadas.

Los logros de la facultad han sido reconocidos con numerosos honores, incluidos premios Nobel y membresías en la Academia Nacional de Ciencias. Fundado en 1960 por el pionero de la vacuna contra la polio Jonas Salk, MD, el Instituto es una organización independiente sin fines de lucro y un hito arquitectónico.