Cientistas da Salk expandem o código genético de mamíferos para controlar a atividade de proteínas em neurônios com luz

Cientistas da Salk expandem o código genético de mamíferos para controlar a atividade de proteínas em neurônios com luz

Uma nova técnica permite que os pesquisadores ativem proteínas no cérebro, iluminando-as com uma luz LED

LA JOLLA, CA—Com o toque de um interruptor de luz, os pesquisadores do Salk Institute for Biological Studies podem mudar a forma de uma proteína no cérebro de um camundongo, ativando a proteína no momento preciso que desejam. Isso permite que os cientistas observem o efeito exato da ativação da proteína. O novo método, descrito na edição de 16 de outubro de 2013 da revista Neurônio, depende de aminoácidos especialmente projetados - as moléculas que compõem as proteínas - e da luz de um LED. Agora que foi demonstrado que funciona, a técnica pode ser adaptada para dar aos pesquisadores o controle de uma ampla variedade de outras proteínas no cérebro para estudar suas funções.

“O que agora somos capazes de fazer não é apenas controlar a atividade neuronal, mas controlar uma proteína específica dentro de um neurônio”, diz o autor sênior do estudo Lei Wang, professor associado da Salk's Centro Jack H. Skirball para Biologia Química e Proteômica e titular da Frederick B. Rentschler Developmental Chair.

Se um cientista quiser saber qual conjunto de neurônios no cérebro é responsável por uma determinada ação ou comportamento, ser capaz de ligar e desligar os neurônios à vontade dá ao pesquisador uma maneira direcionada de testar os efeitos dos neurônios. Da mesma forma, se quiserem saber o papel de uma determinada proteína dentro das células, a capacidade de ativar ou inativar a proteína de interesse é fundamental para estudar sua biologia.

Da esquerda para a direita: Salk cientista Lei Wang e estudante de pós-graduação Ji-Yong Kang.

Imagem: Cortesia do Salk Institute for Biological Studies

Na última década, os pesquisadores desenvolveram várias maneiras de ativar ou inativar neurônios usando luz, como parte do crescente campo da chamada optogenética. Em experimentos de optogenética, camundongos são geneticamente modificados para ter um canal sensível à luz de algas integrado em seus neurônios. Quando exposto à luz, o canal abre ou fecha, alterando o fluxo de moléculas no neurônio e alterando sua capacidade de passar uma mensagem eletroquímica pelo cérebro. Usando tais abordagens optogenéticas, os cientistas podem escolher quais neurônios no cérebro eles querem ligar ou desligar a qualquer momento e observar a mudança resultante nos camundongos modificados.

“Não há dúvida de que esta é uma ótima maneira de controlar a atividade neuronal, emprestando canais ou bombas responsivas à luz de outros organismos e colocando-os em neurônios”, diz Wang. “Mas, em vez de colocar um estranho nos neurônios, queríamos controlar a atividade das proteínas nativas dos neurônios”.

Para fazer as proteínas responderem à luz, a equipe de Wang aproveitou um aminoácido fotorresponsivo, chamado Cmn, que possui uma grande estrutura química. Quando um pulso de luz incide sobre a molécula, a volumosa cadeia lateral do Cmn se rompe, deixando a cisteína, um aminoácido menor. O grupo de Wang percebeu que se um único Cmn fosse integrado no lugar certo na estrutura de uma proteína, a mudança drástica no tamanho do aminoácido poderia ativar ou inativar toda a proteína.

Para testar sua ideia, Wang e seus colegas projetaram novas versões de um canal de potássio em neurônios, adicionando Cmn à sua sequência.

“Basicamente, a ideia era que, quando você coloca esse aminoácido no poro do canal, a volumosa cadeia lateral bloqueia totalmente a passagem de íons pelo canal”, explica Ji-Yong Kang, aluno de pós-graduação que trabalha no grupo de Wang, e primeiro autor do novo artigo. “Então, quando a ligação no aminoácido se rompe em resposta à luz, o canal é aberto.”

O método funcionava em células isoladas: após tentativa e erro, os cientistas encontraram o ponto ideal no canal para colocar o Cmn, de modo que o canal fosse inicialmente bloqueado, mas aberto quando a luz incidisse sobre ele. Eles foram capazes de medir a mudança nas propriedades do canal registrando a corrente elétrica que fluiu pelas células antes e depois da exposição à luz.

Mas para aplicar a técnica a camundongos vivos, Wang e seus colegas precisaram mudar o código genético dos animais – as instruções internas que as células usam para produzir proteínas baseadas em sequências genéticas. O código genético normal não contém informações sobre Cmn, portanto, simplesmente injetar aminoácidos Cmn em camundongos não levaria à integração das moléculas em proteínas. No passado, o grupo de Wang e outros expandiram os códigos genéticos de células isoladas de organismos simples como bactérias ou leveduras, inserindo instruções para um novo aminoácido. Mas a abordagem nunca foi bem-sucedida em mamíferos. Por meio de uma combinação de técnicas e novos truques, no entanto, a equipe de Wang conseguiu fornecer a camundongos embrionários as instruções para o novo aminoácido, o Cmn. Com a ajuda do professor Salk Dennis O'Leary e seu associado de pesquisa Daichi Kawaguchi, eles então integraram o novo canal contendo Cmn nos cérebros dos camundongos em desenvolvimento e mostraram que, ao iluminar o tecido cerebral, eles poderiam forçar a abertura do canal, alterando os padrões de atividade dos neurônios. Não foi apenas a primeira vez para expandir o código genético dos mamíferos, mas também para o controle de proteínas.

Na superfície, a nova abordagem tem o mesmo resultado que as abordagens optogenéticas para estudar o cérebro – os neurônios são silenciados em um momento preciso em resposta à luz. Mas o método de Wang agora pode ser usado para estudar todo um quadro de diferentes proteínas nos neurônios. Além de ser usado para abrir e fechar canais ou poros que permitem que os íons fluam para dentro e para fora das células cerebrais, o Cmn pode ser usado para regular opticamente modificações de proteínas e interações proteína-proteína.

“Podemos identificar exatamente qual proteína, ou mesmo qual parte de uma proteína, é crucial para o funcionamento dos neurônios-alvo”, diz Wang. “Se você deseja estudar algo como o mecanismo de formação da memória, nem sempre é apenas uma questão de descobrir quais neurônios são responsáveis, mas quais moléculas dentro desses neurônios são críticas”.

No início deste ano, o presidente Obama anunciou o multibilionário Pesquisa sobre o cérebro por meio do avanço da iniciativa de neurotecnologias inovadoras (BRAIN), um projeto de dez anos para mapear a atividade do cérebro humano. Criar novas maneiras de estudar as moléculas no cérebro, como usar aminoácidos responsivos à luz para estudar proteínas neuronais, será a chave para avançar nessa iniciativa e em esforços semelhantes para entender o cérebro, diz Wang. Seu laboratório agora está trabalhando para desenvolver maneiras não apenas de ativar proteínas, mas também de inativá-las usando aminoácidos sensíveis à luz e aplicando a técnica a outras proteínas além da Kir2.1.

Outros pesquisadores do estudo foram Daichi Kawaguchi, Irene Coin, Zheng Xiang, Dennis DM O'Leary, do Salk Institute for Biological Studies, e Paul A. Slesinger, da Mount Sinai School of Medicine.

O trabalho foi financiado com Salk Innovation Grant, Marie Curie Fellowship da Comissão Europeia e bolsas da Instituto de Medicina Regenerativa da Califórnia e Institutos Nacionais de Saúde dos EUA.

Sobre o Salk Institute for Biological Studies:
O Salk Institute for Biological Studies é uma das mais proeminentes instituições de pesquisa básica do mundo, onde professores de renome internacional investigam questões fundamentais das ciências da vida em um ambiente único, colaborativo e criativo. Com foco na descoberta e na orientação de futuras gerações de pesquisadores, os cientistas da Salk fazem contribuições inovadoras para nossa compreensão do câncer, envelhecimento, Alzheimer, diabetes e doenças infecciosas, estudando neurociência, genética, biologia celular e vegetal e disciplinas relacionadas.

As realizações do corpo docente foram reconhecidas com inúmeras honras, incluindo Prêmios Nobel e associações na Academia Nacional de Ciências. Fundado em 1960 pelo pioneiro da vacina contra a poliomielite Jonas Salk, MD, o Instituto é uma organização independente sem fins lucrativos e um marco arquitetônico.