Llums, càmeres i… potencials d’acció!

Avui tinc l’enorme plaer de portar-vos el primer article d’una col·laboradora “externa” a iCIENTIFICats. Aquí us la presento:

La Sara Rubio és llicenciada en Biologia per la Universitat de Barcelona. En aquests moments, està desenvolupant els seus estudis de doctorat al grup de Neurobiologia del desenvolupament i de la regeneració cel·lular, dirigit pel Dr. Eduardo Soriano a l’Institut de Recerca Biomèdica de Barcelona. En la seva primera col·laboració al blog (i espero que no sigui l’última) ens explica què és l’optogenètica, una de les tècniques més prometedores apareguda darrerament al camp de la biologia.

Imagineu-vos com n’és, de fàcil, encendre o apagar un llum amb un interruptor. Ara imagineu-vos que, en comptes d’encendre (només) una bombeta, aquest interruptor també pogués marcar el ritme del batec de les cèl·lules d’un cor. O fer que un ratolí corregués sempre en la mateixa direcció, sense parar. Sembla ciència ficció, oi? Doncs avui dia és possible gràcies a una nova tècnica, l‘optogenètica. Podeu comprovar-ho vosaltres mateixos en aquest vídeo del canal de Nature a Youtube:

L’optogenètica combina mètodes òptics i genètics per manipular la funció d’un element biològic, ja sigui una sola proteïna o tota una cèl·lula. Aquesta tècnica es basa en les opsines (aquí us en diu alguna cosa més la Wikipedia in English), unes proteïnes que canvien de conformació en ser il·luminades. Això vol dir que, quan reben fotons (les partícules de la llum), les opsines canvien d’aspecte i es pleguen d’una altra manera. Depenent de la proteïna fotosensible que es faci servir, aquest canvi de conformació activa diferents processos cel·lulars. Aquest ventall de possibilitats de manipulació confereix a l’optogenètica un potencial extraordinari, sobretot a mesura que nombrosos grups de bioenginyers generen i perfeccionen noves eines.

Una mica d’història

La canalrodopsina és una d’aquestes opsines de les quals se serveix l’optogenètica. Aquesta proteïna és un canal situat a la membrana cel·lular que s’obre quan hi ha llum, fet que permet l’entrada de càrregues elèctriques positives a la cèl·lula. L’any 2002, els equips de Peter Hegemann i Georg Nagel (a les universitats de Regensburg i de Frankfurt, respectivament) van trobar canalrodopsines a la membrana d’algunes algues, com ara Chlamydomonas reinhardtii. A la natura, quan la llum arriba a l’alga, la canalrodopsina es modifica i activa una complexa maquinària intracel·lular que provoca que l’alga s’allunyi de la llum, tal com va descriure John L. Spudich a Houston.

Els canvis de conformació, en rebre llum, de les opsines (un tipus de canal iònic) són la base de l'optogenètica

L’any 2004, Karl Deisseroth i el seu equip d’investigació a la universitat d’Stanford (Califòrnia) van inserir aquesta proteïna fotosensible a la membrana de neurones de mamífer cultivades in vitro, mitjançant eines genètiques. Les neurones tenen una característica clau per a aquest experiment: son elèctricament excitables. Això vol dir que són capaces de transmetre informació en funció de les càrregues elèctriques que contenen. Si en una neurona la canalrodopsina funcionava igual que a les algues, en fer-hi entrar càrregues positives amb un pols de llum, aquesta neurona havia d’emetre un impuls elèctric. Aquest impuls rep el nom de potencial d’acció (més dades a la Viqui) i és el que permet a les neurones comunicar-se amb les seves companyes. Contra tot pronòstic—el sistema i les eines eren molt delicats, i els científics de vegades som massa pessimistes—, l’experiment va funcionar sorprenentment bé. Aquests investigadors havien aconseguit fer que les neurones responguessin a estímuls lluminosos aplicats a voluntat per humans. Però, sobretot, havien obert la porta a tota una revolució dins de les neurociències.

Des de llavors, nombrosos grups de recerca d’arreu del món van començar a fer servir l’optogenètica en diversos camps de la biologia. En paral·lel, bioquímics i enginyers genètics han anat creant noves eines optogenètiques i millorant les ja existents per tal de cobrir les necessitats que van apareixent. La tècnica s’ha estès tant que el número d’articles científics publicats que hi fan referència ha crescut exponencialment en els darrers anys i Nature va nomenar l’optogenètica “Mètode de l’Any 2010”.

Com funciona?

Diverses característiques clau fan que aquesta tècnica tingui tants avantatges respecte d’altres. En primer lloc, s’han descobert i creat nombroses versions d’aquests canals, sensibles a llum de diferents colors, i se sap que unes varietats de canals causen l’entrada de cations (càrregues positives que exciten les neurones), i unes altres la d’anions (càrregues negatives que les inhibeixen). Aquests opsines diferents es poden introduir alhora en una mateixa població de neurones o en diferents poblacions, el que dóna més versatilitat a la manipulació.

Aquí entra en joc la segona gran propietat de la tècnica: la capacitat de dirigir la manipulació a unes cèl·lules determinades. Les cèl·lules “diana” d’aquesta fotomanipulació són aquelles que tenen actiu al seu nucli un determinat promotor genètic. Aquest promotor permet que s’expressin els gens que hi ha al seu voltant, és a dir, fa que es sintetitzin proteïnes a partir d’aquests gens. L’ADN que els investigadors introdueixen a les cèl·lules per fer-les fotomanipulables conté aquest mateix promotor. D’entre els milers de neurones que han rebut l’ADN per fer la canalrodopsina, només aquelles que tenen actiu el promotor en qüestió el podran expressar i, per tant, fabricar la canalrodopsina. El promotor adequat l’escull el científic segons els seus interessos i tenint en compte les diferències en l’expressió gènica de cada tipus neuronal.

Un resum il·lustrat sobre com funciona l'optogenètica

Un tercer punt crucial és la resolució temporal que ofereix la tècnica, ja que es poden aplicar polsos de llum de l’ordre de mil·lisegons. Això te una rellevància especial quan es volen observar respostes que actuen en mil·lèsimes de segon, o bé quan cal estimular cèl·lules amb patrons temporals de freqüències controlades. Aquest darrer cas és el de les cèl·lules cardíaques o les neurones que codifiquen informació en funció de la freqüència de descàrrega elèctrica.

La quarta característica, que obre infinitat d’opcions, és la possibilitat d’aplicar la fotosensibilitat a altres proteïnes que desencadenen respostes diferents de l’entrada de càrregues elèctriques a la cèl·lula. Les proteïnes es manipulen genèticament per tal que, en rebre llum, s’uneixin a altres elements cel·lulars i desencadenin determinats processos, o per què activin certs promotors i es comencin a fabricar noves proteïnes que normalment no s’expressen en aquella cèl·lula. D’aquesta manera, la tècnica no es restringeix a cèl·lules excitables elèctricament. De fet, no es limita només a manipular cèl·lules, sinó que permet treballar amb processos cel·lulars que es poden recrear en un tub d’assaig o en una placa de Petri (sempre que el tub deixi passar la llum a través de les parets, és clar). D’aquesta manera es poden testar processos bàsics en biologia cel·lular i molecular que són universals a totes les cèl·lules o que tenen lloc només en algunes cèl·lules difícils de manipular.

On l’aplicarem?

L’àmbit en què més s’està aplicant l’optogenètica són les neurociències. Un dels projectes més prometedors és l’estudi de teràpies alternatives per a la malaltia de Parkinson. Avui dia, l’estimulació cerebral profunda (o DBS, de les sigles en anglès de deep brain stimulation) és un dels últims recursos per a pacients amb Parkinson o altres malalties neurals que no responen a la medicació. Quirúrgicament, s’implanten elèctrodes dins el cervell que estimulen elèctricament les neurones com si fossin marcapassos. Es desconeix quin mecanisme, a nivell de cèl·lules i circuits neuronals, és el responsable de la millora del pacient.

El problema més greu d’aquesta tècnica, però, és que els elèctrodes estimulen totes les cèl·lules que es troben al seu voltant, siguin del tipus que siguin. Aquesta estimulació generalitzada causa nombrosos efectes secundaris difícils d’analitzar i d’evitar, perquè no se sap com se’n veu afectat cada tipus neuronal. L’optogenètica podria resoldre aquest problema estimulant selectivament només algunes cèl·lules en concret, sense afectar la funció de les neurones o circuits del voltant que funcionen correctament. De moment, aplicada sobre models animals de malaltia de Parkinson, l’optogenètica ha permès saber quins components cal estimular per obtenir un millor resultat terapèutic i, fins i tot, ha servit per descobrir nous circuits implicats en la malaltia (com podeu veure aquí o aquí).

En la DBS, l'estimulació elèctrica afecta totes les neurones prop de l'elèctrode. L'aplicació de mètodes optogenètics, en canvi, permet un control més fi sobre els circuits neuronals afectats en la malaltia de Parkinson

Segons Deisseroth, l’optogenètica s’esta revelant com una eina que permet establir un molt desitjat nexe entre la psiquiatria i les neurociències més bàsiques. Això permetria tractar les complexes malalties de la ment des d’una perspectiva d’enginyer, manipulant de manera exquisidament fina les xarxes neuronals per obtenir, així, un resultat a nivell conductual.

I a més a més…

Del que gaire gent no s’adona és que, perquè aquesta tècnica veiés la llum, s’han necessitat molts altres recursos econòmics i humans, no sempre prou valorats per l’opinió pública. Per una banda, ha calgut una recerca bàsica molt intensa per descobrir les proteïnes fotosensibles en les quals es basa l’optogenètica. Per una altra banda, sense els esforços de conservació per mantenir la biodiversitat i els entorns naturals on viuen les algues i altres microorganismes portadors d’aquestes “eines bioquímiques”, aquesta tècnica no hauria estat mai desenvolupada. Deisseroth remarca aquests aspectes en la majoria de les xerrades que dóna sobre optogenètica, com podeu veure aquí.

Per tant, davant d’aquells que posen en dubte la utilitat de la recerca bàsica o la despesa invertida en la conservació dels recursos naturals, l’optogenètica esdevé una prova de com les necessitats que motiven la recerca aplicada també poden (i, segons Deisseroth, haurien de) inspirar la ciència i l’enginyeria a un nivell més bàsic.

Per ampliar informació:

• L’article original de Deisseroth a Nature Neuroscience (accés per subscriptors)
• Un resum d’altres aplicacions de l’optogenètica a Nature
• Les bases de l’optogenètica a Scientific American
• Un perfil de Deisseroth a Forbes

I ara que ja en sabeu una mica més, de l’optogènetica, digueu-nos… Què us sembla que en podem esperar? Quines altres tècniques us sembla que poden portar fàcilment a “un abans i un després”? Voleu més articles com aquest, explicant més a fons algun mètode novedós?

Tant la Sara com jo, que portem setmanes batallant amb aquest post, esperem les vostres respostes.