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15 Noviembre 2021

Optogenética: el poder de la luz

El Premio Lasker de Investigación Médica Básica de este año fue para los doctores Deisseroth, Hegemann y Oesterhelt por sus contribuciones al desarrollo de la optogenética: un medio para activar o suprimir la actividad neuronal y, por tanto, una herramienta indispensable para los neurocientíficos.


Usar la luz para controlar la actividad neuronal ha sido el sueño de los neurocientíficos durante décadas. Debido a que no interfiere con la función normal del cerebro y puede ser dirigida con exquisita precisión espacial y temporal, proporciona una forma más poderosa y selectiva de influir en la actividad cerebral en comparación a los convencionales enfoques electrofisiológicos o farmacológicos. Esto ha sido posible gracias a un revolucionario enfoque denominado "optogenética", método que implica el uso de proteínas sensibles a la luz expresadas en neuronas específicas bajo control genético. El Premio de Investigación Médica Básica Albert Lasker 2021 reconoce las contribuciones de los doctores Karl Deisseroth, Peter Hegemann y Dieter Oesterhelt al descubrimiento de proteínas microbianas sensibles a la luz y el desarrollo de este descubrimiento en una herramienta indispensable para la neurociencia. El camino hacia este logro ha tenido lugar durante décadas e involucrado los esfuerzos de colaboración de muchos científicos de diversas disciplinas. Es una historia notable que ilustra cómo importantes avances médicos pueden surgir de los rincones más exóticos de la investigación básica.

La historia comienza con un procariota unicelular, Halobacterium salinarum, que vive en nichos ecológicos extremos como los lagos de sal rosada (que deben su color a este notable arqueón). Las halobacterias contienen una "membrana púrpura" que sirve como su fuente de energía: convierte la luz en un gradiente de protones que, a su vez, puede usarse para sintetizar ATP. Trabajando junto con Walter Stoeckenius en la Universidad de California, San Francisco, a principios de la década de 1970, Dieter Oesterhelt descubrió que la membrana púrpura logra esta hazaña con una sola proteína, la bacteriorrodopsina (molécula con una estrecha homología estructural con las rodopsinas de vertebrados), que actúa como una bomba de protones con puerta de luz: una hermosa máquina molecular para convertir la luz en señales electroquímicas. La clonación posterior del gen que codifica la bacteriorrodopsina y su expresión heteróloga en ovocitos de Xenopus laevis, que puede producir una corriente activada por luz, estableció el principio que sustenta la optogenética: el uso de un solo gen para impulsar la expresión de una proteína única que activa una corriente transmembrana en respuesta a la luz.

El descubrimiento de la bacteriorrodopsina inspiró la búsqueda de otras proteínas transmembrana activadas por luz en una amplia gama de microbios (figura 1). Dieter Oesterhelt y colaboradores, caracterizaron una bomba de luz selectiva para cloruro en H. salinarum y la denominaron clorhodopsina. Natronomonas pharaonis, una arqueona que se encuentra en los lagos de soda, produjo otra halodopsina, y el análisis estructural posterior indicó que las arqueas rodopsinas forman una familia con motivos estructurales similares para el transporte de protones y otros iones.

Figura 1: procedencia y potencial de opsinas extremófilas.

Las herramientas optogenéticas se identificaron originalmente mediante el estudio de organismos unicelulares como arqueas y algas, que a menudo se encuentran en hábitats extremos (panel A). Se identificó bacteriorrodopsina, una bomba de protones activada por luz verde, en Halobacterium salinarum (que se encuentra en lagos salados). La canalrodopsina, que produce una conductancia catiónica mixta controlada por la luz azul, se identificó en Chlamydomonas reinhardtii (que se encuentra en lagos y suelos). Halorhodopsin, una bomba de cloruro activada por luz amarilla, fue identificada en Natronomonas pharaonis (que se encuentra en los lagos de soda). Cuando se expresan en neuronas (panel B), estas proteínas permiten la activación e inhibición de los potenciales de acción con una precisión de milisegundos. Las combinaciones de activadores optogenéticos y silenciadores permiten el control bimodal de la actividad neuronal, y las opsinas de función escalonada permiten la activación o inhibición de neuronas a largo plazo. 

El siguiente capítulo de la historia involucra a un organismo unicelular completamente diferente, la Chlamydomonas reinhardtii, un tipo de alga verde que se encuentra comúnmente en lagos de agua dulce que exhibe fototaxis: puede moverse en la dirección de la maximizando la fotosíntesis (su fuente de energía). El equipo de Peter Hegemann demostró que las Chlamydomonas exhiben corrientes dependientes de la luz extremadamente rápidas que están mediadas por una proteína similar a la rodopsina. En una colaboración muy fructífera entre Peter Hegemann, Georg Nagel y Ernst Bamberg, la extracción de secuencias del genoma de chlamydomonas identificó genes que codifican dos proteínas activadas por luz, la canalrodopsina 1 (ChR1) y la canalrodopsina 2 (ChR2), que producen directamente conductancia de protones y conductancia de cationes mixtos, respectivamente.

Esta gama de proteínas microbianas representaba un conjunto de herramientas moleculares: se preparó el escenario para su despliegue en neuronas. El trabajo pionero de Gero Miesenböck y colegas en 2002 demostró que la expresión de una cascada de fototransducción en Drosophila que requiere tres genes generaba respuestas en neuronas de mamíferos, demostrando que una estrategia optogenética podría funcionar. En 2005, Karl Deisseroth y colaboradores informaron de un estudio histórico que mostraba que una simple opsina microbiana de una sola molécula podría actuar como herramienta optogenética: la expresión de ChR2 en neuronas del hipocampo cultivadas permitió que la luz activara los potenciales de acción con una precisión de milisegundos. De manera crucial, demostraron que no era necesario suministrar externamente el cofactor retiniano adicional (el aldehído de la vitamina A) para permitir que ChR2 funcione normalmente. Este estudio fue seguido rápidamente por el trabajo de muchos grupos que concluyeron que ChR2 podría usarse para la activación optogenética en una variedad de sistemas, incluyendo modelos in vivo.

El siguiente desarrollo fue el uso de opsinas microbianas para silenciar las neuronas. Los laboratorios de Karl Deisseroth y Edward Boyden demostraron que la expresión de la halorhodopsina de N. pharaonis podría permitir el silenciamiento de la actividad neuronal con una precisión de milisegundos. Es importante destacar que ambos estudios probaban que la coexpresión de canalrodopsina y halorhodopsina en las mismas células podría permitir el control bidireccional de la actividad en dos longitudes de onda, posibilitando así experimentos cruciales de ganancia y pérdida de función en circuitos neuronales.

En los años transcurridos desde el annus mirabilis de 2005, se han producido notables avances en el campo de la optogenética. Ahora se tiene una paleta de opsinas microbianas, ambas derivadas de fuentes naturales y optimizadas mediante mutagénesis dirigida al sitio. Además de posibilitar la activación rápida y el silenciamiento de las neuronas mediante longitudes de onda y cinéticas, las opsinas también se han diseñado para permitir una inhibición optogenética más potente mediante el rediseño de los poros del canal para favorecer el flujo de cloruro, conferir la activación de la función escalonada y desencadenar la activación de cascadas bioquímicas. Se han desarrollado estrategias que implican la expresión viral (principalmente con el uso de vectores de virus adenoasociados) y la expresión transgénica para la expresión in vivo en tipos celulares específicos. El uso de la tecnología de diodos acoplados a fibra óptica, iniciada por el grupo Deisseroth, permitió la activación de neuronas específicas en las profundidades del cerebro de animales que se mueven libremente. El desarrollo de opsinas activables mediante iluminación de dos fotones permite que neuronas específicas se dirijan a patrones fisiológicos espaciales y temporales, y la expresión simultánea de indicadores de calcio y opsinas codificados genéticamente proporciona una estrategia "totalmente óptica" para la lectura y el control de los circuitos neuronales (figura 2). Esto ofrece la posibilidad de un control de la actividad en circuito cerrado, que podría proporcionar la base de nuevas interfaces cerebro-máquina.

Figura 2: Opsinas en el comportamiento.

La expresión combinada de opsinas y sensores de actividad codificados genéticamente permite la lectura y escritura simultáneas de la actividad en los circuitos neuronales. La lectura de la actividad facilita la identificación de neuronas vinculadas al comportamiento, lo que a su vez permite la manipulación optogenética de las neuronas "correctas" para manipular el comportamiento.

Este poderoso "juego de herramientas optogenéticas" se ha convertido en parte del repertorio estándar de muchos de grupos de neurociencia y ha reemplazado en gran medida el uso de electrodos de estimulación eléctrica convencionales para activar las vías neurales. El beneficio de este enfoque es claro: posibilita manipular subconjuntos de neuronas genéticamente definidos con una resolución de milisegundos sin perturbar directamente las neuronas vecinas. Esto permite probar la conectividad funcional con una precisión sin precedentes in vivo y establecer relaciones causales entre la actividad de neuronas específicas y el comportamiento. De manera similar, la aplicación de herramientas optogenéticas para investigar los mecanismos de disfunción del circuito en modelos de enfermedad está revelando cómo vías específicas pueden contribuir a la enfermedad de Parkinson, la epilepsia, la ansiedad, la depresión y otros trastornos neurológicos y psiquiátricos.

¿Cuál es la perspectiva de utilizar herramientas optogenéticas en humanos? Esto requiere que se aborden una variedad de desafíos, como lograr la entrega segura y eficiente de genes exógenos a las neuronas de interés, garantizar la ausencia a largo plazo de inmunogenicidad o genotoxicidad y diseñar la aplicación de luz adecuada a determinadas regiones cerebrales. Las pruebas y la validación en primates no humanos han proporcionado resultados alentadores, lo que indica que estos desafíos pueden resolverse pronto. La restauración de la visión se ha considerado durante bastante tiempo como la “fruta madura” entre las muchas aplicaciones médicas de la optogenética, dada la accesibilidad de la retina humana. Este potencial se ha validado de manera espectacular con la demostración de la recuperación parcial de la función visual en un paciente ciego después de la terapia optogenética con una opsina microbiana (figura 3).

Figura 3: estrategia de restauración de la visión con optogenética.

La expresión de una opsina microbiana en las células ganglionares de la retina (dirigida mediante inyección intraocular de un vector viral adenoasociado) ha permitido que los patrones visuales se activen en un paciente con ceguera congénita mediante el uso de estimulación de luz con gafas diseñadas.

El trabajo de Deisseroth, Hegemann, Oesterhelt y otros ha generado herramientas optogenéticas y una estrategia para su despliegue con el objetivo de controlar la actividad neuronal. Identificadas originalmente en organismos unicelulares, estas proteínas microbianas proporcionarían las claves para comprender y tratar las enfermedades cerebrales más complejas. Los capítulos más emocionantes de la historia de la optogenética aún no se han escrito.

Fuente bibliográfica

Optogenetics — The Might of Light

M. Häusser

Wolfson Institute for Biomedical Research and the Department of Neuroscience, Physiology, and Pharmacology, University College London, London.

DOI: 10.1056/NEJMcibr2111915

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