¿Qué es la Optogenética y para qué sirve?

¿Qué es la optogenética?

La optogenética combina métodos ópticos (destellos de luz provenientes de un láser o un LED) con métodos genéticos para transferir a un grupo especí­fico de neuronas el cDNA que codifica proteí­nas de origen microbiano sensibles a la luz (llamadas opsinas). Ésta es una tecnologí­a de vanguardia que inició su desarrollo en el 2005 por el Dr. Karl Deisserothde la Universidad de Stanford. En el 2010 la revista Nature Methods lo nombró el método más importante del año.

La aproximación optogenética se basa en la introducción en las células de genes exógenos que codifican proteí­nas fotosensibles, las cuales sirven para modificar el comportamiento celular mediante la luz. Por lo tanto, la tecnologí­a optogenética abarca el desarrollo de: 1) esas proteí­nas sensibles a la luz (las herramientas básicas del sistema), 2) la puesta a punto de estrategias para introducir los genes en las células o tejidos diana y 3) la generación de sistemas de lectura capaces de analizar los cambios de comportamiento que se produzcan en la célula del tejido o animal del que se trate.

Aplicaciones de la optogenética

Este método servirá para identificar a las poblaciones celulares implicadas en diversos padecimientos y apoyará  la búsqueda de nuevos tratamientos.

1. Ha servido para controlar ataques epilépticos en modelos animales experimentales.
2. Al manipular las neuronas dopaminérgicas se ha podido potenciar o evitar la adicción a la cocaí­na.
3. El sueño y el estado de vigilia pueden regularse a través de las neuronas hipocretinas . Es la base para el desarrollo de fármacos que ayuden al tratamiento de la narcolepsia. 
4. También se puede inducir el apetito al activar neuronas del hipotálamo o inhibirlo y producir pérdida de peso.
5. Si se produce una arritmia cardí­aca, el corazón nuevamente puede bombear sangre al ritmo de la luz. De hecho, se ha desarrollado el primer marcapasos basado en la optogenética.
6. Tratamiento del Parkinson
7. Estos métodos han permitido recuperar la vista a ratones ciegos.

Las bases de la optogenética se encuentran en el estudio de un organismo unicelular, el alga Chlamydomonas reinhardtii y su capacidad para moverse hacia una fuente luminosa. Los doctores Peter Hegemann, Georg Nagel, y Ernst Bamberg descubrieron una proteí­na llamada Channelrodopsina 2 (ChR2) de la cual esta alga se vale, para desplazarse hacia la luz.

Ante la estimulación con un haz luminoso de 473nm (luz azul), el ChR2 se abre permitiendo el paso de iones a través del gradiente electroquí­mico de la célula (H+>Na+>K+>Ca+). Las  neuronas expresan niveles suficientes de ChR2 para que la luz azul, ví­a fibra óptica, permita la apertura del canal y la entrada de sodio al interior de la neurona. Cuando el ChR2 se expresa en la membrana neuronal  se transforman los impulsos luminosos en potenciales de acción.

Cómo funciona

Todos conocemos moléculas que pueden activarse en respuesta a la luz, como la clorofila que se encuentra en las plantas, o las rodopsinas en los conos de la retina. Las que se emplean en los modelos optogenéticos suelen proceder de bacterias, y pueden ser de varios tipos, pero en general constituyen lo que se denomina canales iónicos. Es decir, que cuando se activa esa proteí­na se abre un poro en la membrana en la que se encuentra embebida y permite el paso especí­fico de iones a través de la membrana de la célula en cuestión. Así­, dependiendo del tipo de canal iónico que expresemos en una neurona podremos hacer que ésta se active (si el canal es de calcio o de sodio) o que se inhiba (si es de potasio).

NATUREVol 29 April 2010

El siguiente paso consistirá en secuenciar el gen que contiene la información que se codifica en las bacterias para esos canales e insertarlo en las neuronas que nosotros queramos. Esto se consigue inyectando un virus en el cerebro de los animales.  Dichos virus obtenidos mediante ingenierí­a genética transportan, no sólo la información genética necesaria para generar la proteí­na deseada, sino además una secuencia (denominada promotor) que permite que esa proteí­na  se exprese solamente en las neuronas que nosotros queramos (si no, correrí­amos el riesgo de que la proteí­na se insertase en cualquier célula del organismo). Una vez que tenemos a nuestro animal expresando la proteí­na que querí­amos y en los tipos neuronales deseados, el siguiente paso será activar esas proteí­nas. ¿Cómo hacerlo? Pues implantando al animal, un cable de fibra óptica mediante cirugí­a estereotáxica,  para que llegue hasta la región del cerebro cuya actividad queremos modular. El siguiente paso consistirí­a en conectar esa fibra óptica a una fuente de luz. Y la mejor forma de conseguir una fuente de luz de una longitud de onda determinada es emplear un láser. A partir de ahí­ ya todo consiste en encender o apagar la luz y medir lo que se nos antoje, como una determinada conducta, ciertos marcadores bioquí­micos que sospechemos que pueden variar cuando activamos esas células, o incluso respuestas eléctricas en otras regiones del cerebro que pensemos que pueden estar conectadas con las neuronas cuya actividad estamos modulando.