Optogenética: Controlar el cerebro con luz

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La optogenética es la integración de la genética y la óptica para controlar eventos específicos dentro de las células del tejido vivo. Implica el descubrimiento e inserción de genes que confieren capacidad de respuesta a la luz, tecnologías para proporcionar luz profunda a los organismos, orientar la sensibilidad a la luz hacia las células y evaluar los efectos de este control óptico.

Los estímulos eléctricos y las drogas no son lo suficientemente específicos para hacer esto, y la luz podría tener las propiedades para servir como una herramienta de control.

Los investigadores estaban trabajando en microorganismos que producen proteínas que regulan el flujo de carga eléctrica a través de las membranas celulares en respuesta a la luz visible. Esto llevó al desarrollo de la optogenética, una nueva tecnología basada en genes microbianos de la opsina, que tiene el potencial de avanzar drásticamente la investigación cerebral.

Los neurocientíficos están interesados en la optogenética porque permite un control preciso de los eventos definidos dentro de los tipos celulares en momentos definidos, lo cual es crucial para la comprensión biológica más allá de la neurociencia.

Esta precisión ha sido esencial para entender la función cerebral normal y problemas clínicos como el parkinsonismo. La enfermedad psiquiátrica es la principal causa de discapacidad en todo el mundo, siendo la depresión mayor la principal causa en las mujeres de 15 a 44 años. Sin embargo, el estigma sigue siendo debido a nuestra falta colectiva de comprensión.

La biología tiene una tradición de usar la luz para intervenir en sistemas vivos, usando métodos basados en la luz como CALI para destruir proteínas y láseres para estimular neuronas. Sin embargo, destruir proteínas o células limita las opciones experimentales y no ha experimentado amplia aplicabilidad o utilidad en mamíferos.

Era necesaria una estrategia de componente único, utilizando proteínas activadas por la luz de microbios, ahora conocidas como bacteriorhodopsinas, halorhodopsinas y canalrhodopsinas.

El equipo de investigación de bioingeniería de la Universidad de Stanford, dirigido por Edward Boyden y Feng Zhang, introdujo la canelrhodopsina-2 en las neuronas de mamíferos en cultivo utilizando técnicas de transfección.

Los experimentos funcionaron bien, permitiendo un control fiable y de precisión milisegundo sobre los patrones de disparo de potenciales de acción de las células. En 2005, el primer informe publicó que al introducir un gen microbiano de la opsina, las neuronas podrían responder con precisión a la luz.

Las canalrhodopsinas, bacteriorhodopsinas y halorhodopsinas demostraron ser capaces de encender o apagar las neuronas de manera eficiente y segura en respuesta a la luz. El número de herramientas optogenéticas se ha expandido rápidamente debido a la convergencia de la ecología y la ingeniería.

Los investigadores están añadiendo nuevas opsinas a sus kits de herramientas y aplicando ingeniería molecular para dar a conocer las opsinas más útiles para diversos experimentos en una gama más amplia de organismos.