¿Te imaginas una tecnología con la que pudiéramos controlar a voluntad la función de cualquier célula con tan sólo presionar un interruptor de luz? Pues por futurista que suene e increíble que lo parezca, esa tecnología se viene desarrollando desde hace varios años y se llama optogenética.
Actualmente, varios laboratorios alrededor del mundo emplean los métodos de la optogenética para investigar las bases biológicas de una variedad de condiciones como el autismo, las adicciones y la depresión. No obstante, se trata de una tecnología tan poderosa, versátil, y revolucionaria, que se cree que su posible impacto social, económico y médico es difícil de imaginar. La prestigiosa revista Nature Methods eligió en 2010, de entre todos los avances en las diferentes disciplinas de la ciencia y la ingeniería, a la optogenética como la “tecnología del año”.
La optogenética es resultado de la convergencia del conocimiento de diversas disciplinas científicas como la microbiología, la fotónica, la biofísica y las neurociencias. En este pequeño artículo, describiré brevemente cómo es que esta convergencia ocurrió, y te contaré sobre un invento increíble de los chavos de Backyard Brains, creadores del SpikerBox, y a quienes ya dedicamos un artículo anteriormente. Para concluir, te compartiré una emocionante plática TED sobre el tema.
Las opsinas son un tipo de proteínas presentes en los fotorreceptores de la retina humana y de otros animales. Estas moléculas son esenciales para el sentido de la vista, pues convierten los fotones de luz que reciben nuestros ojos en impulsos eléctricos que son interpretados por el cerebro, de tal modo que éste emplea dichos impulsos para generar imágenes que nos permiten “ver” todo aquello que nos rodea. Existen también opsinas que desempeñan otras funciones. Por ejemplo, la melanopsina, que también se encuentra en la retina, no participa en la generación de imágenes, pero es parte esencial del sistema que regula el ritmo circadiano.
Peter Hegemann, Georg Nagel y sus colaboradores en Alemania, describieron en 2002 un nuevo tipo de opsinas, bautizadas como canalrodopsinas, que modulan la fototaxis (movimiento en respuesta a la luz) en una alga verde unicelular de la especie Chlamydomonas reinhardtii. Tres años más tarde, el grupo de Karl Deisseroth en la Universidad de Stanford, reportó un experimento en el que introdujo con éxito el gen de la Canalrodopsina-2 (ChR-2) en neuronas de hipocampo de rata cultivadas en el laboratorio para modular su actividad neuronal con luz azul.
En los últimos años, se han dado múltiples avances en el campo de la optogenética. Ahora, es posible utilizar varias canalrodopsinas (ChR1, ChR2, VChR1 y SFO) para activar neuronas, y también es posible inhibirlas mediante otro tipo de opsinas, como la halorodopsina y la arqueorodopsina. Además, se han desarrollado líneas de moscas y ratones transgénicos que expresan una o varias de estas opsinas en algunas o todas las células del sistema nervioso. Se han hecho experimentos que demuestran la factibilidad de controlar el ritmo del latido de células cardíacas en cultivo o el crecimiento de células de la piel a través de la luz.
Otro avance importante se dió en 2009, cuando Hegemann y Deissenroth indujeron una mutación en ChR2 que dió origen a una proteína que, una vez que ha sido activada con luz azul, es capaz de mantenerse “encendida” hasta que sea apagada por medio de luz amarilla. Además, el gen de la proteína VChR1, aislado del alga multicelular Volvox carteri, es muy similar a ChR-2, pero con la diferencia de que es responsivo a la luz roja. Estos avances abren la posibilidad de excitar dos tipos diferentes de neuronas (o circuitos neuronales) al mismo tiempo, con dos fuentes de luz sintonizadas a diferentes longitudes de onda.
Un principio elemental en genética es el hecho de que los genes contienen una secuencia de DNA conocida como “promotor”, que hace las funciones de interruptor de encendido y apagado para cualquier gen. Estos interruptores son activados selectivamente por un tipo de proteínas conocidas como factores de transcripción, y cada factor de transcripción es capaz de regular decenas, cientos o hasta miles de genes de forma muy específica. Ciertos factores de transcripción están presentes en algunos tipos de células pero no en otros. Sabiendo esto, es posible restringir la expresión de las opsinas de interés a cierto tipo de neuronas (u otro tipo de células). Todo lo que hay que hacer es introducir, junto con el gen de la opsina un “promotor” específico para un factor de transcripción que es exclusivo del tipo celular en cuestión.
La optogenética se puede combinar con tecnologías como la resonancia magnética funcional. Lo cual permite, por ejemplo, activar una célula a nivel individual (por ejemplo, en un ratón anestesiado) y luego visualizar toda la actividad cerebral que ocurre como reacción en cadena en tiempo real. Así, es posible, por ejemplo, disectar circuitos neuronales completos (en ratones) que controlan conductas motoras o fisiológicas.
Hace unos meses, los chavos de Backyard Brains, en colaboración con FundScience, recaudaron USD $512.20 a través de donaciones por internet, con el fin de financiar el proyecto final de 5 estudiantes de ingeniería biomédica de la Universidad de Michigan. Dicho proyecto tenía por objeto desarrollar un prototipo de un equipo de optogenética de bajo costo que permitiera analizar moscas transgénicas responsivas a la luz (donadas por el laboratorio de Stefan Pulver). El prototipo permite conectar el SpikerBox al cerebro de la mosca (previamente anestesiada), y excitar sus neuronas con luz azul, para que el SpikerBox registre los picos neuronales resultantes. Los chavos de Backyard Brains han continuado trabajando en el protoripo y este año presentaron la versión 3.0 en la reunión anual de la Society for Neuroscience, en Washington, DC. A la derecha, puedes ver una imágen de su prototipo.
Tal como lo mencioné en el post anterior, reitero que existe una gran oportunidad para incorporar este tipo de tecnologías (como las de Backyard Brains) en programas de divulgación y educación que incentiven el interés del público no especializado por la ciencia. Sobre todo, en jóvenes estudiantes. Tecnologías como la optogenética van a cambiar el mundo, y entre más chavos en México se interesen y se preparen en éstas áreas, mayores oportunidades de progreso y desarrollo económico seremos capaces de generar. Me despido con un video imperdible de una plática TED de Ed Boyden, profesor del MIT que desarrolla tecnologías de optogenética. No olvides comentar y hacer preguntas. Ese es el fin de este espacio.
Link al video: Ed Boyden: Un interruptor de luz para las neuronas. (Cuando abras el enlace, podrás activar los subtítulos en español dentro del marco del video).
Acerca del Autor:
Miguel E. Rentería es egresado de la UNAM y actualmente estudia un doctorado en genética y neurociencias en la Universidad de Queensland, Australia.
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Un grupo de investigación del Centro para Átomos Ultrafríos, conformado por investigadores de la Universidad de Harvard y del MIT, han logrado unir fotones para formar moléculas con ellos. Con esto, lograron crear un estado de la materia que, hasta ahora, se consideraba únicamente teórico.
Por muchas décadas, los fotones se habían descrito como partículas sin masa y sin interacción entre sí. Sin embargo, las “moléculas fotónicas”, nombre con el que se les ha descrito, se comportan de forma distinta, interactuando con tal fuerza entre sí que pareciera que tienen masa.