La revolución optogenética: del comportamiento a la neurona que lo gobierna.

Hay una nueva forma de explorar los secretos de la biología. Un equipo de investigadores liderados por Ehud Y. Isacoff, de la Universidad de California en Berkeley, ha conseguido mediante el uso de proteínas activadas por la luz y técnicas de expresión genética que un pez cebra inicie un movimiento lateral de su cola cuando una neurona concreta recibe, no una descarga eléctrica o una dosis de neurotransmisores, sino un simple destello de luz. Este espectacular resultado doble, la detección de la neurona concreta y la técnica empleada, se publica hoy en Nature.

Nos atrevemos a decir que habrá un antes y un después de este hallazgo. Desde el ratón Brainbow esto es lo más excitante y lleno de posibilidades que hemos visto. A poco que se confirmen las expectativas aquí huele a Nobel. Pero vamos por partes.

Ya mencionábamos ayer que los científicos determinan las funciones de las neuronas vía correlación. Si un grupo de neuronas se activa cada vez que un animal realiza un cierto comportamiento, entonces lo más probable es que esas neuronas controlen ese comportamiento. Lo mismo ocurre si el funcionamiento de las neuronas se ve interrumpido: si el comportamiento cesa, entonces es probable que las neuronas afectadas por la interrupción sean las que lo controlan.

Pero era necesario ir más allá de la correlación y comprobar de verdad la causalidad. Ir del comportamiento al sistema nervioso y allí determinar las neuronas individuales directamente responsables. Y esto, que parecía poco menos que imposible, es lo que ha conseguido el equipo de Isacoff.

La clave del éxito de los científicos está en una proteína artificial activada por la luz (PAL) que desarrollaron hace unos años. Se puede conseguir mediante ingeniería genética que la PAL se exprese en una neurona (o en cualquier otro tipo de célula) y que funcione como un interruptor óptico. Ilumina la PAL con luz de un color y la neurona se activa, ilumina la PAL con luz de otro color y la neurona se desactiva. Este tipo de método se llama optogenético, por la combinación de óptica y genética.

Para comprobar el funcionamiento de la PAL, Isacoff y sus colegas la usaron para buscar la célula exacta que regula el circuito neuronal que media en los movimientos natatorios de la larva del pez cebra.

En primer lugar, expresaron la PAL al azar en el genoma de cientos de larvas de pez cebra. Algunas PAL aparecieron en células musculares, otras en células óseas y otras en el sistema nervioso central. Seleccionaron entonces los ejemplares en los que la PAL aparecía en las neuronas de la médula espinal, algunas de las cuales se sabe que controlan la locomoción.

Al iluminar estos peces, un puñado de ellos empezaron a mover sus colas de lado a lado. Un análisis posterior, en el que se fueron descartando distintas candidatas, llevó a los investigadores a la fuente neuronal de este comportamiento: todos los nadadores tenían la PAL expresada en una célula llamada neurona de Kolmer-Agduhr, cuya existencia se conocía desde hace 75 años pero cuya función era un misterio.

Lo que el equipo de Isacoff ha mostrado en la locomoción se puede hacer para cualquier otro tipo de comportamiento; esto constituye una nueva forma de hacer neurociencia. Pero las aplicaciones no se constriñen a la investigación del sistema nervioso, también tiene aplicaciones evidentes en la biología de síntesis, como herramienta para identificar redes proteínicas útiles para su posterior importación a otro microorganismo y crear de esta manera aplicaciones microbiológicas ad-hoc, ya sea para la eliminación de toxinas, la generación de energía o biomasa, o el tratamiento de enfermedades.

[En la imagen, larva de pez cebra usando la técnica brainbow]

Referencia:

Wyart, C., Bene, F., Warp, E., Scott, E., Trauner, D., Baier, H., & Isacoff, E. (2009). Optogenetic dissection of a behavioural module in the vertebrate spinal cord Nature, 461 (7262), 407-410 DOI: 10.1038/nature08323