A finales del siglo pasado, Peter Hegemann inició una serie de estudios para comprender cómo el alga unicelular Chlamydomonas es capaz de detectar y reaccionar a la luz para desplazarse hacia ella a una velocidad 20 veces mayor que el ojo humano.
Investigaciones previas habían documentado que Chlamydomonas detecta la luz mediante una “mancha ocular”, un pequeño punto naranja ubicado en su superficie que contiene retinal, una molécula captadora de luz.
Hegemann utilizó minúsculos electrodos para medir las señales eléctricas generadas por el alga y ampliar el conocimiento sobre la rápida respuesta de dicha estructura. El científico descubrió que el organismo era capaz de producir un impulso eléctrico cerca de 0.5 milisegundos después de recibir luz. Esta capacidad de respuesta resultó ser más veloz que la del ojo humano, cuyo proceso de detección lumínica tarda al menos 10 milisegundos.
Todo comenzó gracias a una alga
Hegemann sugirió que la detección de luz en el alga debía ser resultado de un proceso mucho más sencillo que el identificado en el ojo humano. A principios de los años noventa propuso que un único grupo de proteínas era responsable de captar la luz y funcionar directamente como un canal iónico. En aquel momento, esta hipótesis generó controversia porque, aunque ya se conocían diversos canales iónicos, ninguno de los documentados hasta entonces podía responder por sí mismo a la luz.
Para probar su planteamiento, el científico intentó aislar las proteínas fotosensibles de la mancha ocular. Sin embargo, al extraerlas de su entorno natural, estos elementos proteicos se volvían inestables y se dañaban. Más tarde, un grupo de investigadores japoneses secuenció el ADN completo de Chlamydomonas, lo que permitió al equipo de Hegemann identificar dos genes con características similares a las proteínas fotosensibles.
El siguiente paso consistía en comprobar la función de estos genes como canales iónicos. Hegemann recurrió a Georg Nagel, quien diseñó un modelo experimental que consistió en introducir por separado copias de cada uno de los genes identificados en diferentes grupos de óvulos de rana.
Los óvulos comenzaron a fabricar las proteínas correspondientes y estas terminaron localizándose en la membrana de las células. Posteriormente, Nagel realizó un segundo experimento que consistió en iluminar las proteínas producidas para comprobar su función.
Fue entonces cuando Nagel descubrió que ambos grupos de proteínas funcionaban como canales iónicos que se abrían cuando recibían luz y los denominó canalrodopsina-1 y canalrodopsina-2. La segunda sería particularmente importante para el desarrollo posterior de la optogenética.
El mecanismo quedó demostrado de manera directa: al iluminar la canalrodopsina-2, el canal se abría, permitiendo que iones con carga positiva atravesaran la membrana. Ese flujo producía una señal eléctrica. Además, el fenómeno ocurría en apenas 0.2 milisegundos, confirmando que la extraordinaria velocidad observada originalmente en Chlamydomonas podía explicarse por la acción de un canal iónico directamente activado por la luz.
esquizofrenia.La investigación de Deisseroth se enfocó en encontrar una herramienta capaz de generar impulsos eléctricos en neuronas. Tras el descubrimiento de la canalrodopsina-2, solicitó a Nagel el ADN que codificaba la proteína para introducirla en células nerviosas de rata cultivadas en placas de Petri.
En este experimento, las neuronas produjeron canalrodopsina-2 y, al ser iluminadas con luz azul, reaccionaron inmediatamente para generar una señal nerviosa que se propagaba hacia otras neuronas. Este resultado, obtenido en 2005, fue decisivo para convertir la canalrodopsina en una herramienta de investigación neuronal.
En los años siguientes, Deisseroth, Hegemann y Nagel colaboraron para identificar otras proteínas capaces de activar o desactivar neuronas mediante diferentes longitudes de onda de luz, metodología que en 2006 recibió el nombre de optogenética.
“Gracias a la optogenética, hoy en día se pueden activar o inhibir poblaciones neuronales específicas, simplemente iluminándolas con luz a la longitud de onda correcta. Su gran ventaja es la precisión genética que permite expresar proteínas sensibles a la luz solo en neuronas que comparten una determinada identidad molecular. De este modo, al iluminarlas, podemos controlar su actividad mientras las demás neuronas siguen funcionando con normalidad”, explicó para SMC España Nicolò Accanto, responsable del grupo de Fotónica no lineal para la Neurociencia en el Instituto de Bioingeniería de Cataluña.
Agréganos a tus Fuentes Preferidas en Google para seguir nuestro contenidoArrowLa eficacia de la técnica quedó demostrada en diversos experimentos. En 2007, por ejemplo, el equipo introdujo el gen de la canalrodopsina-2 en un tipo específico de neuronas de la corteza motora de ratones vivos. Cuando estas células se expusieron a la luz mediante una fibra óptica muy fina, introducida en el cerebro a través de un pequeño orificio en el cráneo, los investigadores generaron una señal nerviosa que les permitió controlar el movimiento de los bigotes de los roedores. La técnica también fue utilizada con éxito para estudiar el estado de vigilia y la memoria.
El recorrido de estos tres científicos fue considerado por el Comité Nobel como el inicio de una nueva era en la neurociencia, que abrió el camino para estudiar el funcionamiento del cerebro vivo.
comunicado.