Usando una nueva e innovadora técnica de imágenes, los investigadores de Weill Cornell Medicine han revelado el funcionamiento interno de una familia de moléculas sensibles a la luz en detalle y velocidad. El trabajo podría informar nuevas estrategias en el floreciente campo de la optogenética, que utiliza pulsos de luz para alterar la actividad de las neuronas individuales y otras células.
Las proteínas sensibles a la luz impulsan muchos procesos cruciales en biología, que van desde la fotosíntesis hasta la visión. Gran parte de la comprensión de la comunidad científica sobre estas proteínas proviene de estudios sobre la bacteriorrodopsina, una proteína responsable de la fotosíntesis en ciertos organismos unicelulares. Los investigadores resolvieron previamente la estructura tridimensional de la bacteriorrodopsina y estudiaron su actividad en detalle, pero las limitaciones de las técnicas disponibles dejaron lagunas desconcertantes en los modelos resultantes.
El nuevo estudio, publicado el 2 de diciembre. 10 en Comunicaciones de la naturalezadescribe una técnica desarrollada por los investigadores, llamada microscopía de fuerza atómica de alta velocidad de barrido lineal, que captura los movimientos de la bacteriorrodopsina en respuesta a la luz en una escala de tiempo de milisegundos.
«La solución de las estructuras de proteínas se ha vuelto bastante sencilla», dijo el autor principal, el Dr. Simon Scheuring, profesor de fisiología y biofísica en anestesiología en Weill Cornell Medicine. «Pero un desafío actual es evaluar la cinética, que proporciona una comprensión dinámica del sistema».
En particular, otros métodos que rastrean la actividad de moléculas individuales funcionan con demasiada lentitud para revelar cómo la proteína cambia de forma en períodos cortos de tiempo, como parece hacer la bacteriorrodopsina en respuesta a la luz. Dr. Scheuring compara estas técnicas con una cámara de cine con un obturador lento, que puede capturar un pájaro que se mueve rápidamente en un lado de la pantalla y luego en el otro, pero no puede seguirlo entre esos dos puntos.
Previamente, los investigadores han abordado ese problema perjudicando al ave: observando formas variantes de bacteriorrodopsina. «Hasta ahora, para estudiar la cinética de la bacteriorrodopsina, las personas usaban mutantes que eran más lentos», dijo el autor principal, el Dr. Alma Pérez Perrino, becaria postdoctoral en el Dr. laboratorio de Schering. Sin embargo, las variantes más lentas no representan la actividad normal de la proteína. Para abordar eso, la Dra. Pérez Perrino y sus colegas desarrollaron una microscopía de fuerza atómica de alta velocidad de barrido lineal, que sacrifica algunos detalles de la imagen por una velocidad de fotogramas mucho más rápida, como tomar imágenes más borrosas del pájaro para seguirlo a lo largo de la pantalla.
«Estamos rastreando la proteína cada 1,6 milisegundos, por lo que podríamos explorar la velocidad de la bacteriorrodopsina de tipo salvaje», dijo el Dr. Pérez Perrino.
En respuesta a la luz, la bacteriorrodopsina cambia entre estados abiertos y cerrados. Usando su técnica de imagen más rápida, los investigadores descubrieron que la transición al estado abierto y la duración del estado abierto siempre ocurren a la misma velocidad, pero la molécula permanece en el estado cerrado durante períodos más largos a medida que disminuye la intensidad de la luz.
Los investigadores de optogenética insertan genes para moléculas sensibles a la luz en las neuronas u otras células, lo que les permite cambiar el comportamiento de las células con pulsos de luz. Ese trabajo ha revolucionado la neurociencia y también tiene potencial para tratar enfermedades neurológicas. Cuanto más sepan los investigadores acerca de las proteínas sensibles a la luz, más podrán impulsar la optogenética. «En última instancia, desea activar un proceso, luego sacar el máximo provecho de él y poder apagarlo nuevamente de inmediato», dijo el Dr. Schering «Entonces, es muy importante conocer la cinética de las moléculas para ese cambio».
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Medicina Weill Cornell. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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