Un equipo internacional de investigadores ha determinado la estructura tridimensional de la canalrodopsina 2, una proteína de membrana ampliamente utilizada en optogenética para controlar las células nerviosas con luz. La optogenética es una técnica relativamente nueva que implica el uso de luz para manipular células nerviosas y musculares en un organismo vivo. Se utilizan enfoques similares para revertir parcialmente la pérdida de audición y visión y controlar las contracciones musculares.

Además, los métodos de la optogenética se utilizan para estudiar las propiedades de las redes neuronales naturales, que son responsables de la emoción, Toma de decisiones, y otros procesos complejos en organismos vivos. La optogenética fue Naturaleza "Método del año 2010, "además de ser nombrado entre Ciencias "Avances de 2010 y perspectivas de la década".

Canalrodopsina 2, o ChR2, es una herramienta optogenética importante. Es una proteína sensible a la luz que se extrajo originalmente en 2003 de un alga verde llamada Chlamydomonas reinhardtii. Los científicos pueden insertar ChR2 en la membrana de una célula viva para controlarlo. Cuando se ilumina, esta proteína permite que los iones cargados positivamente ingresen a la célula a través de la membrana celular. En una célula nerviosa esto despolariza la membrana, imitando el efecto de un impulso nervioso y haciendo que esta neurona en particular se dispare.

Debido a que ChR2 funciona rápido y es relativamente inofensivo para las células, es la solución actual para la activación de las células nerviosas. Existe una variedad de mutaciones inducidas artificialmente para alterar las propiedades de la proteína. Por ejemplo, es posible aumentar la corriente que genera o alterar la longitud de onda de la luz a la que responde. Estas modificaciones permiten a los experimentadores trabajar con proteínas adaptadas a sus necesidades. Los investigadores pueden incluso combinar varias variantes de proteínas para obtener una respuesta distinta en varias longitudes de onda de luz.

La mayoría de las mutaciones utilizadas para modificar las propiedades de ChR2 se han introducido hasta ahora más o menos al azar, ya sea mediante evolución dirigida o basándose en los datos de estructuras proteicas conocidas. Lo más cerca que han llegado los investigadores a una estructura ChR2 realista es una combinación extraña llamada C1C2, 70 por ciento de los cuales se basa en ChR1, una proteína relacionada, con el resto basado en el ChR2 real. Esta estructura mixta no puede explicar todas las propiedades de la proteína. Como resultado, las mutaciones predichas por este modelo no son del todo realistas y, por lo tanto, tienen un interés limitado para la optogenética.

Para revelar la estructura de ChR2, los autores del estudio utilizaron una técnica analítica llamada difracción de rayos X, que solo funciona con muestras en forma de cristal. Estos fueron obtenidos por los investigadores mediante cristalización en meso. Es decir, los cristales de proteína se cultivaron en la llamada mesofase lipídica cúbica, un medio que permite que las proteínas se muevan libremente sin salir de la membrana. Para determinar las estructuras de las proteínas, sus cristales se irradiaron con rayos X a una longitud de onda de aproximadamente 1 angstrom, que es ligeramente menor que la longitud de los enlaces entre los átomos de la proteína. En cristalografía de rayos X, Las estructuras se obtienen analizando cómo la radiación se dispersa por una muestra.

"Los intentos de resolver la estructura de ChR2 se remontan al momento de su descubrimiento en 2003. Pero a pesar de los esfuerzos de numerosos grupos de investigación de todo el mundo, la estructura de la proteína en su estado natural sigue siendo desconocida, "dice Valentin Borshchevskiy, uno de los autores del artículo y subdirector del Laboratorio de Estudios Avanzados de Proteínas de Membrana del MIPT. "Ahora que tenemos la estructura, Se pueden introducir mutaciones significativas en la proteína para ajustar sus propiedades a los requisitos de un experimento específico. Sin conocer la estructura, tuvimos que resolver tediosamente las mutaciones útiles mediante ensayo y error o conformarnos con los datos sobre proteínas relacionadas ".