Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI han logrado por primera vez registrar una bomba de sodio impulsada por luz de células bacterianas en acción. Los hallazgos prometen avances en el desarrollo de nuevos métodos en neurobiología. Los investigadores utilizaron el nuevo láser SwissFEL de rayos X de electrones libres para sus investigaciones. Han publicado sus hallazgos hoy en la revista. Naturaleza .

El sodio juega un papel esencial en los procesos vitales de la mayoría de las células biológicas. Muchas células acumulan un gradiente de concentración entre su interior y el medio ambiente. Para este propósito, bombas especiales en la membrana celular transportan el sodio fuera de la célula. Con la ayuda de tal gradiente de concentración, células del intestino delgado o los riñones, por ejemplo, absorber ciertos azúcares.

Estas bombas de sodio también se encuentran en las membranas de las bacterias. Pertenecen a la familia de las llamadas rodopsinas. Estas son proteínas especiales que se activan con la luz. Por ejemplo, las rodopsinas transportan el sodio fuera de la célula en el caso de las bacterias que viven en el océano, como Krokinobacter eikastus. El componente crucial de la rodopsina es la llamada retina, una forma de vitamina A. Es de vital importancia para los seres humanos, animales ciertas algas y muchas bacterias. En la retina del ojo humano, por ejemplo, retinal inicia el proceso visual cuando cambia de forma bajo la influencia de la luz.

Realización de películas ultrarrápida

Los investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI ahora han logrado capturar imágenes de la bomba de sodio de Krokinobacter eikastus en acción y documentar los cambios moleculares necesarios para el transporte de sodio. Para hacer esto, utilizaron una técnica llamada cristalografía de femtosegundos en serie. Un femtosegundo es una billonésima parte de un segundo; un milisegundo es la milésima parte. La muestra que se va a examinar, en este caso una bomba de sodio cristalizado, es golpeada primero por un láser y luego por un rayo de rayos X. En el caso de la rodopsina bacteriana, el láser activa la retina, y el siguiente haz de rayos X proporciona datos sobre cambios estructurales dentro de toda la molécula de proteína. Dado que SwissFEL produce 100 de estos pulsos de rayos X de femtosegundos por segundo, se pueden realizar grabaciones con alta resolución temporal. "Solo podemos lograr una resolución temporal en el rango de femtosegundos en PSI con la ayuda de SwissFEL, "dice Christopher Milne, quien ayudó a desarrollar la estación experimental Alvra donde se realizaron las grabaciones. "Uno de los desafíos es inyectar los cristales en la configuración para que se encuentren con los pulsos del láser y el haz de rayos X con una precisión milimétrica".

Bomba en acción

En el experimento actual, los intervalos de tiempo entre el láser y los pulsos de rayos X estaban entre 800 femtosegundos y 20 milisegundos. Cada pulso de rayos X crea una imagen única de un cristal de proteína. Y así como una película de cine consiste en última instancia en una gran cantidad de fotografías individuales que se unen en una serie y se reproducen rápidamente, las imágenes individuales obtenidas con la ayuda de SwissFEL se pueden juntar para formar una especie de película.

"El proceso que pudimos observar en nuestro experimento, y que corresponde aproximadamente al transporte de un ion sodio a través de una membrana celular, tarda un total de 20 milisegundos, "explica Jörg Standfuss, quien dirige el grupo de cristalografía de resolución temporal en la División de Biología y Química de PSI. "Además de dilucidar el proceso de transporte, también pudimos mostrar cómo la bomba de sodio logra su especificidad para el sodio a través de pequeños cambios en su estructura ". Esto asegura que solo los iones de sodio, y ningún otro iones con carga positiva, son transportados. Con estas investigaciones, los investigadores también revelaron los cambios moleculares a través de los cuales la bomba evita que los iones de sodio que han sido transportados fuera de la célula fluyan de regreso a ella.

Avances en optogenética y neurobiología

Dado que las diferencias en la concentración de sodio también juegan un papel especial en la forma en que las células nerviosas conducen los estímulos, las neuronas tienen potentes bombas de sodio en sus membranas. Si fluye más sodio al interior de la célula, se transmite un estímulo. Estas bombas luego transportan el exceso de sodio en la célula al exterior nuevamente.

Dado que la bomba de sodio de Krokinobacter eikastus es impulsada por luz, los investigadores ahora pueden usarlo para la denominada optogenética. Con esta tecnología, células, en este caso las células nerviosas, están modificados genéticamente de tal manera que pueden ser controlados por la luz. La bomba se instala en las células nerviosas mediante métodos de genética molecular. Si luego se activa con la luz, una neurona ya no puede transmitir estímulos, por ejemplo, ya que esto requeriría un aumento en la concentración de sodio en la célula nerviosa. Sin embargo, La rodopsina bacteriana lo previene transportando continuamente el sodio fuera de la célula. Por tanto, las bombas de sodio activas hacen que una neurona quede inactiva.

"Si entendemos exactamente qué está pasando en la bomba de sodio de la bacteria, puede ayudar a mejorar los experimentos en optogenética, "dice Petr Skopintsev, un doctorado candidato en el grupo de cristalografía de resolución temporal. "Por ejemplo, se puede utilizar para identificar variantes de rodopsina bacteriana que funcionan de manera más eficaz que la forma que se encuentra normalmente en Krokinobacter ". Además, los investigadores esperan obtener información sobre cómo las mutaciones individuales pueden cambiar las bombas de iones para que luego transporten iones distintos al sodio.