La luminiscencia ayuda a los científicos a estudiar el funcionamiento de las neuronas individuales en el cerebro de los animales.

Fuente: Alexey Kashpersky (kashpersky.com)

Las especies de organismos vivos que pueden iluminar no son tan raras. Estas son luciérnagas, bacterias y medusas con gusanos, sin mencionar los peces de aguas profundas y otros animales. La luminiscencia ayuda a estos organismos a atraer presas, comunicarse o simplemente iluminar el espacio al lado de ellos. Un equipo de científicos de la Universidad de Vanderbildt logró poner la luminiscencia a su servicio. Los científicos han obtenido una forma genéticamente modificada de una enzima que causa la bioluminiscencia de las células del cuerpo, y con su ayuda "enseñaron" a brillar las células cerebrales.

El objetivo del proyecto es garantizar la bioluminiscencia de las neuronas cerebrales durante su operación. Esto, según los científicos, permite una mejor comprensión del principio del cerebro de los organismos simples, lo que puede conducir a una comprensión de los principios del cerebro de los animales más complejos.

Los científicos modernos ya tienen a su disposición tecnología para rastrear neuronas cerebrales individuales. Pero estas tecnologías tienen una serie de limitaciones. Por ejemplo, con su ayuda, puede rastrear el trabajo de solo un cierto número de neuronas. Y en el cerebro humano hay más de 86 mil millones, por lo que los métodos electrofisiológicos existentes no permiten monitorear simultáneamente el trabajo de todos los departamentos de este complejo órgano. Quizás la luciferasa modificada ayudará a resolver este problema en el futuro cercano.

Un equipo de investigadores publicó los resultados de su trabajo en la publicación Nature Communications . La base son los resultados previos de la investigación realizada por especialistas en el campo de la luminiscencia (el equipo estudió previamente alga unicelular Chlamydomonas) y la optogenética.

La optogenética es una técnica para estudiar el trabajo de las células nerviosas, que se basa en la introducción de canales especiales en sus membranas, las opsinas, que responden a la excitación de la luz. Los métodos de ingeniería genética se utilizan para expresar los canales. Para la posterior activación o suspensión de la actividad de las neuronas y sus redes, se utilizan láseres, fibra óptica y otros equipos ópticos complejos. La optogenética apareció en 2005. Luego, los científicos utilizaron por primera vez una opsina como channelrodopsin-2 ( channelrhodopsin-2, ChR2 ).

Optogenéticapermite no solo cubrir un mayor número de neuronas en observación que en el caso de trabajar con métodos electrofisiológicos para estudiar redes neuronales. También abre la posibilidad de activación o supresión altamente selectiva de ciertas conexiones neuronales. Los expertos dicen que esto ayudará a proporcionar una terapia efectiva para la enfermedad de Parkinson, la depresión, la ansiedad y la epilepsia. Cuando se utilizan métodos optogenéticos, los científicos generalmente trabajan con fluorescencia.

Según Carl H. Johnson, profesor de biología, que dirige el estudio, se debe usar bioluminiscencia en lugar de fluorescencia. “La luz que generan las células fluorescentes es suprimida por la iluminación necesaria para la observación. La luminiscencia funciona en la oscuridad ”, dijo el científico. El problema es tambiénese material fluorescente no es tan fácil de introducir en todos los departamentos del cerebro que interesan a los científicos, dada la necesidad de introducirlo en cada neurona individual.

Por lo tanto, los científicos han encontrado un enfoque diferente. Tomaron luciferasa del cuerpo del tipo de camarones luminiscentes, y lo modificaron genéticamente para que la actividad luminosa de la luciferasa comenzara a aparecer en presencia de moléculas de calcio. La concentración de calcio es bastante alta en las neuronas, pero al mismo tiempo, este elemento no es suficiente fuera de las células cerebrales. Cuando una neurona recibe una señal, la concentración de calcio se vuelve máxima, lo que conduce a la luminiscencia de la célula involucrada. La enzima modificada pudo unirse a las células cerebrales gracias al virus. Con ella, los científicos introdujeron la enzima en el sensor de calcio, introduciéndola en la neurona.


La luminiscencia de las neuronas individuales ha sido posible gracias al uso de una enzima genéticamente modificada (Fuente: Johnson Lab / Universidad de Vanderbilt)

Hasta ahora, se ha desarrollado una nueva tecnología en las neuronas cultivadas en el laboratorio, así como en rodajas de ratones del hipocampo. Se necesitan tres semanas para preparar una muestra luminiscente. En ambos casos, las neuronas comenzaron a iluminarse al recibir una señal eléctrica, lo que condujo a un aumento en la concentración de calcio. El éxito de los científicos también se debe al hecho de que recientemente se ha creado una nueva luciferasa, llamada NanoLuc .

"Mostramos que nuestra tecnología funciona", dijo Johnson. “Ahora necesitamos determinar qué tan sensible es. Creemos que el nuevo método es lo suficientemente preciso como para determinar la activación de neuronas individuales, pero para verificar esto, necesitamos realizar pruebas adicionales ".

Los investigadores han publicado información sobre la enzima genéticamente modificada en el recurso AddGene . El acceso a esta información es gratuito.

Source: https://habr.com/ru/post/es398725/