Controlar células con la ayuda de métodos optogenéticos

Detectar con certeza principios activos

Es la nueva herramienta preferida de muchos científicos: La optogenética. Esta disciplina aún joven permite controlar células con señales luminosas. Los investigadores de Bayer quieren mejorar con ello el cribado de sustancias y detectar principios activos que de lo contrario posiblemente nunca se encontrarían.

STORY CHECK

 

Reto:

La búsqueda de nuevos ingredientes activos es un asunto complejo. Más de 4 millones de compuestos químicos se almacenan en la biblioteca de sustancias de Bayer. Los métodos de detección existentes tienen limitaciones.

 

Solución:

Los investigadores están utilizando el nuevo método de optogenética para determinar si una sustancia tiene el efecto deseado. Usan estos interruptores moleculares para activar la celda de prueba, aumentando así la precisión del proceso de selección.

 

Beneficio:

Los investigadores no requieren aditivos químicos que puedan causar efectos secundarios en los resultados de la prueba. La detección es más precisa y los ingredientes activos potenciales se pueden identificar más rápidamente.

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Controlar moléculas oprimiendo un botón - suena a ciencia ficción. Pero en la aún joven rama de investigación de la optogenética, justamente esto se vuelve realidad. Aquí se combinan dos disciplinas que a primera vista poco tienen que ver: La óptica y la genética. Modernos métodos de la genética les permiten a los científicos hacer que las células sean sensibles a la luz y controlarlas con impulsos ópticos. Han transcurrido justamente 10 años desde que el neurobiólogo Karl Deisseroth de la Universidad de Stanford (EE.UU.) asombrara al mundo especializado con un primer experimento optogenético. Logró controlar las células cerebrales de un ratón mediante rayos de luz y hacer que el animal caminara en círculos. Actualmente, las posibilidades de aplicación van mucho más allá de la neurobiología. En todo el mundo, los científicos de muchas disciplinas trabajan en este método muy prometedor. Entre ellos está la doctora Linn Schneider de la División Pharmaceuticals de Bayer y el doctor Arunas Damijonaitis de la División Crop Science.

Expedición química en masa: Una de las muchas placas negras podría contenerla: La estructura guía para un nuevo principio activo. La bioquímica doctora Linn Schneider busca con la ayuda de un robot de alto rendimiento moléculas muy prometedoras para el desarrollo de medicamentos.

La persona que ingresa en el laboratorio de la doctora Schneider, encontrará inevitablemente un complejo robot que ocupa una buena tercera parte de la gran sala. “Es nuestro pulpo”, dice Schneider. A diferencia del ser de las profundidades del mar que le da nombre, la máquina no tiene ocho brazos, sino solo cuatro. El pulpo es una instalación completamente automática de cribado de alto rendimiento. Con ella, los investigadores de Bayer prueban millones de sustancias en cuanto a su efecto farmacológico. Si se identifica una nueva proteína objetivo que pueda estar relacionada con una determinada enfermedad, los científicos la utilizan en una célula de prueba junto con un indicador fluorescente. Posteriormente, estas células se reúnen en el pulpo con moléculas químicas de la biblioteca de sustancias propia de Bayer. Si un candidato a principio activo establece el enlace deseado con la proteína objetivo, se enciende el indicador y muestra la actividad farmacológica. Una cámara registra el correspondiente lugar en la placa de microtitulación, en la que la sustancia está aplicada en una de 1,536 cavidades - se ha dado un primer paso importante para el desarrollo de un nuevo medicamento.

En el mejor de los casos, queremos activar las células con una longitud de onda y medirlas con otra.

Dra. Linn Schneider

Sin embargo, en vista de la cantidad de moléculas potencialmente efectivas, encontrar un candidato a principio activo adecuado para un nuevo medicamento, es un asunto costoso.

Hay 4.1 millones de sustancias en las bibliotecas de Bayer. Con la ayuda de la optogenética, Schneider y Damijonaitis quieren mejorar el cribado de alto rendimiento (HTS) - de forma interdivisional en el marco de la iniciativa “Life Sciene Collaboration”, pues el procedimiento clásico con indicadores químicos implica a su vez varias desventajas.

La mayor es la tasa de aciertos poco confiable. Las células que observan los bioquímicos, se encuentran por naturaleza en distintos estados. “Algunas están activas, otras pasivas”, explica el doctor Damijonaitis. “Pero el enlace solo ocurre a menudo en el estado activo.”

Los métodos optogenéticos podrían ayudar en la investigación de diversos procesos bioquímicos. En ello, los científicos brindan especial atención a los canales de iones, es decir, proteínas que, en función del estado, dejan pasar partículas cargadas. Aquí ven los científicos de manera interdivisional las mayores similitudes. Un gran número de procesos biológicos se realiza a través de canales de iones.

Su estado depende del potencial de la membrana de la célula, es decir, de la tensión eléctrica entre el lado interno de la membrana celular y su entorno. El estado en el cual se encuentra el canal de iones está distribuido de manera aleatoria en el cultivo celular. Dado que en el cribado los principios activos potenciales a menudo enlazan mejor con los canales de iones activos, los canales de iones pasivos no proporcionan información utilizable.

Por ello, los científicos desean un interruptor celular. A pequeña escala ya se tiene uno, en la electrofisiología. En ella, los investigadores influyen en el potencial de la membrana de la célula mediante electrodos y la activan de este modo. Sin embargo, esto resulta muy costoso, lento y a menudo difícil de realizar para el cribado HT.

1,536 experimentos en miniatura con diferentes sustancias activas se ejecutan simultáneamente en lo que se conoce como placas de microtitulación.

Por ello, los científicos desean un interruptor celular. A pequeña escala ya se tiene uno, en la electrofisiología. En ella, los investigadores influyen en el potencial de la membrana de la célula mediante electrodos y la activan de este modo. Sin embargo, esto resulta muy costoso, lento y a menudo difícil de realizar para el cribado HT.

En cambio, la optogenética permite interruptores celulares mucho mejores: Los impulsos luminosos activan los canales de iones en células en cuestión de milisegundos. Por así decirlo, los conmutan iguales. Para ello, los investigadores utilizan una molécula fotosensible, la “herramienta optogenética”, como la llaman. En los años pasados, la caja de herramientas optogenéticas ha crecido a un gran número de moléculas fotosensibles. La mejor investigada es la canalrodopsina, con la cual el alga de agua dulce Chlamydomonas reinhardtii detecta lugares con condiciones de luz favorables. La canalrodopsina es un interruptor de luz con el que los investigadores activan canales de iones para incrementar la tasa de aciertos de su cribado.

Las proveedoras del interruptor de luz: El alga de agua dulce Chlamydomonas reinhardtii se mueve en función de la luz. De ella proviene el gen para la proteína fotosensible que se utiliza para experimentos optogenéticos.

4.1millones

 de sustancias están almacenadas en las bibliotecas de sustancias de Bayer.

Llevar el interruptor a las células es la parte genética de la optogenética. Para ello, los investigadores utilizan en las células la parte de la herencia genética de las algas que se encarga de la producción de la canalrodopsina. El ADN funge como un tipo de instructivo con el cual la célula arma proteínas - en este caso justamente el interruptor de luz molecular (véase research 30, “Interruptores de luz para moléculas”).

Investigadores de EE.UU. Controlan el ratón con señal luminosa

 

La optogenética se originó en la neurociencia. Es la respuesta a una pregunta que ha desconcertado a los investigadores durante décadas: cómo abordar las células nerviosas individuales sin afectar las células que las rodean. El experimento de 2005 fue uno de los hitos en el desarrollo de la optogenética.

 

El neurólogo y psiquiatra estadounidense Karl Deisseroth y su equipo de la Universidad de Stanford lograron colocar las células nerviosas en el cerebro de un organismo vivo bajo control remoto. Los clips de la película son tan impresionantes hoy como cuando se hicieron, hace doce años.

 

El ratón vaga aleatoriamente alrededor de su jaula, mirando hacia aquí, olfateando allí, parado. Un conductor de luz - un cable transparente - sobresale de su cabeza. Cuando un rayo de luz azul entra en contacto con el conductor, el pequeño roedor se pone en movimiento. Traza un círculo casi perfecto en el sentido de las agujas del reloj, como si estuviera controlado remotamente. Solo deja de moverse cuando la luz se apaga. Los investigadores de EE. UU. Habían implantado una especie de interruptor en el cerebro del ratón y ahora pueden hacer que corra en círculos con solo tocar un botón.

 

El interruptor de luz es una proteína llamada channelrhodopsin. Esta sustancia se origina en el alga de agua dulce Chlamydomonas reinhardtii, que lo usa para buscar sitios con condiciones de luz favorables. Los científicos analizaron el ADN de las algas y copiaron la parte que es responsable de la producción de channelrhodopsin. El ADN es como la receta que usa la célula para fabricar proteínas. Como último paso, los investigadores insertaron el segmento de ADN copiado en las células cerebrales del ratón que regulan el movimiento. Hay muchas formas de modificar el ADN de las células. En este caso, empacaron el material genético en un virus que fue diseñado para infectar las células deseadas. Esto significaba que solo las células nerviosas para el movimiento hacia la izquierda recibían las instrucciones para el interruptor de luz molecular.

Para la investigación optogenética de Schneider, en el robot de cribado Krake se ajustaron lámparas LED. Así puede irradiar las sustancias con luz de cualquier color. El espectro de luz también cubre la luz ultravioleta, es decir, la luz invisible al ojo humano. “En el mejor de los casos queremos activar con una longitud de onda y medir con la otra”, dice la doctora Schneider.

Esto funciona si mediante la optogenética se introducen en la célula, además de interruptores, también moléculas sensoras. Ellas cumplen con la función de los indicadores y señalan si el principio activo y la proteína objetivo forman un enlace. A diferencia de los indicadores químicos en el HTS convencional, no llegan como agente químico a la mezcla sustancia-célula, sino que se incorporan como ADN a la célula misma. “También esto es un progreso, porque evitamos efectos secundarios confusos”, dice el doctor Damijonaitis, y la doctora Schneider agrega: “Además, los nuevos sensores miden canales de iones de forma más rápida y selectiva.” Hasta el momento, los científicos solo podían detectar cargas eléctricas, independientemente de su elemento. Con sensores adecuados, ahora pueden diferenciar iones entre sí.

En su trabajo, la doctora Schneider y el doctor Damijonaitis se orientan conforme a los desarrollos actuales en la ciencia. Los primeros resultados del nuevo método de cribado son tan prometedores, que Bayer apoyará el trabajo de ambos por dos años más. Junto con dos especialistas contratados específicamente para la “Life Science Collaboration”, trabajan de manera interdivisional ocho científicos en las herramientas optogenéticas.

Preparación en el banco estéril: La doctora Ursel Collienne prepara células para experimentos optogenéticos. Los investigadores quieren que éstos brillen.

Las posibilidades de uso potenciales son diversas. Para el Dr. Damijonaitis y su investigación para Crop Science, los canales de iones tienen la máxima prioridad: “Muchos insecticidas actúan sobre los canales de iones. Como los insectos tienen en parte canales totalmente distintos que los vertebrados, podemos actuar selectivamente sobre estos canales de iones, sin poner en riesgo a las personas.”

Aunque la doctora Schneider y el doctor Damijonaitis también trabajen en ramos de investigación distintos de Bayer, los une un objetivo: “Queremos descubrir algo que no podemos encontrar con sistemas convencionales”, dice el doctor Damijonaitis. En otras palabras: Ambos quieren arrojar luz a la oscuridad.

Un progreso importante:

Con métodos optogenéticos evitamos los efectos

secundarios confusos.

Dr. Arunas Damijonaitis

Entrevista: Alexander Gottschalk

 

“Potencial para

 el área médica”

 

El bioquímico Prof. Alexander Gottschalk de la Universidad de Fráncfort, es uno de los científicos líderes en el mundo en el área de optogenética. “research” habló con él sobre los problemas y las oportunidades de esta joven rama de la investigación.

¿Para qué se pueden utilizar los métodos optogenéticos?

Originalmente, la optogenética se utilizaba en las neurociencias. Entretanto, las proteínas fotosensibles también se utilizan en la biología celular. Con ella se puede controlar todo desde afuera; ya sea la expresión génica, la modificación de la estructura de las células o su movimiento.

 

¿Cómo sabe la proteína qué células debe modificar?

Para ello, los genes, los “planos de construcción” de las proteínas, portan en ellos un tipo de código de acceso. Un gen consta principalmente de dos secciones: del promotor, un tipo de dirección, seguido de la secuencia de ADN que codifica la proteína.

 

¿Cómo llevan las proteínas fotosensibles a la célula nerviosa?

Para ello tenemos que modificar genéticamente la célula. En el caso de organismos más complejos, por ejemplo, un ratón, empacamos en un virus la información genética por incorporar que hará a la célula fotosensible. Los transbordadores genéticos inocuos llevan a la célula su información genética, con frecuencia en forma de ARN. Ahí se traduce a ADN y se integra permanentemente en el genoma de la célula huésped. Desde ahora, la información genética modificada sirve como fuente para la herramienta optogenética, es decir, la proteína.

 

¿Podríamos aprovecharlo en el futuro para la medicina?

El potencial para la medicina existe. Sin embargo, la condición es que la luz para encender también llegue hasta las células en cuestión. El procedimiento podría funcionar, por ejemplo, en el caso de enfermedades degenerativas de la retina en el ojo. Al morir los fotorreceptores en el transcurso de la vida y ya no percibir la luz, las células que antes solo transmitían la señal luminosa, se pueden hacer ellas mismas fotosensibles. Hay esquemas similares para el proceso de la audición.

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Última Actualización: Enero, 2018

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