image: KR2 rhodopsin monomer (left) and pentamer (right) in the cell membrane, shown as blue disks. In the monomer state, sodium transport is blocked, the orange pore does not permit ion uptake into the protein. view more
Credit: Kirill Kovalev et al./<i>Science Advances</i>
Gracias a la colaboración entre los científicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú, Instituto de Biología Estructural de la Universidad de Grenoble y Complejo acelerador Europeo en Grenoble (Francia), el Centro de Investigación de Juelich, la Universidad de Aquisgrán y del Instituto Max Planck (Alemania), se descubrió y estudió por vez primera la estructura de la proteína rodopsina KR2 en condiciones fisiológicas. Este trabajo básico promete un nuevo avance en una de las disciplinas biomédicas más relevantes, la optogenética, y en sus aplicaciones prácticas, tales como el tratamiento de enfermedades neurológicas ampliamente difundidas. La depresión clínica, la ansiedad elevada, la epilepsia, la enfermedad de Parkinson: todas estas patologías recibirán una nueva terapia eficaz gracias al descubrimiento hecho por el grupo internacional de investigadores, en el que el equipo de biofísicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú jugó el papel principal. El trabajo de los científicos fue publicado en una de las revistas científicas más prestigiosas, Science Advances, la edición de la Asociación Americana para el avance de la ciencia.
La optogenética es una nueva disciplina biofísica y biomédica que estudia las posibilidades y las prácticas de control de células nerviosas y musculares del organismo vivo mediante la exposición direccional a la radiación luminosa. Recientemente, la principal revista científica del mundo, Science, denominó a la optogenética como el "gran avance de la década". Los métodos optogenéticos permiten hoy en día restaurar parcialmente la visión y la audición perdidas, controlar la contracción muscular en el caso de pérdida de control de músculos como resultado de enfermedades neurológicas. Pero lo principal es que estos métodos permiten estudiar en profundidad las redes neuronales (no computarizadas, sino vivas) que responden por nuestras emociones, tomas de decisiones y otros procesos fundamentales en los organismos vivos.
Hace varios años, en la membrana celular de la bacteria marina Krokinobacter eikastus se descubrió un nuevo tipo de transportador de iones, previamente desconocido, la proteína rodopsina, denominada KR2. Pertenece al grupo de proteínas fotosensibles que se utilizan en la optogenética. Expuestas a la luz, estas proteínas permiten que las partículas cargadas, iones, penetren en la célula o salgan de ella. Al introducir estos transportadores de iones en la membrana neural, los científicos pueden, con la ayuda de impulsos de luz direccionales, influir en el potencial de la membrana celular de las neuronas, controlando su actividad. La KR2 resultó ser capaz de eliminar deliberadamente de la célula un tipo específico de iones: los iones de sodio. La KR2 los "saca" de la célula, y no los deja mover en ambas direcciones, por eso, los científicos usan el verbo inglés pump para definir esta acción tan activa. En consecuencia, la KR2 es denominada "bomba". Además, sus formas mutantes son capaces de bombear los iones de sodio y de potasio a través de la membrana celular. La incorporación de KR2 en la membrana celular de las neuronas podría teóricamente controlar por completo la actividad de las células nerviosas.
Sin embargo, la ola de investigación generada por el descubrimiento de la nueva "bomba" ha revelado algunas propiedades muy misteriosas de la rodopsina. En particular, resultó que varios grupos de investigadores descubrieron y describieron un total de hasta cinco estructuras de proteína prometedora difierenciables entre sí. Cabe destacar que dentro de estas estructuras, cinco moléculas de proteína se convirtieron en pentámero estable, mientras que en las moléculas restantes, solo habían proteínas monoméricas.
"Y surgió aquí una dramática pregunta: ¿Y cuál de estas estructuras se considera correcta? - cuenta uno de los principales autores del trabajo, Kirill Kovalev, candidato a doctor en ciencias del Instituto de Física y Tecnología de Moscú. - En general, todas las estructuras son bastante similares, pero el diablo se esconde entre los detalles: precisamente de ellos depende la posibilidad de utilizar un objeto recién descubierto en la práctica científica y clínica".
Y como resultado del trabajo del grupo de científicos liderado por representantes del Instituto de Física y Tecnología de Moscú, se reveló el origen de una gran variedad de estructuras de la nueva proteína. Surgió gracias a que diferentes grupos de investigadores estudiaron la KR2 en condiciones que no eran completamente idénticas. Mientras tanto, una proteína con propiedades únicas era sintetizada por bacterias que habitan en el océano, en un entorno muy especial: la rodea una columna de agua con una concentración estrictamente definida de sal, ácido, pH. Solo en estas condiciones la proteína actúa precisamente como los científicos esperaban: bombea los iones de sodio, formando al mismo tiempo pentámeros en la membrana celular. Una variedad de estructuras de proteínas "falsas" resultaron ser artefactos de cristalización o fueron descubiertas y estudiadas en condiciones cuando la KR2 no posee prácticamente las propiedades en las que la comunidad mundial de optogenética pone grandes esperanzas.
"Por primera vez, modelamos las llamadas condiciones fisiológicas de existencia y operación de la KR2 y, como resultado, describimos la estructura "correcta" de la nueva proteína que aparece cuando las propiedades del medio ambiente son adecuadas. Hemos demostrado que el pentámero es precisamente la unidad funcional de la proteína", - explica Valentín Gordéliy, director del Centro de estudios de mecanismos moleculares de envejecimiento y enfermedades relacionadas con la edad en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú y en el Instituto de biología estructural de Grenoble. "Al mismo tiempo, fue posible explicar la causa de la aparición de errores graves en los numerosos estudios previos de la estructura del objeto".
Los expertos creen que el conocimiento de la verdadera estructura de la rodopsina KR2 revolucionaria para optogenética en condiciones fisiológicas, no sólo es fundamental para comprender el mecanismo de funcionamiento de la proteína, sino que también abre muchas nuevas posibilidades para estudiar el funcionamiento del sistema nervioso de los organismos vivos, para modelar la nueva optogenética y su aplicación en la práctica médica.
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Science Advances