26 junio, 2011

La luz azul como interruptor de genes

Activar y desactivar genes no es una tarea tan sencilla como prender o apagar un foco, aunque, según un artículo publicado en el último número de Science, ya estamos cerca de hacerlo. Científicos del Instituto Tecnológico Federal de Suiza han combinando la biología sintética y la optogenética para desarrollar células capaces de activar ciertos genes simplemente prendiendo un foco azul.

mice_optogenetics

La optogenética es una herramienta que usa la luz para expresar ciertos genes y activar determinados procesos metabólicos y fisiológicos en los tejidos vivos. La base de esta técnica se encuentra en un fotopigmento encontrado en las células fotosensibles de la retina llamado melanopsina, que es un receptor acoplado a la proteína G*. La melanopsina tiene en su estructura un cromóforo llamado 11-cis-retinal, quien es el encargado de absorber la luz azul.

* Los receptores acoplados a la proteína G son los encargados de conectar el exterior con el interior de las células. Consta de una proteína que atraviesa la membrana celular (receptor) y una proteína encargada de transmitir la señal captada por el receptor llamada proteína G. Gracias a ellos, las células pueden activar determinadas vías metabólicas y fisiológicas en respuesta a un estímulo externo.

Cuando la luz incide en nuestros ojos, el 11-cis-retinal presente en la melanopsina absorbe la luz azul (~480nm) desencadenando una serie de reacciones bioquímicas que provocan la activación del canal receptor de potencial transitorio (TRPC). Este canal permite el ingreso de iones calcio (Ca2+) hacia el citoplasma, ya sea desde el exterior o desde el retículo endoplasmático. Luego, los Ca2+ que se van acumulando en el citoplasma activan un par de reacciones bioquímicas en la que están involucradas la calmodulina y la calcineurina. La calmodulina es una proteína sensora de calcio que se activa cuando las concentraciones citoplasmáticas de este ión aumentan. Esta proteína sensora fosforila a la calmodulina quien transfiere este grupo fosfato al factor nuclear de células T activadas (NFAT) para activarlo y pueda entrar al núcleo. Finalmente, este factor reconoce la región promotora PNFAT para activar la expresión de ciertos genes.

Aquí les pongo una ilustración para que entiendan como se da este proceso de transducción de señales.

melanopsin

Lo que hicieron Ye et al. fue introducir el gen que codifica para la melanopsina en diferentes líneas celulares de humanos y ratones. Además, insertaron conjuntamente el gen que codifica para la luciferasa (enzima que genera la bioluminiscencia) bajo el control del promotor PNFAT. De esta manera, si las células producen bioluminiscencia al ser sometidas a la luz azul indicaría que este sistema de transducción de señales puede funcionar en otros tipos celulares y no solo en las células fotosensibles de la retina. Los mejores resultados se obtuvieron con la línea celular renal embrionaria (HEK293).

Para corroborar estos resultados, repitieron el experimento con las HEK293 pero esta vez reemplazaron la luciferasa por una fosfatasa alcalina y por la proteína amarilla fluorescente. La máxima expresión se dio a las 24 horas de haber sido sometidos a pulsos continuos de luz azul de 5 segundos, en intervalos de 10 segundos. Estos resultados indican que los componentes endógenos (propios de la línea celular) de la vía de transducción activada por la melanopsina funcionan correctamente.

Luego, Ye et al. llevaron estos experimentos a una escala superior. Cultivaron la células en pequeños biorreactores de 200ml (~ 5*107 células) y estudiaron la producción de la fosfatasa alcalina por 10 días. Los datos mostraron que la producción de esta enzima aumentaba con el paso de los días.

Ahora sólo quedaba probar si este mecanismo podría funcionar in vivo. Para esto Ye  et al. introdujeron las células HEK293 productoras de la fosfatasa alcalina activada por luz  microencapsuladas dentro de los ratones. Los niveles de fosfatasa alcalina presentes en el suero del ratón demostraron que los implantes de células activadas por luz funcionaban correctamente. En otras palabras, los ratones empezaron a producir la fosfatasa alcalina cuando eran sometidos a pulsos de luz azul.

blue-light

Distintas pruebas realizadas por Ye et al. Primero en placas petri (sup. izq), luego en un pequeño biorreactor de 200ml (med. izq), luego introduciendo las células encapsuladas intraperitonealmente (der) y subcutáneamente (inf. izq).

Finalmente, al ver que este mecanismo funcionaba en ratones vivos, Ye et al. se preguntaron si se podía usar con fines terapéuticos. Para ello usaron una línea de ratones diabéticos al cual le introdujeron subcutáneamente una microcápsula portando las células HEK293 modificadas para producir el péptido similar al glucagón tipo 1.  Este péptido es un potente modulador de los niveles de glucosa en sangre a través del aumento de los niveles de insulina, así que tiene un potencial uso como agente terapéutico para controlar la diabetes tipo 2.

Los ratones fueron sometidos a 48 horas de pulsos de luz azul para activar el mecanismo de transducción dependiente de la melanopsina. Al cabo de este tiempo, los investigadores observaron que los niveles de insulina en sangre aumentaron mientras que los niveles de glucosa se redujeron significativamente. Sin dudas son resultados muy alentadores ya que podría optimizarse para que funcione en el hombre y de esta manera tener un método eficaz para tratar las patologías relacionadas con los niveles de glucosa en sangre.

Para concluir, este mecanismo podría ser aprovechado por la industria farmacéutica cuyo principal problema al momento de producir agentes terapéuticos recombinantes, sobre todo los anticancerígenos, es que estos productos afectan el crecimiento y la viabilidad de sus células productoras ya que su función es esa —detener el ciclo celular y/o inducir la apoptosis. Para evitar esto, la producción de estos agentes terapéuticos debe darse en momentos específicos del desarrollo celular, por ejemplo, en la fase estacionaria, para así reducir los efectos perjudiciales sobre su viabilidad y crecimiento. Y para que esto sea posible, se debe tener la capacidad de activar esos genes en un momento preciso. Así que ahora podemos ver con claridad el gran potencial de esta técnica.


Referencia:

ResearchBlogging.orgYe, H., Baba, M., Peng, R., & Fussenegger, M. (2011). A Synthetic Optogenetic Transcription Device Enhances Blood-Glucose Homeostasis in Mice Science, 332 (6037), 1565-1568 DOI: 10.1126/science.1203535

Esta entrada participa en el V Carnaval de Biología celebrado en Feelsynapsis.

carnava_biologia_300

5 comentarios:

  1. Cómo mola! Lo que no acabo de entender es: si las células HEK293 se introducen dentro del ratón... ¿cómo les llega la luz azul? Felicidades por la entrada ^_^!

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  2. Gracias,
    La luz llega a través de un cable de fibra óptica de 200um, esto cuando las células son introducidas intraperitonealmente ;)

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  3. aaaaaaaaaaaaaaaaaa ok ok, pensé que sólo los iluminaban por fuera y eso no tenía mucho sentido. Entonces su uso es un poco invasivo siempre y cuando no sea en casos superficiales. Pero bueno, es un avance. Voy a buscar un hueco para leerme el artículo!

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  4. Pero, eso no termina ahí, también introdujeron las células encapsuladas subcutáneamente, y ya no necesitaron de la fibra óptica, bastaba con iluminarlos externamente (tal como se muestra en la figura) para activar los genes. La luz puede atravesar un cierto grosor de tejido, y la piel es lo suficientemente delgada como para ser atravesada.

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  5. Muy bien que se investigue sobre envejecimiento humano y trate de prolongarse la juventud, Pero ¡¡¡NO CON RATONES!!! ni con ningún otro animal.

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