Como as algas poderiam um dia curar o Parkinson

Um olhar sobre a jornada de tecnologia optogenética de água escura para o laboratório de pesquisa.

Um neurônio ativado em um emaranhado de neurônios. [Ilustração cortesia de Ed Boyden | MIT Instituto McGovern]

01/08/2016 - Já viu uma forma de filme verde em uma lagoa imóvel? Isso acontece porque a alga precisa de luz solar para completar o ciclo da fotossíntese, o processo que utiliza para converter dióxido de carbono e água em açúcar que ela "come". É essa unidade para buscar a luz que faz a Chlamydomonas reinhardtii, uma alga unicelular, uma superstar na pesquisa do cérebro e do núcleo da tecnologia optogenética que utiliza proteínas sensíveis à luz para estudar como os neurônios utilizam sinais eletroquímicos para produzir memórias, pensamentos e comportamentos . Ela está ajudando cientistas em doenças cerebrais e distúrbios, tais como Parkinson, esquizofrenia, depressão, acidente vascular cerebral, PTSD, vício, algumas formas de cegueira, e muito mais.

"A forma ideal para estudar a propriedade de diferentes tipos de neurônios é controlar diversos tipos de células de forma independente e ver o que acontece quando você altera um tipo de célula. A optogenética ajuda a realizar este objetivo", diz Feng Zhang, membro do núcleo do Instituto Broad do Instituto de tecnologia de Massachusetts (MIT) e Harvard, que fazia parte da equipe da Universidade de Stanford que criou a tecnologia. "As células do cérebro normalmente não são sensíveis à luz. Então, através da introdução de proteínas sensíveis à luz em tipos específicos de neurônios, agora podemos controlar seletivamente o tipo específico de neurônio por um raio de luz no cérebro."

AS DESCOBERTAS
As proteínas Chlamydomonas, chamadas channelrhodopsins, foram descobertas na alga por uma equipe de investigação Centro de Ciência Texas Saúde em 2002. Liderados por John Spudich, diretor do Centro de Biologia de Membrana na Universidade de Texas-Houston Medical School, eles descobriram que a proteína não somente visa luz, mas também gera correntes elétricas quando exposta a ela. Chlamydomonas então usa essa energia para se movimentar em direção à luz.

Um documento de 2003 subsequente de pesquisadores alemães Georg Nagel, Ernst Bamberg, e Peter Hegemann mostrou que os channelrhodopsins não eram apenas úteis para a fotossíntese, mas também poderiam estimular correntes elétricas em células animais. E esse foi o grande avanço que Ed Boyden e sua equipe estavam esperando.

A CONEXÃO
Em 2000, a Boyden, que atualmente é professor associado no departamento de engenharia biológica e cérebro e ciências cognitivas do MIT, e seu orientador na Universidade de Stanford Karl Deisseroth, tinham começado a sonhar com maneiras de controlar e estudar os neurônios, os blocos de construção do sistema nervoso. Boyden tinha treinado em engenharia elétrica e física antes de perseguir seu PhD em neurociência na Universidade de Stanford, e ele ficou fascinado com o explorar das atividades elétricas dos neurônios. Os pensamentos do par se mantiveram voltando-se para usar a luz.

Por que ir por esse caminho? "A luz é fácil de manipular. Podemos rapidamente dirigir e controlar os padrões de flash de luz. Sinais neuronais são muito rápidos, na escala de tempo de centésimo de segundo, de modo que a capacidade de transformar rapidamente luz dentro e fora faz com que seja possível controlar neurônios à taxa que eles normalmente sinalizam um ao outro ", explica Zhang, que entrou na equipe no final de 2004.

Então, quando Boyden leu o jornal alemão, estava tudo clicado. "Então, tudo que temos que fazer é levar esse DNA, colocá-lo em um vetor de terapia genética, como um vírus, e colocá-lo em neurônios," Boyden disse durante uma TED Discussão sobre a gênese da optogenética em 2011. Zhang, que tem um fundo de biologia molecular, assumiu a tarefa.

"Meu primeiro desafio foi descobrir uma maneira de colocar channelrodopsina-2 em neurônios de forma confiável e segura. Eu modifiquei o vírus HIV de modo que em vez de entrega de conteúdo viral nas células infectadas, o vírus modificado iria entregar um gene para a proteína sensível à luz", diz Zhang. "Em seguida, Ed e eu fizemos brilhar luz azul sobre os neurônios infectados e medidos se despedindo depois de serem expostos. Ficamos muito felizes de ver que fomos capazes de controlar o padrão de neurônios de sinalização piscando diferentes seqüências de flashes de luz."

Animados, eles introduziram a proteína derivada de alga para os neurônios de um rato vivo, e usaram fibras ópticas para enviar luz para o cérebro e controlar com êxito esses neurônios. O resto é, como dizem, a história.

O FUTURO
Hoje em dia, a optogenética é o novo garoto super-quente na escola que todo mundo quer fazer amizade. Laboratórios ao redor do mundo estão usando-e expandindo a tecnologia que a equipe de Stanford criou para aprender como os vários tipos de neurônios contribuem para a função e comportamento de camundongos, ratos, nematóides, moscas de frutas, peixe-zebra, e até mesmo primatas não-humanos (que foi o primeiro realizado pelo grupo de Boyden no MIT). E a tecnologia é crucial para os Institutos Nacionais de novo Brain Research da Saúde através do avanço inovador neurotecnologias (cérebro) Initiative, que é parte do foco do presidente Obama no melhor entendimento do cérebro humano.

"Estudos de muitos laboratórios já começaram a identificar os circuitos específicos de neurônios envolvidos na função cognitiva normal, como memória e aprendizagem, bem como processos de doenças tais como a doença de Parkinson, depressão e autismo. Os resultados desses estudos habilitados por optogenética vai permitir-nos entender melhor doenças do cérebro e informar novas estratégias terapêuticas", diz Zhang.

Por exemplo, um estudo conduzido Deisseroth que determinados sintomas da doença de Parkinson em ratos pode ser reduzido por ativação de neurónios na região do núcleo subtalâmico do seu cérebro. E um estudo NIH constatou que disparar um conjunto específico de neurônios poderia causar ou aliviar os sintomas de depressão em camundongos em um instante.

Mas Zhang afirma que os cientistas ainda não estão prontos para usar as ferramentas diretamente no cérebro humano. "Ainda há muitos desafios e questões que precisam ser abordadas antes optogenética poder ser aplicada em seres humanos para fins terapêuticos, por exemplo, precisamos entender melhor a toxicidade de proteínas de canais iônicos sensíveis à luz:. Será que eles desencadeam respostas imunes indesejáveis ​​quando introduzimos no corpo?"

A corrida é para descobrir as respostas que podem desvendar os mistérios do mais intrincado computador de três libras do mundo, tudo graças a uma alga unicelular. Original em inglês, tradução Google, revisão Hugo. Fonte: Fast Company.