Peter Hegemann, biofísico de la Universidad Humboldt, ha dedicado su carrera a explorar las interacciones entre las proteínas y la luz. Específicamente, estudia cómo los fotorreceptores detectan y responden a la luz, centrándose principalmente en rodopsinasuna familia de fotorreceptores de membrana en animales, plantas, hongos, protistas y procariotas.¹ Al principio de su carrera, su curiosidad lo llevó a encontrar una rodopsina desconocida en las algas verdes que luego demostró tener aplicaciones útiles en la investigación de la neurociencia. Hegemann se convirtió en un pionero en el campo de la optogenética, que revolucionó la forma en que los científicos establecen vínculos causales entre la actividad neuronal y el comportamiento.

A principios de la década de 1980, durante sus estudios de posgrado en el Instituto Max Planck de Bioquímica, Hegemann pasó sus días explorando rodopsinas en bacterias y arqueas. Sin embargo, el campo estaba abarrotado y estaba ansioso por estudiar una rodopsina de la que los científicos no sabían nada. Sobre esta hora, Kenneth Fosterbiofísico de la Universidad de Syracuse, estaba investigando si las algas verdes clamidomonas, un eucariota unicelular fotosintético relacionado con las plantas, utilizó una rodopsina en su orgánulo de la mancha ocular para detectar la luz y hacer que las algas naden. Luchó por identificar la proteína en sí, por lo que dio un rodeo y comenzó a interferir con moléculas cercanas que interactúan con las rodopsinas.²

Las rodopsinas requieren la pequeña molécula de retina para funcionar como fotorreceptor. Cuando Foster se agotó clamidomonas de su propia retina, las algas eran incapaces de utilizar la luz para dirigir el movimiento, un comportamiento que se restableció cuando introdujo análogos de retina. En 1985, Hegemann se unió al grupo de Foster como investigador postdoctoral para continuar este trabajo. «Quería encontrar algo nuevo», dijo Hegemann. «Por lo tanto, trabajé en un organismo exótico y un tema exótico». Un año después, Hegemann inició su propio grupo de investigación en el Instituto Max Planck de Bioquímica, donde buscó la rodopsina del alga verde que Foster propuso que debería existir.

Interferir con la retina fue relativamente fácil para Foster, pero identificar la rodopsina resultó un desafío. La clonación de genes aún no era común y los investigadores lucharon por purificar y estudiar proteínas. Pero bacteriorrodopsina encontrado en arqueas que habitan en agua salada era fácil de recolectar en grandes cantidades y era estable a temperatura ambiente.³ Sin embargo, no se puede decir lo mismo de la rodopsina, el alga verde de Hegemann. Esta proteína, inestable y producida en bajas concentraciones, eludió los esfuerzos de su grupo para identificarla o purificarla. Basándose en los experimentos de Foster con la retina, Hegemann estaba seguro de que las algas verdes portaban rodopsina, incluso si estaba fuera de su alcance. Necesitaba abordar el problema desde un ángulo diferente. «La bioquímica falló porque no pudimos purificar la proteína», dijo Hegemann. «Pero la electrofisiología nos mantuvo vivos».

Cuando las rodopsinas detectan luz, activan la apertura de canales iónicos en la membrana celular, lo que permite que los iones inunden el interior de la célula e inicien procesos celulares. Con sus experimentos de electrofisiología, su grupo estudió cómo la rodopsina del alga verde provocaba el flujo de iones en diferentes regiones de la célula. Esto requirió un mutante de algas verdes que carecía de pared celular, lo que les permitía acceder a diferentes partes de la membrana celular. Cuando utilizaron una pipeta de succión para aislar temporalmente diferentes regiones de la célula, como la mancha ocular o el flagelo, pudieron medir el flujo de iones a través de esa región de la membrana en respuesta a destellos de luz. A partir de estos experimentos, Hegemann y sus colegas propuso un mecanismo mediante el cual las algas verdes nadan hacia o alejándose de la luz.⁴ Plantearon la hipótesis de que la luz activa la rodopsina, que activa un canal iónico separado para abrir sus compuertas y permitir que los iones de calcio entren en la célula para poner en marcha el motor flagelar de las algas.

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Con las mejoras en su técnica de electrofisiología llegaron nuevos conocimientos. Experimentos más precisos revelaron que algo andaba mal en el mecanismo propuesto. Descubrieron que sólo hacía falta 50 microsegundos para que la rodopsina active el flujo de iones a través de la célula después de un destello de luz, que es 2000 veces más rápido que el parpadeo del ojo humano.⁵ Este tiempo fue inusualmente rápido para cualquier sistema eucariota que utilizara rodopsina. A esta velocidad, la hipótesis de Hegemann de que estuvieran en juego múltiples proteínas era improbable, por lo que revisó su pensamiento. «Postulamos que debe ser una proteína», dijo.

A pesar de su éxito al utilizar un enfoque de electrofisiología, el equipo de Hegemann no pudo estudiar cómo la supuesta rodopsina única impulsó toda la operación hasta que identificaron la proteína en cuestión. En 2002, otro grupo produjo un biblioteca de ADNc de los genes de las algas verdes, y el equipo finalmente identificó no una sino dos rodopsinas.⁶ los nombraron canalrodpsina-1 y canalrodopsina-2y demostró que cada proteína desencadenaba de forma independiente el movimiento de iones en respuesta a la luz. ^7,8

Hegemann tardó 16 años en identificar los fotorreceptores, durante los cuales luchó por conseguir subvenciones y financiación. “Lo talan en muchos casos”, lamentó. «Fue difícil hacer una investigación». Pero perseveró y destacó ante otros en el campo que las canalrodopsinas podrían tener aplicaciones de investigación útiles. «Mi experiencia es que si trabajas en algo realmente interesante y puedes explicarle al comité de revisión que se trata de un problema importante, entonces son más pacientes», dijo.

Dado que cada canalrodopsina funciona como un fotorreceptor sensible a la luz y un canal iónico, todo en uno, Hegemann vio el potencial de manipular su actividad utilizando la luz. La canalrodopsina-2 se vio favorecida sobre la canalrodopsina-1 porque era más abundante y provocaba un mayor flujo de iones en condiciones de iluminación más tenue.⁸ Cuando Hegemann introdujo el fotorreceptor en las membranas de los huevos de rana o de las células de riñón embrionario humano y alumbró las células con una luz, los iones positivos entraron rápidamente en la célula, haciendo que el interior estuviera más cargado positivamente.^7,8 Dado que las células utilizan cambios rápidos de carga para desencadenar procesos celulares, la canalrodopsina-2 parecía una herramienta atractiva para manipular las células de esta manera.

Esto resultó especialmente útil para controlar las neuronas. Los neurocientíficos querían controlar la actividad cerebral con luz utilizando una técnica llamada optogenética.⁹ Intentaron usar otras rodopsinas para agitar el flujo de iones en las neuronas y desencadenar señales eléctricas cerebrales, pero sus experimentos fracasaron porque el las respuestas eléctricas fueron demasiado lentas.^10,11 «Los potenciales de acción se activan rápidamente y, por lo tanto, la velocidad es importante», dijo Hegemann. Los neurocientíficos pronto optaron por la canalrodpsina-2 ultrarrápida descubierta por el grupo de Hegemann. Esta rodopsina se convirtió en la primer fotorreceptor ampliamente utilizado en estudios de optogenética, lo que permite a los neurocientíficos excitar neuronas seleccionadas con luz y estudiar cómo afectan el comportamiento.¹²

«La optogenética realmente está transformando la forma en que la gente investiga hoy en neurociencia», dijo Valentina Emiliani, investigador de fotónica del Instituto de la Visión de París que colabora con Hegemann. Anteriormente, los investigadores tenían que confiar en estudios observacionales para detectar patrones entre las señales cerebrales y el comportamiento, pero ahora pueden controlar las neuronas con luz y vincular su actividad con vuelo, detección de oloresy dormir en moscas de la fruta, así como ansiedad, cazay vinculación social en ratones, entre otros comportamientos.^13-18

Más allá del banco, la optogenética también ha encontrado aplicaciones terapéuticas. Emiliani señaló que la gente está utilizando herramientas optogenéticas para restaurar la visión mediante la introducción de canalrodopsinas en las células de la retina mediante terapia génica.¹⁹ «La amplia aplicación fue completamente inesperada», afirmó Hegemann.

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El descubrimiento de estas canalrodopsinas fue posible gracias a que el equipo de Hegemann diversificó sus habilidades y comenzó a realizar experimentos de electrofisiología. Continúa alentando a los miembros de su equipo a adoptar un enfoque multidisciplinario. Anika Spreenuno de sus estudiantes de posgrado que comenzó en física, dijo: «Siempre me decía: ‘Sé que lleva mucho tiempo cambiar de campo y aprender todos estos nuevos métodos, pero al final vale la pena'». «Él invierte su tiempo en ti, y esto siempre fue un hecho».

Su impulso por comprender el funcionamiento de los fotorreceptores no ha disminuido desde que comenzó su grupo. Spreen comentó que impulsa a los miembros de su equipo a comprender los fotorreceptores a un nivel más profundo. Emiliani dijo: «También está profundamente convencido de la importancia de la investigación fundamental».

Ahora, su grupo se centra en Refinación de canalrodopsinas para aplicaciones optogenéticas. ajustando su capacidad de respuesta a diferentes longitudes de onda y la velocidad con la que estimulan a los iones para que ingresen a las células.²⁰ Emiliani dijo: “Es realmente apasionado y esto es algo contagioso. Después de un tiempo, las personas que lo rodean pueden sentir la misma pasión”.

Mirando hacia el futuro, Hegemann impulsó la construcción de un nuevo instituto de investigación en su universidad, que comenzará en 2028, y que se centrará en la biología óptica. Su objetivo es utilizar inteligencia artificial para predecir la estructura y propiedades de rodopsinas inexploradas y estudiar cómo las proteínas responden a otros estímulos, como los campos magnéticos.

Por sus contribuciones al campo de la optogenética, Hegemann recibió el Premio 2020 Premio Shaw. “Si no tienes ciencia básica, no hay nada que puedas aplicar. La aplicación proviene de una investigación básica. Muchas tecnologías innovadoras provienen de campos completamente diferentes”, afirmó.

Referencias

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