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Opsine per attivare neuroni con impulsi di luce rossa

Un ampio screening genetico di più di 1000 specie di vegetali e di alghe ha permesso d’individuare un nuovo tipo di opsine, proteine sensibili alla luce che trovano applicazione negli studi di optogenetica perché consentono di attivare specifici neuroni mediante stimoli luminosi. Le opsine appena scoperte sono sensibili alla luce rossa, e insieme con quelle sensibili alla luce verde-blu già note, consentiranno di studiare contemporaneamente popolazioni di neuroni diverse.

Le opsine sono proteine sensibili alla luce, prodotte da alghe e batteri per rispondere in modo rapido agli stimoli ambientali che, nell’ambito di una branca delle neuroscienze chiamata optogenetica, sono state ingegnerizzate per attivare con stimolazioni luminose specifiche popolazioni di neuroni, aprendo la strada a un preciso studio delle funzioni cerebrali.opsine_rouge_retinal

Sulla rivista “Nature Methods” Nathan C Klapoetke del Massachusetts Institute of Technology a Cambridge, negli Stati Uniti, e colleghi di una collaborazione internazionale riferiscono di aver scoperto un nuovo tipo di opsine sensibili alla luce rossa. Utilizzate insieme con quelle già note, sensibili alla luce verde-blu, queste nuove opsine consentirebbero di studiare contemporaneamente due diverse popolazioni di neuroni, evidenziando funzioni cerebrali più complesse.

Nel campo dell’optogenetica, i ricercatori modificano geneticamente alcune cellule cerebrali per far sì che esprimano un gene che codifica per l’opsina, la cui funzione è di trasportare attraverso la membrana cellulare gli ioni responsabili della propagazione del segnale elettrico nel neurone.

Secondo il tipo di opsina, illuminando una cellula si ottiene un abbassamento del potenziale e quindi l’inibizione dell’impulso nervoso attraverso il neurone, oppure il suo innalzamento, che provoca la propagazione dell’impulso stesso, con un effetto reversibile e quasi istantaneo.

Grazie a questa tecnica, in laboratorio è possibile “accendere” o “spegnere” una specifica popolazione di neuroni, e osservare che cosa succede nel cervello con opportune tecniche di imaging. Finora tuttavia, si poteva attivare solo una popolazione alla volta, perché le opsine note in grado di rispondere alla luce rossa rispondevano anche a quella blu; pertanto risultava impossibile utilizzare un’opsina sensibile al blu e una sensibile al rosso per studiare due popolazioni cellulari diverse.

In quest’ultimo studio, il gruppo del MIT ha condotto un approfonditoscreening del trascrittoma, la parte del DNA che codifica per proteine, di circa 100 piante, incluse alcune alghe. Da questa estesa analisi sono stati selezionati i geni codificanti per opsine, poi testati sul tessuto cerebrale di mammiferi per verificarne la sensibilità alla luce. Sono state così scoperte non solo l’opsina sensibile alla luce rossa, battezzata Chrimson dagli autori, ma anche un’opsina, battezzata Chronos, sensibile alla luce blu e caratterizzata da una notevole rapidità di risposta.

Chronos, spiegano i ricercatori, può essere attivata con livelli di luce blu che sono troppo deboli per attivare anche Chrimson. Queste opsine possono quindi essere utilizzate in diversi tipi di studi che finora non è stato possibile effettuare, aprendo la strada, per esempio, allo studio di diverse popolazioni di cellule nella stessa microcircuitazione cerebrale.

“Se si vogliono studiare due differenti tipi di cellule o due popolazioni dello stesso tipo di cellule per capire come interagiscono bisogna essere in grado di attivarle in modo indipendente”, ha commentato Ed Boyden, che ha partecipato allo studio. “Con queste nuove opsine sarà possibile utilizzare brevi impulsi di tenue luce blu per attivare cellule che esprimono la Chronos e una luce rossa più intensa per attivare quelle che esprimono la Chrimson, senza rischio d’interferenze”.

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