Proteína “magneto”: geneticamente modificada para controlar cérebros e comportamento

Pesquisadores nos Estados Unidos desenvolveram um novo método para controlar os circuitos cerebrais associados a comportamentos animais complexos, usando engenharia genética para criar uma proteína magnetizada que ativa grupos específicos de células nervosas à distância.

Entender como o cérebro gera comportamento é um dos objetivos finais da neurociência - e uma de suas questões mais difíceis. Nos últimos anos, os pesquisadores desenvolveram uma série de métodos que os permitem controlar remotamente grupos específicos de neurônios e sondar o funcionamento dos circuitos neuronais.

O mais poderoso deles é um método chamado optogenética, que permite aos pesquisadores ligar ou desligar populações de neurônios relacionados em uma escala de tempo de milissegundo por milissegundo com pulsos de luz laser. Outro método desenvolvido recentemente, chamado quimiogenética, usa proteínas projetadas que são ativadas por drogas projetadas e podem ser direcionadas a tipos específicos de células.

Embora poderosos, ambos os métodos têm desvantagens. A optogenética é invasiva, exigindo a inserção de fibras ópticas que entregam os pulsos de luz ao cérebro e, além disso, a extensão em que a luz penetra no tecido cerebral denso é severamente limitada. As abordagens quimiogenéticas superam essas duas limitações, mas normalmente induzem reações bioquímicas que levam vários segundos para ativar as células nervosas.

A nova técnica, desenvolvida em Ali Gulerdo laboratório da University of Virginia em Charlottesville, e descrito em uma publicação online antecipada no jornal Nature Neuroscience, não é apenas não invasivo, mas também pode ativar neurônios de forma rápida e reversível.

Vários estudos anteriores mostraram que as proteínas das células nervosas que são ativadas por calor e pressão mecânica podem ser geneticamente modificadas para que se tornem sensível a ondas de rádio e Campos magnéticos, anexando-os a uma proteína armazenadora de ferro chamada ferritina ou a partículas paramagnéticas inorgânicas. Esses métodos representam um avanço importante - eles, por exemplo, já foram usados ​​para regular os níveis de glicose no sangue em camundongos - mas envolvem vários componentes que devem ser introduzidos separadamente.

A nova técnica se baseia neste trabalho anterior e é baseada em uma proteína chamada TRPV4, que é sensível a ambas as temperaturas e forças de alongamento. Esses estímulos abrem seu poro central, permitindo que a corrente elétrica flua através da membrana celular; isso evoca impulsos nervosos que viajam para a medula espinhal e, em seguida, para o cérebro.

Na Vivo manipulação do comportamento do peixe-zebra usando Magneto. Larvas do peixe-zebra exibem comportamento de enrolamento em
resposta a campos magnéticos localizados. De Wheeler et al (2016).

Güler e seus colegas raciocinaram que as forças de torque magnético (ou rotativas) podem ativar o TRPV4 puxando seu poro central, e então eles usaram a engenharia genética para fundir a proteína à região paramagnética da ferritina, junto com sequências curtas de DNA que sinalizam as células para transportar proteínas na membrana da célula nervosa e inseri-las nela.

Quando eles introduziram essa construção genética em células renais embrionárias humanas crescendo em placas de Petri, as células sintetizaram a proteína 'Magneto' e a inseriram em sua membrana. A aplicação de um campo magnético ativou a proteína TRPV1 projetada, como evidenciado por aumentos transitórios na concentração de íons de cálcio dentro das células, que foram detectados com um microscópio de fluorescência.

Em seguida, os pesquisadores inseriram a sequência de DNA do Magneto no genoma de um vírus, junto com o gene que codifica a proteína fluorescente verde, e sequências de DNA regulatórias que fazem com que a construção seja expressa apenas em tipos específicos de neurônios. Eles então injetaram o vírus no cérebro de camundongos, tendo como alvo o córtex entorrinal, e dissecaram os cérebros dos animais para identificar as células que emitiam fluorescência verde. Usando microeletrodos, eles mostraram que a aplicação de um campo magnético nas fatias do cérebro ativou Magneto para que as células produzissem impulsos nervosos.

Para determinar se Magneto pode ser usado para manipular a atividade neuronal em animais vivos, eles injetaram Magneto em larvas de peixe-zebra, visando neurônios no tronco e cauda que normalmente controlam uma resposta de escape. Eles então colocaram as larvas do peixe-zebra em um aquário magnetizado especialmente construído e descobriram que a exposição a um campo magnético induzia manobras em espiral semelhantes às que ocorrem durante a resposta de fuga. (Este experimento envolveu um total de nove larvas de peixe-zebra, e análises subsequentes revelaram que cada larva continha cerca de 5 neurônios expressando Magneto.)

Leia a história completa aqui…