Proteina "Magneto": geneticamente modificata per controllare il cervello e il comportamento

Ricercatori negli Stati Uniti hanno sviluppato un nuovo metodo per controllare i circuiti cerebrali associati a comportamenti animali complessi, utilizzando l'ingegneria genetica per creare una proteina magnetizzata che attiva a distanza gruppi specifici di cellule nervose.

Capire come il cervello genera il comportamento è uno degli obiettivi finali delle neuroscienze e una delle sue domande più difficili. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno sviluppato una serie di metodi che consentono loro di controllare a distanza gruppi specifici di neuroni e di sondare il funzionamento dei circuiti neuronali.

Il più potente di questi è un metodo chiamato optogenetics, che consente ai ricercatori di attivare o disattivare popolazioni di neuroni correlati su una scala temporale millisecondo per millisecondo con impulsi di luce laser. Un altro metodo di recente sviluppo, chiamato chemogenetica, utilizza proteine ​​ingegnerizzate che vengono attivate da farmaci di design e possono essere mirate a specifici tipi di cellule.

Sebbene potenti, entrambi questi metodi presentano degli svantaggi. L'optogenetica è invasiva, richiede l'inserimento di fibre ottiche che forniscono gli impulsi luminosi nel cervello e, inoltre, la misura in cui la luce penetra nel tessuto cerebrale denso è fortemente limitata. Gli approcci chemiogenetici superano entrambe queste limitazioni, ma in genere inducono reazioni biochimiche che impiegano diversi secondi per attivare le cellule nervose.

La nuova tecnica, sviluppata in Ali Guler's lab presso l'Università della Virginia a Charlottesville, e descritta in una pubblicazione online anticipata sulla rivista Nature Neuroscience, non è solo non invasivo, ma può anche attivare i neuroni in modo rapido e reversibile.

Diversi studi precedenti hanno dimostrato che le proteine ​​delle cellule nervose che vengono attivate dal calore e dalla pressione meccanica possono essere ingegnerizzate geneticamente in modo che diventino sensibile alle onde radio e campi magnetici, legandoli a una proteina che immagazzina il ferro chiamata ferritina o a particelle paramagnetiche inorganiche. Questi metodi rappresentano un importante passo avanti: sono già stati utilizzati, ad esempio, per regolare i livelli di glucosio nel sangue nei topi – ma coinvolgono più componenti che devono essere introdotte separatamente.

La nuova tecnica si basa su questo lavoro precedente e si basa su una proteina chiamata TRPV4, che è sensibile ad entrambe le temperature e forze di stiramento. Questi stimoli aprono il suo poro centrale, permettendo alla corrente elettrica di fluire attraverso la membrana cellulare; questo evoca impulsi nervosi che viaggiano nel midollo spinale e poi fino al cervello.

in vivo manipolazione del comportamento del pesce zebra usando Magneto. Le larve di zebrafish mostrano un comportamento di avvolgimento in
risposta a campi magnetici localizzati. Da Wheeler et al (2016).

Güler e i suoi colleghi hanno pensato che le forze magnetiche di torsione (o rotanti) potrebbero attivare TRPV4 aprendo il suo poro centrale, e così hanno usato l'ingegneria genetica per fondere la proteina nella regione paramagnetica della ferritina, insieme a brevi sequenze di DNA che segnalano alle cellule di trasportare proteine ​​alla membrana delle cellule nervose e inserirle in essa.

Quando hanno introdotto questo costrutto genetico nelle cellule renali embrionali umane che crescono in piastre di Petri, le cellule hanno sintetizzato la proteina "Magneto" e l'hanno inserita nella loro membrana. L'applicazione di un campo magnetico ha attivato la proteina TRPV1 ingegnerizzata, come evidenziato da aumenti transitori della concentrazione di ioni calcio all'interno delle cellule, che sono stati rilevati con un microscopio a fluorescenza.

Successivamente, i ricercatori hanno inserito la sequenza del DNA di Magneto nel genoma di un virus, insieme al gene che codifica per la proteina fluorescente verde e sequenze di DNA regolatorie che fanno sì che il costrutto venga espresso solo in determinati tipi di neuroni. Hanno quindi iniettato il virus nel cervello dei topi, prendendo di mira la corteccia entorinale, e hanno sezionato il cervello degli animali per identificare le cellule che emettevano fluorescenza verde. Usando microelettrodi, hanno poi dimostrato che l'applicazione di un campo magnetico alle sezioni del cervello attiva Magneto in modo che le cellule producano impulsi nervosi.

Per determinare se Magneto può essere utilizzato per manipolare l'attività neuronale negli animali vivi, hanno iniettato Magneto nelle larve di zebrafish, prendendo di mira i neuroni nel tronco e nella coda che normalmente controllano una risposta di fuga. Hanno quindi collocato le larve di zebrafish in un acquario magnetizzato appositamente costruito e hanno scoperto che l'esposizione a un campo magnetico induceva manovre di avvolgimento simili a quelle che si verificano durante la risposta di fuga. (Questo esperimento ha coinvolto un totale di nove larve di zebrafish e le analisi successive hanno rivelato che ogni larva conteneva circa 5 neuroni che esprimono Magneto.)

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