Los investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI han tenido éxito por primera vez en registrar, en acción, una bomba de sodio impulsada por la luz de células bacterianas. Los resultados prometen progreso en el desarrollo de nuevos métodos en neurobiología. Los investigadores utilizaron la nueva Xrayos láser de electrones libres SwissFEL para sus investigaciones. Han publicado sus hallazgos hoy en la revista Naturaleza .
El sodio, que se encuentra en la sal de mesa ordinaria, juega un papel esencial en los procesos vitales de la mayoría de las células biológicas. Muchas células acumulan un gradiente de concentración entre su interior y el medio ambiente. Para este propósito, bombas especiales en el transporte de la membrana celularel sodio sale de la célula. Con la ayuda de tal gradiente de concentración, las células del intestino delgado o los riñones, por ejemplo, absorben ciertos azúcares.
Estas bombas de sodio también se encuentran en las membranas de las bacterias. Pertenecen a la familia de las llamadas rodopsinas. Son proteínas especiales que son activadas por la luz. Por ejemplo, las rodopsinas transportan el sodio fuera de la célula en el caso debacterias que viven en el océano, como Krokinobacter eikastus. El componente crucial de la rodopsina es la llamada retina, una forma de vitamina A. Tiene una importancia central para los humanos, los animales, ciertas algas y muchas bacterias.El ojo humano, por ejemplo, la retina inicia el proceso visual cuando cambia de forma bajo la influencia de la luz.
Creación de películas a la velocidad del rayo
Los investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI ahora han logrado capturar imágenes de la bomba de sodio de Krokinobacter eikastus en acción y documentar los cambios moleculares necesarios para el transporte de sodio. Para ello, utilizaron una técnica llamada cristalografía en serie de femtosegundos. Un femtosegundo es uno-milonésima parte de un segundo; un milisegundo es la milésima parte. La muestra a examinar, en este caso una bomba de sodio cristalizada, es golpeada primero por un láser y luego por un haz de rayos X. En el caso de la rodopsina bacteriana, el láser activa la retina y el haz de rayos X posterior proporciona datos sobre los cambios estructurales dentro de la molécula de proteína completa. Dado que SwissFEL produce 100 de estos pulsos de rayos X de femtosegundos por segundo, las grabaciones se pueden hacer con alta resolución temporal ".solo puede lograr una resolución temporal en el rango de femtosegundos en PSI con la ayuda de SwissFEL ", dice Christopher Milne, quien ayudó a desarrollar la estación experimental Alvra donde se realizaron las grabacionese hecho."Uno de los desafíos es inyectar los cristales en la configuración para que cumplan los pulsos del láser y el haz de rayos X con precisión".
Bomba en acción
En el experimento actual, los intervalos de tiempo entre el láser y los pulsos de rayos X estaban entre 800 femtosegundos y 20 milisegundos. Cada pulso de rayos X crea una sola imagen de un cristal de proteína. Y al igual que una película de cine consiste en ungran cantidad de fotografías individuales que se unen en una serie y se reproducen rápidamente, las imágenes individuales obtenidas con la ayuda de SwissFEL se pueden juntar para formar una especie de película.
"El proceso que pudimos observar en nuestro experimento, y que corresponde aproximadamente al transporte de un ion de sodio a través de una membrana celular, toma un total de 20 milisegundos", explica Jörg Standfuss, quien encabeza el grupo por tiempo-resolvió la cristalografía en la División de Biología y Química de PSI. "Además de dilucidar el proceso de transporte, también pudimos mostrar cómo la bomba de sodio logra su especificidad para el sodio a través de pequeños cambios en su estructura". Esto asegura que solo iones de sodio, y nose transportan otros iones cargados positivamente. Con estas investigaciones, los investigadores también revelaron los cambios moleculares a través de los cuales la bomba evita que los iones de sodio que han sido transportados fuera de la célula fluyan de regreso a ella.
Avances en optogenética y neurobiología
Dado que las diferencias de concentración de sodio también juegan un papel especial en la forma en que las células nerviosas conducen los estímulos, las neuronas tienen potentes bombas de sodio en sus membranas. Si fluye más sodio al interior de la célula, se transmite un estímulo. Estas bombas transportan el exceso de sodio enla celda al exterior otra vez.
Dado que la bomba de sodio de Krokinobacter eikastus es impulsada por la luz, los investigadores ahora pueden usarla para la denominada optogenética. Con esta tecnología, las células, en este caso las células nerviosas, se modifican genéticamente de tal manera que pueden controlarse medianteluz. La bomba se instala en las células nerviosas utilizando métodos de genética molecular. Si luego se activa por la luz, una neurona ya no puede transmitir estímulos, por ejemplo, ya que esto requeriría un aumento en la concentración de sodio en la célula nerviosa., la rodopsina bacteriana previene esto mediante el transporte continuo de sodio fuera de la célula. Por lo tanto, las bombas de sodio activas hacen que una neurona esté inactiva.
"Si entendemos exactamente lo que está sucediendo en la bomba de sodio de la bacteria, puede ayudar a mejorar los experimentos en optogenética", dice Petr Skopintsev, un candidato a doctorado en el grupo de cristalografía de resolución temporal. "Por ejemplo, puedese utilizará para identificar variantes de rodopsina bacteriana que funcionan más eficazmente que la forma que generalmente se encuentra en Krokinobacter ". Además, los investigadores esperan obtener información sobre cómo las mutaciones individuales pueden cambiar las bombas de iones para que luego transporten iones distintos al sodio.
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Materiales proporcionado por Instituto Paul Scherrer . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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