A proteína modificada geneticamente pode controlar remotamente o cérebro e o comportamento?


Cérebro humano simbólico em fundo de inteligência artificial AI com letras azuis - código binário de 4 dígitos atrás de informações conectando linhas e elementos alveolares - Tecnologia cibernética e conceito de automação - Ilustração 3D

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

Objetivos da Neurociência

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 lhes 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 as populações de neurônios relacionados em uma escala de tempo de milissegundo por milissegundo com pulsos de luz laser. Outro método recentemente desenvolvido, chamado quimiogenética, utiliza proteínas projetadas que são ativadas por drogas de design e podem ser direcionadas a tipos específicos de células. Ver final do post em pdf.

Embora poderosos, ambos os métodos têm inconvenientes. A optogenética é invasiva, exigindo a inserção de fibras ópticas que liberam os pulsos de luz no cérebro e, além disso, o grau de penetração da luz no tecido cerebral denso é severamente limitado. As abordagens quimiogenéticas superam essas duas limitações, mas tipicamente induzem reações bioquímicas que levam vários segundos para ativar as células nervosas.

Controle remoto da atividade cerebral com nanopartículas aquecidas

A nova técnica, desenvolvida no laboratório de Ali Güler na Universidade da Virgínia em Charlottesville, e descrita em uma publicação on-line antecipada na revista Nature Neuroscience, não só não é invasiva, como também pode ativar os neurônios de forma rápida e reversível. Leia aqui.

Proteínas Celulares Geneticamente Projetadas

Vários estudos anteriores mostraram que as proteínas das células nervosas que são ativadas pelo calor e pela pressão mecânica podem ser geneticamente modificadas para que se tornem sensíveis a ondas de rádio e campos magnéticos, ligando-as a uma proteína armazenadora de ferro chamada ferritina, ou a partículas paramagnéticas inorgânicas. Estes métodos representam um avanço importante - eles já foram usados, por exemplo, para regular os níveis de glicose no sangue em ratos - mas envolvem múltiplos componentes que têm de ser introduzidos separadamente.

 

 

 

Proteína TRPV4

A nova técnica se baseia neste trabalho anterior e se baseia em uma proteína chamada TRPV4, que é sensível tanto à temperatura quanto às forças de alongamento. Estes estímulos abrem seu poro central, permitindo que a corrente elétrica flua através da membrana celular; isto evoca impulsos nervosos que viajam para a medula espinhal e depois para o cérebro.

 

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

 

Manipulação in vivo do comportamento do zebrafish usando o Magneto. As larvas de zebrafish exibem comportamento de enrolamento em resposta a campos magnéticos localizados. De Wheeler et al (2016).

 

Quando introduziram esta 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 seqüência de DNA Magneto no genoma de um vírus, juntamente com a proteína fluorescente verde codificadora do gene, e seqüências 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 ratos, visando o córtex entorhinal, e dissecaram o cérebro dos animais para identificar as células que emitiam a fluorescência verde. Usando microeletrodos, eles então mostraram que aplicando um campo magnético nas fatias do cérebro, ativaram o Magneto para que as células produzissem impulsos nervosos.

Para determinar se o Magneto pode ser usado para manipular a atividade neuronal em animais vivos, eles injetaram Magneto em larvas de zebrafish, visando neurônios no tronco e na cauda que normalmente controlam uma resposta de fuga. Eles então colocaram as larvas de zebrafish em um aquário magnetizado especialmente construído, e descobriram que a exposição a um campo magnético induziu manobras de enrolamento semelhantes àquelas que ocorrem durante a resposta de fuga. (Esta experiência envolveu um total de nove larvas de zebrafish, e análises subseqüentes revelaram que cada larva continha cerca de 5 neurônios expressando Magneto).

Os pesquisadores lêem e escrevem a atividade cerebral com luz

Em uma experiência final, os pesquisadores injetaram Magneto no striatum de ratos de comportamento livre, uma estrutura cerebral profunda contendo neurônios produtores de dopamina que estão envolvidos na recompensa e motivação, e depois colocaram os animais em um aparelho dividido em seções magnetizadas e não magnetizadas. Ratos expressando Magneto passaram muito mais tempo nas áreas magnetizadas do que ratos que não o fizeram, pois a ativação da proteína fez com que os neurônios striatais que a expressavam liberassem dopamina, de modo que os ratos encontrados nessas áreas eram gratificantes. Isto mostra que o Magneto pode controlar remotamente a queima dos neurônios no fundo do cérebro, e também controlar comportamentos complexos.

O neurocientista Steve Ramirez da Universidade de Harvard, que usa a optogenética para manipular as memórias no cérebro dos ratos, diz que o estudo é "badass".  Leia aqui.

"Badass" é um novo método que utiliza uma proteína magnetizada para ativar células cerebrais de forma rápida, reversivel e não invasiva.

Captura de tela de twitter.com

 

"As tentativas anteriores [usando ímãs para controlar a atividade neuronal] precisavam de múltiplos componentes para que o sistema funcionasse - injetando partículas magnéticas, injetando um vírus que expressasse um canal sensível ao calor, [ou] fixando a cabeça do animal para que uma bobina pudesse induzir mudanças no magnetismo", explica ele. "O problema de ter um sistema multicomponente é que há tanto espaço para que cada peça individual se quebre".

"Este sistema é um vírus único e elegante que pode ser injetado em qualquer parte do cérebro, o que torna tecnicamente mais fácil e menos provável que sinos e apitos se quebrem", acrescenta ele, "e seu equipamento comportamental foi inteligentemente projetado para conter ímãs onde apropriado para que os animais pudessem se movimentar livremente".

A 'Magnetogenética' é, portanto, uma importante adição à caixa de ferramentas dos neurocientistas, que sem dúvida será mais desenvolvida e fornecerá aos pesquisadores novas maneiras de estudar o desenvolvimento e o funcionamento do cérebro.

 

A câmara magnética toroidal (Tokamak) do Joint European Torus (JET) no Centro de Ciências Culham.

Anexo

DREADD: Uma Plataforma Quimiogênica de Sinalização GPCR