Per primera vegada els científics han pogut activar, amb una eficiència de gairebé el 100% i utilitzant làsers polsats de llum infraroja, molècules fotocommutables localitzades a l’interior del teixit neuronal. “Es tracta d’un desenvolupament que obre la porta a un gran nombre d’aplicacions. Des de fàrmacs que actuen únicament en el punt del nostre cos que és il·luminat i, per tant, lliures d’efectes secundaris no desitjats en altres regions; fins al control espacial i temporal de qualsevol proteïna de la qual vulguem estudiar el funcionament en el context d’un organisme”, comenta Pau Gorostiza, professor d’investigació ICREA i responsable del Grup de Nanosondes i Nanocommutadors de l’IBEC. L’estudi s’ha publicat recentment a la revista Nature Communications.
Interruptors fotosensibles de gran precisió
La molècula fotocommutable que han utilitzat els investigadors és una nova variant de l’azobenzè, un compost químic que a les fosques té forma plana i, quan hi incideix la llum, es pinça. La fotofarmacologia vol aprofitar aquesta peculiar propietat per controlar l’activitat de fàrmacs: s’introdueix a l’organisme un fàrmac inactiu combinat amb azobenzè. El disseny del fàrmac només permet el seu funcionament quan l’azobenzè té forma de pinça. D’aquesta manera, tot i tenir un fàrmac distribuït per tot el cos, aquest només farà efecte en aquells punts on s’irradiï la llum que estimula l’azobenzè, tot evitant els efectes secundaris associats a l’actuació del fàrmac en zones en què no és necessària.
Fins fa poc, les tècniques basades en molècules fotocommutables empraven làsers de llum contínua violeta o blava (estimulació d’un fotó) per activar aquests compostos, un mètode que no permet focalitzar l’estímul. “Volíem que la molècula s’activés en un punt concret, no en tot el feix de llum que irradiem. Vam veure que les transicions amb dos fotons, que utilitzen llum infraroja, permetien aconseguir-ho, però l’eficàcia era molt baixa i les aplicacions, limitades. Les molècules que hem desenvolupat ara aconsegueixen aquest efecte amb una eficàcia del 100%. És una tecnologia molt robusta i precisa per manipular l’activitat neuronal”, Comenten Jordi Hernando i Ramon Alibés, investigadors del Departament de Química de la UAB que han dirigit part d’aquest estudi juntament amb Josep Maria Lluch i Félix Busqué”.
Els investigadors han comprovat l’efectivitat de la tècnica en neurones de ratolí i en un model animal per a l’estudi de circuits neuronals, el cuc Caenorhabditis elegans. “Tot i que les cèl·lules en un teixit neuronal estan molt pròximes, hem aconseguit seleccionar aquelles sobre les que volíem activar la molècula fotocommutable”.
L’estimulació de dos fotons, predita per Maria Göppert-Mayer i demostrada gràcies als làsers polsats desenvolupats pels guanyadors del Nobel de Física del 2018, Donna Strickland i Gérard Mourou, ha representat una revolució per a la visualització i la manipulació de l’activitat neuronal.
Els resultats d’aquesta recerca tenen un gran potencial, ja que obren la porta a noves línies de recerca en l’àmbit molecular. Amb la tècnica descrita, els científics gaudiran d’un control espaciotemporal sense precedents sobre qualsevol molècula fotocommutable que desitgin investigar.
L’estudi ha estat liderat per l’IBEC, centre d’Excel·lència Severo Ochoa i membre de l’Institut de Ciència i Tecnologia de Barcelona (BIST), juntament amb el Departament de Química de la UAB, i ha comptat amb la participació del grup de Michael Krieg a l’Institut Català de Ciències Fotòniques (ICFO).
Imatge: Control de l’activitat de neurones individuals de cuc mitjançant estimulació de dos fotons. A la imatge, una neurona de la cua del cuc (regió quadrada ampliada) s’estimula amb polsos de llum infraroja en presència de la nova molècula i es produeix una resposta d’activació. Autores: Montserrat Porta (UAB), Aida Garrido (IBEC).
Referència: Gisela Cabré, Aida Garrido-Charles, Miquel Moreno, Miquel Bosch, Montserrat Porta-de-la-Riva, Michael Krieg, Marta Gascón-Moya, Núria Camarero, Ricard Gelabert, José M. Lluch, Félix Busqué, Jordi Hernando, Pau Gorostiza & Ramon Alibés. Rationally designed azobenzene photoswitches for efficient two-photon neuronal excitation. Nature Communications volume 10, Article number: 907 (2019).
