La halorhodopsina es una proteína retinilideno de siete transmembranas de la familia de las rodopsinas microbianas . Es una bomba de iones activada por luz específica de cloruro que se encuentra en arqueas conocidas como halobacterias . Se activa mediante longitudes de onda de luz verde de aproximadamente 578 nm. [1] La halorhodopsina también comparte similitud de secuencia con la canalrodopsina , un canal iónico activado por luz .
La halorhodopsina contiene el derivado esencial de vitamina A , isomerizable por luz, totalmente transretinal . Debido a la dedicación por descubrir la estructura y función de esta molécula , la halorrodopsina es una de las pocas proteínas de membrana cuya estructura cristalina se conoce. La halorhodopsina utiliza la energía de la luz verde/amarilla para mover iones de cloruro al interior de la célula, superando el potencial de membrana. Además de los cloruros, transporta otros haluros y nitratos al interior de la célula. La absorción de cloruro de potasio por las células ayuda a mantener el equilibrio osmótico durante el crecimiento celular. Al realizar la misma tarea, las bombas de aniones impulsadas por luz pueden reducir considerablemente el uso de energía metabólica. La halorhodopsina ha sido objeto de muchos estudios y su estructura se conoce con precisión. Sus propiedades son similares a las de la bacteriorrodopsina y estas dos bombas de iones impulsadas por luz transportan cationes y aniones en direcciones opuestas.
Las isoformas de halorrodopsina se pueden encontrar en múltiples especies de halobacterias, incluidas Halobacterium salinarum y Natronobacterium pharaonis . Muchas investigaciones en curso están explorando estas diferencias y utilizándolas para separar las propiedades del fotociclo y de la bomba. Después de la bacteriorrodopsina, la halorrodopsina puede ser la mejor opsina tipo I (microbiana) estudiada. La absorbancia máxima del complejo retiniano de halorrodopsina es de aproximadamente 570 nm.
Así como el canal iónico activado por luz azul, canalrodopsina-2, abre la capacidad de activar células excitables (como neuronas , células musculares , células pancreáticas y células inmunes) con breves pulsos de luz azul, la halorrodopsina abre la capacidad de silenciar células excitables. células con breves pulsos de luz amarilla. Por lo tanto, la halorhodopsina y la canalrodopsina juntas permiten la activación óptica de múltiples colores, el silenciamiento y la desincronización de la actividad neuronal, creando una poderosa caja de herramientas de neuroingeniería. [2] [3]
La halorhodopsina de Natronomonas (NpHR) se ha utilizado para lograr la inhibición de los potenciales de acción en neuronas en sistemas de mamíferos. Dado que la activación luminosa de NpHR conduce a una entrada de iones cloruro que es parte del proceso natural para generar hiperpolarización, la inhibición inducida por NpHR funciona muy bien en las neuronas. Los canales NpHR originales, cuando se expresaban en células de mamíferos, mostraban una tendencia a acumularse en el retículo endoplásmico de las células. [4] Para superar los problemas de localización subcelular, se añadió un motivo de exportación ER a la secuencia NpHR. Este NpHR modificado (llamado eNpHR2.0) se utilizó con éxito para impulsar la expresión de NpHR de alto nivel y sin agregados in vivo. [5] Sin embargo, incluso la forma modificada de NpHR mostró una mala localización en la membrana celular . Para lograr una mayor localización en la membrana, se modificó aún más mediante la adición de una señal de exportación de Golgi y una señal de tráfico de membrana desde un canal de potasio (Kir2.1). La adición de la señal Kir2.1 mejoró significativamente la localización en la membrana de NpHR y esta forma diseñada de NpHR se denominó eNpHR3.0 [6]
La halorhodopsina fue descubierta en 1980 en Halobacterium salinarum , un tipo de arqueona amante de la sal (halófila) . [7]
El nombre Halorhodopsin es de origen griego, el prefijo halo- surge de ἅλς ( háls) que significa "sal" o "mar". [8] El sufijo -rodopsina tiene su origen en ῥόδον ( rhódon , “rosa”), por su color rosado, y ὄψις ( ópsis , “vista”). [9]
La halorhodopsina se pliega en una topología de siete hélices transmembrana y tiene una estructura terciaria similar (pero no una estructura de secuencia primaria) a las rodopsinas de los vertebrados, los pigmentos que detectan la luz en la retina . [10]
La halorhodopsina se ha utilizado en optogenética para hiperpolarizar (inhibir) neuronas específicas . La optogenética se ha propuesto como enfoque terapéutico para afecciones neurológicas para las cuales los métodos de tratamiento actuales no siempre son efectivos, incluidas la epilepsia y la enfermedad de Parkinson . [11] NpHR se ha utilizado para inhibir las neuronas excitadoras en el núcleo subtalámico de ratas hemiparkinsonianas, lesionadas con la neurotoxina 6-OHDA . [11]