Observar el trabajo de las sinapsis
El momento en que una célula nerviosa libera sus neurotransmisores en la hendidura sináptica es extremadamente breve. Investigadores de la Charité - Universitätsmedizin Berlin y del Centro Max Delbrück han logrado captar este momento al microscopio. Las imágenes de las vesículas fusionadas se publican ahora en la revista Nature Communications.
El proceso sólo dura unos milisegundos: Una vesícula, llena de neurotransmisores y de sólo unos nanómetros de tamaño, se acerca a la membrana celular, se fusiona con ella y libera sus sustancias mensajeras en la hendidura sináptica, para que puedan unirse a la siguiente célula nerviosa. Un equipo dirigido por el Prof. Christian Rosenmund, último autor de la publicación y Director Adjunto del Instituto de Neurofisiología de Charité, ha captado en imágenes microscópicas este momento crucial para el funcionamiento del cerebro.
Conexiones en forma de puntos
"Hasta ahora, nadie sabía con detalle cómo se produce la fusión de las vesículas sinápticas con la membrana celular", explica la primera autora del estudio, la Dra. Jana Kroll, que ahora es investigadora del grupo de trabajo "Biología estructural de los procesos asociados a la membrana" del Prof. Oliver Daumke en el Centro Max Delbrück. "En nuestros experimentos con neuronas de ratón, pudimos demostrar que primero se forma una conexión puntiforme. A continuación, este pequeño tallo se expande hasta convertirse en un poro a través del cual los neurotransmisores entran en la hendidura sináptica", explica Jana Kroll.
"Con la ayuda de la tecnología desarrollada a lo largo de cinco años, ha sido posible por primera vez observar las sinapsis en funcionamiento sin perturbarlas", añade Christian Rosenmund. "Jana Kroll ha realizado aquí un verdadero trabajo pionero", afirma el científico, que también es miembro de la junta directiva del Cluster de Excelencia NeuroCure.
Congelación por choque en etano
Para observar las sinapsis en tiempo real, los investigadores utilizaron células nerviosas de ratones que habían modificado previamente mediante optogenética, de modo que las células se activaban con una señal luminosa y comenzaban inmediatamente a liberar neurotransmisores. En uno o dos milisegundos, el equipo congeló las neuronas en etano a 180 grados bajo cero. "Todos los procesos celulares se detienen inmediatamente durante este proceso, la congelación por inmersión, y pueden visualizarse mediante microscopía electrónica", explica Jana Kroll.
Los científicos descubrieron otro detalle interesante: "Pudimos reconocer que la mayoría de las vesículas que se fusionan están conectadas al menos a otra vesícula a través de pequeños filamentos: en cuanto una vesícula se fusiona con la membrana celular, la siguiente está lista para salir", informa Jana Kroll. "Suponemos que esta forma directa de reclutamiento de vesículas hace posible que las neuronas envíen señales durante más tiempo y mantengan así su comunicación".
Mejor tratamiento para la epilepsia
La fusión de vesículas, que el equipo visualizó, tiene lugar millones de veces cada minuto en nuestro cerebro. Comprender el proceso en detalle también es importante para fines médicos: "En muchas personas con epilepsia u otras enfermedades sinápticas, se conocen mutaciones en proteínas implicadas en la fusión de vesículas", explica Christian Rosenmund. "Si podemos descubrir el papel exacto de estas proteínas, podremos desarrollar más fácilmente terapias dirigidas para tales sinaptopatías".
"El enfoque que presentamos para la criomicroscopía electrónica con resolución temporal mediante luz tampoco se limita a las neuronas, sino que puede aplicarse en muchas áreas de la biología estructural y celular", añade Jana Kroll. A ella misma le gustaría ahora repetir sus experimentos en el Centro Max Delbrück, inicialmente con neuronas humanas que obtenga a partir de células madre. Sin embargo, no será tarea fácil, anuncia la investigadora: "Las células necesitan unas cinco semanas en el laboratorio para desarrollar sus primeras sinapsis y son extremadamente sensibles."
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Publicación original
Jana Kroll, Uljana Kravčenko, Mohsen Sadeghi, Christoph A. Diebolder, Lia Ivanov, Małgorzata Lubas, Thiemo Sprink, Magdalena Schacherl, Mikhail Kudryashev, Christian Rosenmund; "Dynamic nanoscale architecture of synaptic vesicle fusion in mouse hippocampal neurons"; Nature Communications, Volume 16, 2025-12-13
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