Una proteina, due stati attivati dalla luce
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Ricercatori di Bochum e Regensburg hanno scoperto che un canale ionico sensibile alla luce dell'alga Guillardia theta ha due stati attivati dalla luce. Il secondo stato appena scoperto fa sì che il canale ionico possa essere riaperto con particolare rapidità dopo essere stato chiuso. Ciò lo rende interessante per l'optogenetica, un metodo utilizzato dai ricercatori per controllare in modo specifico l'attività delle cellule nervose utilizzando la luce.
Il team guidato dalla dott.ssa Kristin Labudda e dal professore associato dott. Carsten Kötting del Dipartimento di Biofisica della Ruhr-Universität Bochum e dal prof. dott. Till Rudack dell'Università di Regensburg riferisce i propri risultati sulla rivista Communications Biology.
L'optogenetica con un potenziale terapeutico
Nell'optogenetica, alcune cellule nervose vengono modificate geneticamente in modo da produrre proteine sensibili alla luce di altri organismi. L'attività delle cellule nervose modificate può essere controllata con la luce. "Se la luce viene diretta su queste proteine, esse cambiano la loro struttura e attivano o inibiscono le cellule", spiega Till Rudack.
Da qualche tempo i ricercatori sperimentano l'optogenetica anche per il trattamento di alcune malattie. "L'optogenetica è un nuovo metodo promettente, ad esempio per il trattamento del morbo di Parkinson", afferma Carsten Kötting. "Potrebbe essere utilizzata per riattivare le cellule nervose danneggiate nel cervello e ripristinare parzialmente le capacità motorie". Tuttavia, c'è ancora molta strada da fare prima che la procedura possa affermarsi nella pratica clinica quotidiana. I team di tutto il mondo stanno quindi lavorando per comprendere meglio le proteine sensibili alla luce e identificare i candidati ottimali per l'optogenetica.
Una proteina ben studiata è il canale ionico GtACR1 dell'alga Guillardia theta, una cosiddetta rodopsina canale, che serve come sensore di luce per l'alga. Quando GtACR1 viene attivato dalla luce, il poro del canale si apre e gli ioni carichi negativamente, come il cloruro, lo attraversano.
Un canale ionico particolarmente efficiente
Nello studio attuale, i ricercatori di Bochum e Regensburg hanno dimostrato perché GtACR1 è così efficiente. Hanno analizzato il canale ionico utilizzando la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier, che può essere utilizzata per registrare gli stati strutturali delle proteine. Il gruppo ha dimostrato che GtACR1 ha due stati attivati dalla luce: il noto stato fondamentale e un ulteriore stato intermedio chiamato O-intermedio. Nell'oscurità è presente lo stato di massa, dal quale emerge il normale ciclo fotografico quando il canale viene attivato per la prima volta dalla luce, come nel caso di altre rodopsine canalari. Nel corso di questo ciclo, vengono attraversati vari stadi intermedi o cosiddetti intermedi, che differiscono per struttura e conducibilità ionica. Uno di questi è l'intermedio O, che precede di alcuni secondi lo stato fondamentale. Tuttavia, a differenza di altre rodopsine canalari, la GtACR1 può essere attivata dalla luce grazie alla configurazione del retinale presente nell'O-intermedio - il blocco di costruzione che funge da sensore diretto della luce.
"Il secondo stato di attivazione della luce che abbiamo scoperto fa sì che il canale possa essere riaperto con particolare rapidità, aumentando in modo significativo la sua conduttività ionica", spiega Kristin Labudda. Per le applicazioni nell'ambito dell'optogenetica, la maggiore conduttività ionica consente di reagire in modo molto preciso agli stimoli e di controllare le cellule in modo più mirato. Questo apre nuove possibilità per le applicazioni di optogenetica. "Con il nostro lavoro abbiamo scoperto per la prima volta una rodopsina canale con diversi stati attivati dalla luce", riassume Carsten Kötting. "Dovrebbe essere possibile generare ulteriori stati attivati dalla luce in altre rodopsine canalari attraverso mutazioni, aumentandone così l'efficacia". Questi risultati potrebbero aprire la strada a strumenti ancora più efficienti nel campo dell'optogenetica, con prospettive promettenti per la ricerca e la medicina".
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