Come il Botox entra nelle nostre cellule

La neurotossina botulinica A1, meglio conosciuta con il nome di Botox, non è solo un popolare ausilio cosmetico, ma anche una neurotossina batterica molto efficace che, dosata con cura, viene utilizzata come farmaco. Blocca la trasmissione dei segnali nervosi ai muscoli: In questo modo è possibile rilassare i muscoli sotto la pelle, che viene utilizzata in cosmetica per levigare i tratti del viso. Tuttavia, può anche alleviare le condizioni causate da muscoli spasmodici o da un'errata segnalazione nervosa, come spasticità, debolezza della vescica o occhi disallineati. Tuttavia, una dose troppo elevata di Botox può essere fatale se porta alla paralisi dei muscoli respiratori. Questo fenomeno si verifica solitamente in seguito a un avvelenamento batterico della carne ed è noto come "botulismo".

Per utilizzare la neurotossina botulinica come farmaco nel modo più efficace possibile, per controllare con precisione l'effetto e per ampliare le possibili applicazioni, i ricercatori vorrebbero capire meglio come la tossina penetra nella cellula nervosa per dispiegare il suo effetto. Tuttavia, si sa ancora poco al riguardo. "Ciò è dovuto principalmente al fatto che non disponiamo ancora di dati strutturali sull'aspetto della tossina in tutta la sua lunghezza quando è legata al recettore della cellula nervosa", spiega Richard Kammerer del Centro per le Scienze della Vita del PSI. Finora sono stati condotti solo studi sulla struttura di singoli domini della tossina - cioè alcune parti della sua complessa struttura molecolare - e sulla struttura di tali domini in combinazione con il recettore o uno dei suoi domini.

Osservazioni a meno 160 gradi

Per cambiare questa situazione, Kammerer e il suo team hanno collaborato con il gruppo di ricerca di Volodymyr Korkhov. Questo gruppo lavora presso lo stesso laboratorio del PSI ed è specializzato nell'elucidazione strutturale delle proteine, soprattutto di quelle di membrana. Nello studio congiunto, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio crioelettronico per analizzare campioni della neurotossina da sola e con il recettore. Nella microscopia crioelettronica, i campioni vengono surgelati a meno 160 gradi senza che si formino cristalli di ghiaccio. "Questo significa che il campione mantiene la sua struttura in modo permanente e possiamo analizzarlo in tutta tranquillità", spiega Basavraj Khanppnavar, primo autore dello studio. "Questo ci permette di avere una visione particolarmente precisa dell'architettura molecolare", aggiunge il suo collega e primo autore Oneda Leka.

In questo modo, i ricercatori hanno determinato sia la struttura dell'intera tossina da sola sia la struttura del complesso molecolare in combinazione con il recettore. Lo hanno fatto a valori di pH bassi e neutri, come quelli prevalenti nella cosiddetta vescicola sinaptica. Dopo che la tossina si aggancia al recettore, questo organello cellulare simile a una vescicola assorbe la tossina e la trasporta all'interno della cellula.

La forma compatta può interagire meglio

Come si è scoperto, il successivo abbassamento del valore del pH della vescicola "in via di maturazione" è cruciale per il trasporto della tossina dalla vescicola attraverso la sua membrana fino al citosol, la parte della cellula in cui avviene la maggior parte delle reazioni biochimiche e dove la tossina svolge il suo effetto. "A un valore di pH basso, intorno a 5,5, la tossina si piega dalla sua solita forma allungata e aperta a una forma sferica e compatta", riferisce Volodymyr Korkhov. Questo porta i domini cruciali della proteina vicino alla membrana della vescicola. "A un valore di pH neutro di circa 7, invece, nella loro forma allungata sono troppo lontani dalla membrana per poter interagire". La cosiddetta traslocazione della tossina dall'interno della vescicola al citosol della cellula non può quindi avvenire.

Tra i gruppi di ricerca che lavorano sullo stesso argomento, il team del PSI è il primo al mondo a fornire dati strutturali della tossina nella sua intera lunghezza e in complesso con il recettore prima della traslocazione. "Ora abbiamo un'idea molto più realistica dei meccanismi cruciali della traslocazione", afferma Kammerer. Tuttavia, sono ancora necessari ulteriori studi prima di poterli decifrare completamente. "Ma con lo studio che è stato pubblicato, abbiamo già compiuto un passo importante che potrebbe aiutarci a utilizzare la neurotossina botulinica in modo molto più efficace in futuro, ad esempio nel trattamento del dolore".