Sulla strada della medicina controllata dalla luce

I ricercatori in biologia e medicina sognano da tempo di controllare le attività delle cellule senza dover ricorrere, ad esempio, a sostanze chimiche. Dopo tutto, una struttura così complessa come un intero organismo ha spesso effetti collaterali indesiderati. La soluzione ideale sarebbe quindi una sorta di controllo a distanza per le cellule, che potrebbe essere utilizzato per analizzare e comprendere meglio le funzioni dei singoli organi e potrebbe anche essere utilizzato a fini terapeutici. Il controllo a distanza tramite la luce sarebbe ideale a questo scopo, in quanto consentirebbe di influenzare anche organi e tessuti profondi in modo molto specifico e non invasivo. Tuttavia, tale procedura richiede anche un ricevitore di luce cellulare negli organi corrispondenti. Ad esempio, i fotorecettori che ricevono gli impulsi luminosi nella retina dei nostri occhi - chiamati "rodopsine" - sono adatti a questo scopo. Alcuni di questi fotorecettori potrebbero essere utilizzati per attivare e disattivare determinate funzioni cellulari mediante impulsi luminosi. In questo modo si otterrebbe un effetto più rapido e mirato rispetto ai farmaci, che hanno un effetto ritardato e spesso hanno effetti collaterali indesiderati, poiché non possono essere attivati semplicemente in un organo specifico.

Qualcosa di simile sta già funzionando nelle neuroscienze ed è attualmente in fase di sperimentazione in modelli animali per la ricerca su malattie cerebrali come il Parkinson e l'epilessia: I canali ionici controllati dalla luce di organismi unicellulari vengono inseriti nei neuroni grazie all'ingegneria genetica. Nel modello animale, questi canali ionici nella membrana cellulare si aprono quando vengono esposti, ad esempio, alla luce blu, permettendo agli ioni con carica positiva di fluire nel neurone. In una reazione a catena, altri canali si aprono, creando un segnale elettrico: il neurone diventa attivo.

Un nuovo tipo di optogenetica

Tuttavia, questi canali ionici controllati dalla luce funzionano solo nelle cellule nervose. Tuttavia, l'obiettivo della ricerca è stimolare altre cellule e organi dell'organismo per controllare un'ampia gamma di funzioni corporee. Ad esempio, si potrebbe studiare il pacemaker naturale del cuore o i meccanismi del dolore cronico, dell'ansia, della depressione e di altre malattie mentali. Potrebbe essere possibile sviluppare terapie cellulari efficaci per le disfunzioni ormonali, le malattie immunitarie, cardiache e di altro tipo, compreso il cancro.

I ricercatori guidati da Gebhard Schertler del PSI Centre for Life Sciences stanno quindi lavorando a un nuovo tipo di optogenetica. Si tratta di attivare recettori luminosi simili alle rodopsine della nostra retina: Attivati dall'impulso luminoso, si accoppiano alle proteine della cellula e danno così inizio a determinati processi di segnalazione cellulare che hanno luogo in tutti gli organi. I ricercatori del PSI hanno collaborato con colleghi di spicco in Germania e in Inghilterra e hanno ottenuto congiuntamente una delle ambite sovvenzioni ERC: Un finanziamento del Consiglio europeo della ricerca per un totale di quasi otto milioni di euro. Il loro progetto "Switchable rhodOpsins in Life Sciences" (SOL) ha tre obiettivi: 1. trovare rodopsine in grado di fare questo e delucidare la loro struttura per capire meglio come funzionano. 2. modificare tali rodopsine con metodi di biologia molecolare per ottimizzarle nei processi di commutazione di varie funzioni corporee. 3. utilizzare gli interruttori per comprendere meglio i meccanismi di segnalazione delle proteine, quindi utilizzarli come strumento di ricerca e sviluppare terapie geniche basate su di essi.

Grazie alle sue strutture di ricerca su larga scala ad alta risoluzione, l'elucidazione strutturale delle proteine è una delle competenze principali del PSI. I ricercatori del PSI hanno compiuto due passi significativi verso il primo obiettivo di SOL, come riferiscono in due nuovi studi: In primo luogo, sono riusciti a trovare una rodopsina adatta e a modificarla in modo che rimanga stabile in uno stato attivo per poter essere analizzata. In secondo luogo, la struttura di questo stato attivo è stata chiarita utilizzando un microscopio crioelettronico del Politecnico di Zurigo.

Un interruttore che si piega e si allunga

Le rodopsine sono proteine e sono tra i più importanti fotorecettori del mondo animale. Hanno al centro una molecola allungata, il "retinale", che deriva dalla vitamina A. Quando un impulso luminoso colpisce questa molecola, essa assorbe l'energia e cambia forma in un miliardesimo di secondo. Una molecola curva, nota come "forma 11-cis", diventa una molecola allungata, nota come "forma all-trans". Attraverso questa trasformazione, il retinale cambia anche la struttura dell'intera rodopsina, in modo che possa legarsi ad altre proteine della membrana cellulare, le cosiddette G-proteine. Ciò significa che anche le rodopsine sensibili alla luce appartengono alla famiglia dei GPCR (recettori accoppiati a proteine G), in quanto i complessi rodopsina-proteina G stimolano altre proteine a reagire e a innescare tutta una serie di processi biochimici che poi, ad esempio, inviano un segnale visivo al cervello.

Il corpo umano possiede centinaia di tipi diversi di GPCR, che si trovano nelle membrane cellulari, ricevono segnali dall'esterno e li trasmettono all'interno della cellula. In questo modo controllano molte funzioni corporee diverse. Circa il 40% di tutti i farmaci ha come bersaglio i GPCR con sostanze attive che si agganciano ai loro recettori.

Il vantaggio dei fotorecettori semplici

Le rodopsine si trovano anche nella retina degli occhi umani. Tra le altre cose, sono responsabili della distinzione tra luce e buio durante la notte nelle loro cellule bastoncelle. Tuttavia, come quelle della maggior parte dei vertebrati, queste rodopsine sono "monostabili". Ciò significa che una volta che la retina è stata alterata dalla luce, lascia la proteina e deve essere rigenerata. Solo allora è di nuovo disponibile per il successivo processo di commutazione. Si tratta di una situazione troppo complicata per poter utilizzare efficacemente questa molecola come interruttore optogenetico, poiché per la rigenerazione si dovrebbero utilizzare anche degli enzimi.

Al contrario, molti invertebrati come calamari, insetti e ragni hanno rodopsine bistabili. "In termini evolutivi, queste sono in realtà una forma più primitiva di rodopsine e sono meno sensibili", spiega Gebhard Schertler. Per l'optogenetica, tuttavia, hanno il vantaggio che la retina rimane nella proteina dopo essere stata accesa e può tornare immediatamente alla sua forma originale con un secondo impulso di luce e spegnere nuovamente il processo cellulare.

A differenza di altre rodopsine bistabili, la rodopsina di una specie di ragno saltatore, ad esempio, si è dimostrata robusta e facile da produrre. Si è quindi qualificata come possibile interruttore optogenetico.

Utilizzando la sorgente di luce svizzera SLS del PSI, è stato possibile determinare la struttura molecolare della rodopsina di ragno allo stato terreno inattivo. Tuttavia, per poterla utilizzare come interruttore optogenetico, era necessario conoscere con precisione anche la struttura nella sua forma attiva. Tuttavia, questo stato, quando la retina è allungata e la rodopsina si lega alla proteina G, ha una durata estremamente breve.

Come rendere felici le proteine

In uno studio apparso di recente sulla rivista PNAS, il primo autore Matthew Rodrigues riferisce ora come sia stato possibile stabilizzare lo stato attivo per poterlo delucidare strutturalmente: attraverso una minuscola modifica della retina. "Le proprietà del retinale rimangono invariate, ma la modifica - un piccolo anello molecolare aggiuntivo - sembra garantire un migliore inserimento nella tasca di legame della proteina", riferisce Rodrigues. "Rimane lì per ore, noi biologi strutturali diciamo 'è felice'". A questo punto c'erano le condizioni per studiare la struttura della rodopsina attiva in combinazione con una proteina G.

Una proteina mista

Nel secondo studio, pubblicato su Nature Communications , il primo autore Oliver Tejero e l'ultimo autore Ching-Ju Tsai hanno fatto esattamente questo. "Tuttavia, come ci si aspettava, è emerso che una proteina di ragno (la rodopsina) naturalmente non si abbina mai in modo ottimale a una proteina umana (la proteina G)", spiega Tsai. "Per questo motivo abbiamo confrontato le proteine G dei ragni con quelle di noi umani e abbiamo assemblato una chimera a partire da entrambe le forme". I ricercatori hanno sostituito la parte finale della sequenza genica della proteina umana, che contiene il sito di aggancio, con quella del ragno.

Ulteriori modifiche genetiche nel recettore luminoso vero e proprio hanno risolto un altro problema: le rodopsine dei ragni sono attivate e disattivate dalla luce della stessa lunghezza d'onda. "Di conseguenza, un singolo impulso di luce in un campione di cellule produce un mix caotico di stati attivati e disattivati", spiega Tsai. Questo è ovviamente negativo per un interruttore che dovrebbe accendersi o spegnersi in modo specifico. "Con le nostre modifiche, abbiamo fatto in modo che l'accensione e lo spegnimento avvengano con colori di luce diversi".

Tuttavia, questa "sintonizzazione del colore" genetica è solo all'inizio. Il prossimo passo nella ricerca fondamentale su questi nuovi interruttori optogenetici sarà ora quello di scoprire come devono essere progettate le proteine coinvolte per poterle controllare con altri colori di luce. Ciò potrebbe essere utilizzato per attivare o disattivare in modo mirato diverse funzioni cellulari. Inoltre, l'obiettivo è progettare gli interruttori in modo che siano sensibili non solo alla luce blu, arancione e verde, ma anche alla luce infrarossa, ad esempio. "La grande domanda rimane quella di come la luce raggiunga la rodopsina se si vuole che l'optogenetica venga effettivamente utilizzata nella pratica medica quotidiana", dice Matthew Rodrigues. "La sorgente luminosa potrebbe essere impiantata nel corpo. Tuttavia, il metodo più elegante e delicato sarebbe quello di lavorare con la luce infrarossa. Questa può penetrare nel tessuto corporeo".

Il responsabile del progetto Gebhard Schertler conferma che la maggior parte dell'ingegnerizzazione delle proteine è ancora da fare, ora che i principi strutturali sono noti. In definitiva, l'obiettivo è quello di mettere insieme un'intera serie di GPCR attivati dalla luce che possano essere utilizzati per vari scopi nell'organismo.