Il Premio Nobel incontra la ricerca condotta dal PSI

Il Premio Nobel di quest’anno per la Fisiologia o la Medicina è stato assegnato a Peter Hegemann, Karl Deisseroth e Georg Nagel per le loro scoperte sui canali ionici attivati dalla luce e sull’optogenetica. Hegemann e Nagel hanno scoperto la canalrodopsina, una proteina che rende le alghe unicellulari sensibili alla luce; Deisseroth è riuscito a trasferire questa proteina alle cellule nervose e ad attivarle in modo mirato con la luce.

In questo modo, i tre ricercatori hanno gettato le basi per un metodo grazie al quale è possibile controllare e studiare con precisione le cellule nervose; un metodo che ha cambiato radicalmente il mondo delle neuroscienze. I ricercatori del PSI intendono ora estendere questo principio ad altri tipi di cellule.

Non fermarsi alle cellule nervose

Finora l’optogenetica si è basata su canali ionici attivati dalla luce, con i quali si riescono a controllare i segnali elettrici, un meccanismo che fornisce ottimi risultati con le cellule nervose. Tuttavia, molti altri processi che si svolgono all'interno del corpo non si basano su impulsi elettrici, bensì su complesse vie di segnalazione all’interno delle cellule. Se anche tali vie di segnalazione potessero essere attivate e disattivate con la luce, si potrebbe applicare l’optogenetica a numerosi altri tipi di cellule e processi biologici.

A tal fine, un team guidato da Gebhard Schertler del Centro per le scienze della vita del PSI sta sviluppando delle proteine fotosensibili per trasformarle in interruttori molecolari. «L’optogenetica classica altera l’equilibrio ionico all'interno delle cellule nervose; noi, invece, potremmo attivare cascate di segnali nel cervello e in altri organi, il che rappresenta qualcosa di completamente nuovo», spiega Schertler. In futuro questa tecnica potrebbe, tra le altre cose, contribuire a una migliore comprensione di varie patologie e forse persino allo sviluppo di nuovi farmaci.

La seconda rivoluzione dell'optogenetica

Nell’ambito del progetto di sinergia finanziato dall’ERC «Switchable rhodOpsins in Life Sciences», Gebhard Schertler sta lavorando insieme al premio Nobel Peter Hegemann e a Rob Lucas dell’Università di Manchester allo sviluppo di nuove proteine optogenetiche che possano essere impiegate anche in altre cellule e per altre funzioni, praticamente in ogni organo. I ricercatori parlano di una possibile seconda rivoluzione dell'optogenetica.

Un obiettivo ideale in questo senso sono i recettori accoppiati alle proteine G, in sigla GPCR. Questi recettori si trovano in quasi tutte le cellule del nostro corpo; mediano numerose funzioni, a partire dall’olfatto e dal gusto, per arrivare alla regolazione della frequenza cardiaca e all’innesco di una reazione infiammatoria. Se riuscissimo a controllarli utilizzando la luce, questo amplierebbe notevolmente le potenzialità dell’optogenetica.

«Non disponiamo ancora di un set di strumenti paragonabile a quello già consolidato per l'optogenetica classica», spiega Schertler. «Ma nel giro di qualche anno saremo in grado di svelare molti enigmi e penso che allora centinaia di laboratori inizieranno a utilizzare questi interruttori universali GPCR sensibili alla luce, gli optoGPCR.» Il suo team, ad esempio, sta collaborando con Franziska Schneider-Warme presso il Centro cardiologico dell’Università di Friburgo in Brisgovia per comprendere meglio le cause delle aritmie cardiache. In un altro progetto, il gruppo del PSI ha sviluppato un recettore optoGPCR che dovrebbe fornire nuove informazioni sul morbo di Parkinson.

Veloce come un fulmine

Per comprendere come funzionano le proteine fotosensibili, i ricercatori devono osservarle mentre sono all’opera. La cristallografia a risoluzione temporale, rende possibile questa osservazione quando viene eseguita su sorgenti di raggi X come il laser ad elettroni liberi a raggi X svizzero SwissFEL e la Sorgente di luce di sincrotrone svizzera SLS. Grazie a impulsi di raggi X ultrabrevi è possibile seguire i rapidissimi cambiamenti che la luce innesca nelle proteine. È come assistere ad un filmato in alta risoluzione dei processi molecolari.

«In questo modo portiamo la biologia strutturale a un livello superiore», afferma Jörg Standfuss del Centro per le scienze della vita del PSI, specializzato in questo tipo di analisi. «Possiamo seguire nei dettagli ciò che accade nella proteina dopo l’impulso luminoso e, in questo modo, comprendere meglio come funzionano queste proteine sensibili alla luce.»

Standfuss e il suo team stanno studiando in questo modo anche le canalrodopsine provenienti da organismi unicellulari, ovvero quella famiglia di proteine che ha dato origine all’optogenetica. Con l’ausilio della cristallografia a risoluzione temporale, il team del PSI ha studiato, ad esempio, una canalrodopsina proveniente dalla ricerca del premio Nobel Peter Hegemann. E in tal modo si chiude il cerchio: dalle basi molecolari dell’optogenetica alla ricerca odierna presso il PSI.

Testo: Istituto Paul Scherrer PSI/Brigitte Osterath

Informazioni sul PSI

L'Istituto Paul Scherrer PSI è il più grande istituto di ricerca per le scienze naturali e ingegneristiche della Svizzera. È la sede centrale delle grandi infrastrutture di ricerca della Svizzera, a disposizione della scienza e dell’industria. La sua attività di ricerca comprende tecnologie del futuro, energia e clima, innovazione sanitaria e fondamenti della natura. Il budget annuale è di 450 milioni di franchi svizzeri. Il PSI impiega 2300 persone, di cui circa un quarto sono ricercatori post-dottorato, dottorandi o apprendisti. Il PSI fa parte del settore dei PF, che comprende anche i Politecnici federali di Zurigo e di Losanna, nonché gli altri istituti federali di ricerca Empa, Eawag e WSL.

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