Premio Nobel-immagine:micrografia ottica di Chlamydomonas con due flagelli appena visibili in basso a sinistra. Credito: Environmental Protection Agency, pubblico dominio.
Gli scienziati che hanno scoperto come controllare le cellule cerebrali con la luce si sono aggiudicati il Premio Nobel per la fisiologia o la medicina di quest’anno. Karl Deisseroth, Peter Hegemann e Georg Nagel sono stati premiati per le loro ricerche sui “canali ionici attivati dalla luce e sull’optogenetica”.
Hegemann, dell’Università Humboldt di Berlino, e Nagel, dell’Università di Würzburg, volevano capire come una minuscola alga unicellulare chiamata Chlamydomonas percepisca la luce. La percezione della luce non è una prerogativa esclusiva degli animali con gli occhi: gli organismi di tutto il mondo vivente utilizzano la luce per rilevare l’ambiente circostante e reagire ai cambiamenti. Persino gli organismi unicellulari possiedono proteine che rispondono alla luce. Queste proteine vengono utilizzate per muoversi verso o lontano dalla luce, per generare energia e per rispondere alle diverse esigenze di una giornata di 24 ore.
Hegemann e Nagel hanno scoperto che la Chlamydomonas possiede un meccanismo di rilevamento della luce straordinariamente ingegnoso, basato su un’unica proteina chiamata canalerodopsina.
La canalerodopsina è incorporata nella membrana esterna della cellula algale. Una parte della proteina è rivolta verso l’acqua esterna alla cellula e un’altra verso l’interno. La proteina contiene anche una piccola molecola chiamata retinaldeide, in grado di assorbire la luce.
Quando la luce colpisce la retinaldeide presente nella canalerodopsina, questa cambia forma. Questo fa sì che anche la proteina canalerodopsina cambi forma. Tale cambiamento apre un minuscolo passaggio attraverso la membrana cellulare. Le particelle cariche positivamente, incluso il sodio, possono quindi fluire dall’acqua esterna all’alga all’interno della cellula. Questo movimento di particelle cariche invia un segnale all’interno dell’alga che la aiuta a nuotare.
Che meraviglia aver risolto un quesito biologico così interessante, ma perché il Premio Nobel per la fisiologia o per la medicina? La risposta risiede nel funzionamento delle cellule nervose. Le cellule nervose utilizzano il movimento di particelle cariche (chiamate “ioni”) attraverso le loro membrane per controllare la propria attività. Quando particelle cariche positivamente entrano in una cellula nervosa, possono renderla più attiva.
I ricercatori si resero conto che, se fossero riusciti a introdurre la channelrhodopsina nelle cellule nervose, avrebbero potuto attivarle semplicemente illuminandole. Ed è esattamente ciò che mise in cammino Hegemann, Nagel e il terzo premio Nobel, Deisseroth, psichiatra e bioingegnere presso l’Università di Stanford in California.
Attivare le cellule nervose con la luce
La capacità di controllare le cellule nervose con la luce si chiama optogenetica. È diventata un potente strumento di ricerca perché gli scienziati possono usarla per attivare e disattivare specifici gruppi di cellule nervose e osservare cosa succede.
Innanzitutto, gli scienziati introducono il gene della canalerodopsina nelle cellule nervose che intendono studiare. Il gene viene solitamente trasportato nelle cellule da un virus modificato in modo da non causare malattie. Le cellule producono quindi la proteina canalerodopsina, che permette loro di reagire alla luce.
In animali come i topi, gli scienziati possono illuminare il cervello con una luce attraverso una sottile fibra ottica. Quando la luce raggiunge le cellule, la canalerodopsina si apre e le cellule si attivano. Le cellule nervose vicine che non contengono questa proteina non vengono influenzate.
La luce può essere direzionata su una porzione molto piccola del cervello e accesa e spenta con estrema rapidità. Questo rende l’optogenetica un potente strumento per studiare il funzionamento del cervello. Ad esempio, se gli scienziati vogliono capire se un particolare gruppo di cellule nervose è coinvolto nella memoria, nel sonno, nelle sensazioni o nel movimento, possono attivare quelle cellule con la luce e osservare cosa succede.
In un esperimento del 2012, un team del Massachusetts Institute of Technology ha somministrato a dei topi una lieve scossa elettrica in una gabbia specifica. Hanno utilizzato l’optogenetica per marcare le cellule nervose nel centro della memoria del cervello che erano attive durante l’esperimento di condizionamento alla paura. Giorni dopo, in una gabbia diversa, hanno attivato quelle cellule con la luce. I topi si sono immobilizzati per la paura, come se ricordassero la scossa.
I topi che non avevano ricevuto la scossa elettrica non si sono immobilizzati, il che dimostrava che la luce riattivava una memoria specifica. Deisseroth era uno degli autori dello studio.
L’optogenetica ha rivoluzionato la capacità degli scienziati di studiare il funzionamento del cervello e del sistema nervoso. Potrebbe inoltre rivelarsi una valida terapia in futuro. L’optogenetica è già in fase di sperimentazione clinica preliminare per pazienti affetti da degenerazione retinica. In queste sperimentazioni, i ricercatori introducono proteine fotosensibili nelle cellule nervose rimaste nella retina dopo la perdita delle cellule che normalmente rilevano la luce, chiamate bastoncelli e coni. Questo processo può indurre le cellule superstiti a rispondere alla luce e a ripristinare parzialmente la vista.
I ricercatori stanno inoltre studiando se l’optogenetica potrebbe essere utilizzata in futuro per trattare patologie neurologiche, tra cui il morbo di Parkinson e l’epilessia.
Il Premio Nobel di quest’anno celebra un lavoro iniziato con una domanda che potrebbe sembrare esoterica: come fa la Chlamydomonas a nuotare verso la luce? Questa domanda non ha un’evidente importanza pratica. Non affronta un bisogno urgente per la salute umana, né rappresenta una chiara via per la ricchezza. Il successo dell’optogenetica è un esempio dell’importanza di continuare a porsi domande semplicemente per comprendere il mondo che ci circonda, perché è impossibile prevedere dove ci condurrà la conoscenza.
Fonte:The Conversation