Quel trilionesimo di secondo da cui dipende lo sguardo umano...

In Svizzera i ricercatori dell’Istituto Paul Scherrer hanno decifrato i processi molecolari che si verificano nell’occhio umano quando la luce colpisce la retina.
Questi processi, che richiedono soltanto una frazione di trilionesimo di secondo, sono essenziali per la vista umana. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista scientifica “Nature”.
Si tratta di un cambiamento microscopico di una proteina nella nostra retina, che avviene in un lasso di tempo incredibilmente breve: è il primo passo della nostra percezione della luce e della nostra capacità di vedere. Ed è anche l’unica fase che dipende dalla luce.
I ricercatori del PSI, istituzione del Settore dei Politecnici Federali che ha sede fra Villigen e Würenlingen nel Canton Argovia, hanno stabilito esattamente che cosa accade dopo il primo trilionesimo di secondo nel processo di percezione visiva, con l’aiuto del laser a elettroni liberi a raggi X dello SwissFEL.

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Il retinale della proteina Rodopsina cambia in un attimo la propria forma tridimensionale

Al centro dell’azione c’è il nostro recettore della luce, la proteina Rodopsina. Nell’occhio umano è prodotta da cellule sensoriali, i bastoncelli, specializzate nella percezione della luce.
Al centro della Rodopsina è fissata una piccola molecola attorcigliata: il retinale, che è un derivato della vitamina A.
Quando la luce colpisce la proteina, il retinale assorbe parte dell’energia. Con una rapidità fulminea, cambia la propria forma tridimensionale e l’interruttore dell’occhio passa da “off” ad “on”.
Questo innesca una cascata di reazioni, il cui effetto complessivo è la percezione di un lampo di luce.

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Valérie Panneels: “Un processo analogo alla caduta controllata di un gatto dall’albero…”

Ma che cosa succede in dettaglio quando la retina cambia dalla forma 11-cis alla forma all-trans?
“Da tempo conosciamo il punto di partenza e il prodotto finale della trasformazione della retina, ma finora nessuno è stato in grado di osservare in tempo reale come avviene esattamente il cambiamento nel pigmento della vista, la Rodopsina”, spiega Valérie Panneels, scienziata della Divisione di Ricerca Biologia e Chimica del Paul Scherrer Institut.
La dottoressa Panneels paragona il processo a quello di un gatto che cade all’indietro da un albero, ma che in qualche modo riesce ad atterrare in piedi illeso.
La domanda è: “quali sono gli stati che il gatto adotta durante la caduta mentre si raddrizza per atterrare in piedi?”.
Come hanno scoperto gli scienziati del PSI, il “gatto retinico” inizia ruotando la parte centrale del corpo.
Per Valérie Panneels, il “momento eureka” è arrivato quando si è resa conto di un’altra cosa che accade: la proteina assorbe parte dell’energia luminosa per gonfiarsi brevemente, “come il nostro petto che si espande quando inspiriamo, per poi contrarsi di nuovo poco dopo”.

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“La retina riesce a girare da sola, senza essere ostacolata dalla molecola che la trattiene”

Durante questa fase di “inspirazione”, la proteina perde temporaneamente la maggior parte del contatto con la retina che si trova al suo centro.
“Sebbene la retina sia ancora collegata alla proteina alle sue estremità attraverso legami chimici, ora ha spazio per ruotare”.
In quel momento, la molecola assomiglia a un cane con il guinzaglio allentato, che è libero di dare uno scossone.
Poco dopo, la proteina si contrae di nuovo e riprende in mano la retina, ma in una forma diversa e più allungata.
“In questo modo la retina riesce a girare da sola, senza essere ostacolata dalla proteina che la trattiene”.

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Uno dei processi naturali più veloci: da “11-cis” a “trans” in un solo picosecondo

La trasformazione della retina dalla forma piegata 11-cis alla forma allungata completamente trans richiede solo un picosecondo, o un trilionesimo (10 alla meno 12) di secondo, rendendolo uno dei processi più veloci in tutta la natura.
L’unico modo per registrare e analizzare processi biologici così rapidi è un laser a elettroni liberi a raggi X come lo SwissFEL.

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Gebhard Schertler: “Lo SwissFEL ci permette di studiare i processi fondamentali del corpo”

“Lo SwissFEL ci permette di studiare in dettaglio i processi fondamentali del corpo umano, come la visione”, spiega Gebhard Schertler, responsabile della Divisione di ricerca in Biologia e Chimica del PSI e autore principale dello studio insieme a Valérie Panneels.
Per tornare all’analogia con il gatto, sarebbe come filmare la sua caduta con una telecamera ad alta velocità, ma con una differenza sostanziale: la velocità di ripresa della telecamera SwissFEL è un miliardo di volte più veloce.
Lavorare con grandi strutture di ricerca implica anche molto di più che premere semplicemente un pulsante di scatto.
Lo studente di dottorato Thomas Gruhl, che ha poi lavorato come ricercatore postdoc presso l’Institute for Structural and Molecular Biology di Londra, ha trascorso anni a sviluppare un metodo per produrre cristalli di Rodopsina di alta qualità in grado di fornire dati ad altissima risoluzione.
In definitiva, solo questi dati hanno permesso di eseguire le misure necessarie allo SwissFEL e, prima della costruzione laser a elettroni liberi a raggi X del Paul Scherrer Institute, inaugurato nel dicembre 2016, al laser a elettroni liberi a raggi X SACLA in Giappone.
Questo esperimento dimostra ancora una volta il ruolo fondamentale di SwissFEL nella ricerca svizzera.
“Probabilmente ci aiuterà a trovare molte altre soluzioni in futuro”, afferma Gebhard Schertler.

Due proteine sono state unite stabilmente per la prima volta

“Stiamo anche sviluppando metodi per studiare i processi dinamici nelle proteine…”

“Tra le altre cose, stiamo anche sviluppando metodi per studiare i processi dinamici nelle proteine che normalmente non vengono attivate dalla luce”.
Gli scienziati utilizzano mezzi artificiali per rendere tali molecole reattive alla luce: o apportano modifiche appropriate ai partner di legame o mescolano le proteine con i partner di legame nel cristallo in modo così rapido da poterle esaminare allo SwissFEL.
In ogni caso, la procedura è sicuramente molto più complicata del semplice… puntare una telecamera su un gatto che cade da un albero.

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