Nella preistorica foto qui accanto compio un anno. Davanti a me c'è una torta di compleanno, e sul mio viso si vedono già delle caratteristiche che mi accompagneranno per il resto della vita: le fossette. Non posso dire di averle conquistate con il duro lavoro. Mi sono semplicemente capitate in dotazione insieme a tutto il resto. Non immaginavo che molti anni dopo, dopo una carriera nella biofisica computazionale e parecchi milioni di ore di CPU consumate, mi sarei ritrovato a scrivere un post che parla ancora di fossette. Eppure eccomi qui. Perché il lavoro che abbiamo appena pubblicato sul recettore sigma-1, una proteina tanto affascinante quanto difficile da inquadrare, ci ha portati a osservare qualcosa che assomiglia sorprendentemente a una fossetta. Non sul volto di una persona, naturalmente, ma sulla superficie di una membrana biologica. Ma forse sto correndo troppo. Prima dobbiamo fare la conoscenza del protagonista della storia. C'è una categoria di proteine che mi è sempre stata simpatica. Non perché siano semplici da studiare. Anzi, spesso è vero il contrario. Mi piacciono perché sembrano sfuggire continuamente alle classificazioni troppo rigide. Una di queste è il recettore sigma-1. Per anni nessuno ha capito bene cosa fosse. Recettore? Chaperone? Sensore? Regolatore? Un po' di tutto questo e forse qualcos'altro ancora. A proposito: un chaperone, in biologia, non è altro che una specie di accompagnatore molecolare. Il termine deriva dal francese chaperon, che indicava la dama di compagnia incaricata di sorvegliare le giovani ragazze nelle occasioni sociali, evitando incontri troppo avventurosi. Le proteine chaperone fanno qualcosa di sorprendentemente simile: impediscono ad altre proteine di prendere cattive decisioni, aggregarsi quando non dovrebbero, piegarsi nel modo sbagliato o finire nei posti sbagliati. Una sorta di genitore molecolare particolarmente apprensivo. Il recettore sigma-1, però, non si lascia definire così facilmente.
Oggi sappiamo che il recettore sigma-1 è coinvolto in processi biologici importantissimi, dalla neuroprotezione alla modulazione del dolore, fino ad alcune patologie neurodegenerative. Sappiamo anche che vive prevalentemente in una zona molto particolare della cellula: le cosiddette membrane associate ai mitocondri (Mitochondria-Associated Membranes, o MAM), una sorta di quartiere di confine tra reticolo endoplasmatico e mitocondri dove transitano segnali, lipidi e decisioni importanti per il destino della cellula. Fin qui tutto bene. Poi arriva la cristallografia e ci mostra qualcosa di inatteso. Il recettore sigma-1 non si presenta come una singola proteina isolata, ma come un trimero: tre copie identiche organizzate in una struttura triangolare sorprendentemente elegante. Una specie di tavolino molecolare a tre gambe immerso nella membrana. A questo punto, come spesso accade in biologia strutturale, la struttura risolve un problema e ne crea immediatamente altri dieci. Per esempio: questa struttura è davvero stabile? Le tre subunità restano sempre insieme? E soprattutto: perché alcuni ligandi sembrano favorire l'aggregazione del recettore mentre altri sembrano fare esattamente il contrario? È da qui che nasce il lavoro che abbiamo appena pubblicato. La strategia è stata relativamente semplice da spiegare e decisamente meno semplice da realizzare.
Abbiamo preso il trimero umano del recettore sigma-1 e lo abbiamo immerso in una membrana il più possibile realistica. Non una membrana "standard" composta da un unico tipo di lipide, come spesso si fa per semplicità, ma una membrana che assomiglia a quella che il recettore incontra davvero nella cellula, ricca di colesterolo e altri lipidi caratteristici delle regioni MAM. Poi abbiamo lasciato fare il lavoro alla dinamica molecolare. Molta dinamica molecolare. Dodici microsecondi complessivi di simulazione, distribuiti su diversi sistemi e diverse repliche. A questo punto emerge una delle cose che più mi affascinano delle membrane biologiche. Per anni abbiamo pensato alle membrane come a una specie di fondale scenografico. Le proteine facevano cose importanti, la membrana stava lì dietro a fare da sfondo. La realtà, come spesso accade, è molto meno gerarchica. Le membrane partecipano attivamente alla storia. Nel nostro caso il colesterolo non si limita a occupare spazio. Cambia le proprietà fisiche della membrana. La rende più spessa, più compatta, più ordinata. E questo si riflette direttamente sulla stabilità del recettore sigma-1. Nei sistemi contenenti colesterolo il trimero risulta complessivamente più stabile rispetto a quanto osservato nelle membrane composte soltanto da sola fosfatidilcolina. Ma c'è di più.
La membrana stessa si deforma. Una delle osservazioni più curiose emerse dalle simulazioni è che il recettore induce una sorta di piccola depressione nella membrana, una specie di fossetta molecolare prodotta dalla particolare organizzazione dei lipidi attorno alla proteina. I lipidi si inclinano, la superficie si incurva e la membrana assume una geometria locale che non era affatto ovvia all'inizio dello studio. Le fossette, appunto, quelle che porto da quando ero bambino, anche se le mie compaiono quando sorrido e non quando interagisco con il colesterolo. Nel caso della proteina, però, le fossette non sono un dettaglio estetico: sembrano essere una conseguenza diretta del modo in cui il recettore dialoga con la membrana circostante. Da fisico, confesso che vedere una proteina plasmare il proprio ambiente in questo modo è sempre piuttosto soddisfacente. Per anni abbiamo pensato alle membrane come semplici contenitori; poi scopri che una proteina può incurvarle, deformarle e persino organizzarle localmente, e improvvisamente la membrana smette di fare la comparsa e si prende una parte importante della scena. E poi ci sono i ligandi.
Nel lavoro abbiamo confrontato due molecole molto diverse dal punto di vista farmacologico: l'agonista (+)-pentazocina e l'antagonista aloperidolo. Sperimentalmente si sa da tempo che agonisti e antagonisti influenzano in modo diverso l'oligomerizzazione del recettore sigma-1, ma il meccanismo molecolare non era chiaro. Le simulazioni suggeriscono che una parte della risposta possa essere nascosta in una singola regione della proteina: il filamento β6 e, in particolare, il residuo W136. Ora, uno dei rischi della biofisica computazionale è innamorarsi dei propri risultati. Quando una simulazione ti indica una singola mutazione, un singolo residuo, una singola interazione, la tentazione di dichiarare di aver trovato "la risposta" è molto forte. La realtà è che spesso troviamo soltanto una buona domanda. Nel nostro caso la domanda è questa: W136 potrebbe essere una specie di interruttore molecolare che regola la comunicazione tra le diverse subunità del trimero?
Le nostre simulazioni suggeriscono che l'aloperidolo stabilizzi maggiormente questa regione, favorendo una rete di comunicazione interna più compatta e organizzata. La pentazocina, al contrario, sembra rendere questa rete più frammentata e meno coesa. È una proposta meccanicistica, non una verità definitiva. Ma è esattamente il tipo di proposta che rende utile la biofisica computazionale: non ci limitiamo a descrivere ciò che accade. Proviamo a formulare ipotesi che possano essere messe alla prova. Ed è forse questa la parte che continuo a trovare più affascinante del mestiere. Le simulazioni non sono sfere di cristallo. Non servono a prevedere il futuro. Servono a costruire modelli sufficientemente intelligenti da suggerirci quali domande vale la pena porre. In questo caso, tutto è partito da una proteina misteriosa, da qualche molecola di colesterolo e da dodici microsecondi di dinamica molecolare. Dodici microsecondi sembrano pochi. Se ci pensate, in dodici microsecondi la luce percorre appena tre chilometri. Ma per una simulazione atomistica di un sistema da quasi 400.000 atomi sono già abbastanza per tenere occupato un supercomputer e parecchi biofisici computazionali.
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