Fiat lux! E la proteina aprì la porta agli ioni!

Ogni anno, quando vengono annunciati i premi Nobel, noi fisici aspettiamo con una certa impazienza quello per la Fisica. È un po' come aspettare gli Oscar per scoprire se ha vinto il film del nostro regista preferito. Quest'anno, però, il premio che mi ha colpito maggiormente è stato quello per la Medicina. E non per la mia solita ipocondria. Il Nobel 2026 per la Medicina è stato assegnato a Karl Deisseroth, Peter Hegemann e Georg Nagel per le loro scoperte sull'optogenetica. Una parola che sembra inventata da qualcuno particolarmente appassionato di acronimi, ma che nasconde un'idea meravigliosa: utilizzare la luce per controllare l'attività delle cellule, in particolare dei neuroni. Ora, accendere e spegnere i neuroni con la luce sembra una di quelle cose che nei film di fantascienza finiscono inevitabilmente nelle mani dello scienziato pazzo. Invece è diventata una delle tecniche più potenti delle neuroscienze moderne. E tutto grazie, almeno in parte, a una piccola alga unicellulare che aveva un problema molto concreto: capire da che parte arrivava la luce. Il che dimostra, ancora una volta, che in biologia conviene prestare attenzione anche agli organismi apparentemente meno ambiziosi. Mentre noi esseri umani passiamo una parte considerevole della nostra esistenza a chiederci quale direzione prendere nella vita, quell'alga aveva già trovato una soluzione piuttosto efficiente.

L'alga in questione si chiama Chlamydomonas reinhardtii, nome che sembra studiato appositamente per mettere in difficoltà gli studenti. È un organismo unicellulare dotato di flagelli, minuscole strutture che gli permettono di nuotare, e possiede un sistema per percepire la luce e orientare il proprio movimento. Perché la luce, per un organismo fotosintetico, è una questione piuttosto seria: troppo poca e non si produce abbastanza energia, troppa e si rischia di danneggiare l'apparato fotosintetico. Insomma, bisogna trovare la giusta illuminazione. Una preoccupazione che condividono con molti fotografi e soprattutto con chiunque abbia provato a farsi un selfie. Specialmente passata una certa età e non scriverò quale.

Una delle proteine che permettono a quest'alga di rispondere alla luce è la channelrhodopsin-2, per gli amici ChR2. È una proteina immersa nella membrana cellulare che funziona come un canale ionico: una specie di porta molecolare che, quando riceve luce, può aprirsi e lasciar passare gli ioni, ovvero particelle elettricamente cariche. Il movimento di queste cariche modifica il potenziale elettrico attraverso la membrana. Nel caso dell'alga, questo contribuisce ai segnali che regolano il movimento dei flagelli. Nel caso dei neuroni, invece, può modificare l'attività elettrica della cellula e, nelle condizioni appropriate, innescare un impulso nervoso.

Ed è qui che arriva l'idea geniale dell'optogenetica. Se una proteina di un'alga può trasformare la luce in un segnale elettrico, perché non inserirla nei neuroni e usarla per controllarne l'attività? Grazie all'ingegneria genetica è possibile introdurre nelle cellule nervose le istruzioni necessarie a produrre ChR2. A quel punto, illuminando i neuroni con luce di opportuna lunghezza d'onda, possiamo modificarne l'attività con una precisione straordinaria nello spazio e nel tempo. Non stiamo semplicemente osservando quali neuroni si attivano mentre un animale compie un'azione: possiamo intervenire su popolazioni selezionate di neuroni e verificare quali conseguenze produce la loro attivazione. È un cambiamento enorme, perché permette di passare dall'osservazione alla ricerca di relazioni di causalità. In altre parole, invece di limitarci a guardare cosa succede nel cervello, possiamo cominciare a fare qualche domanda direttamente ai neuroni. Purché, naturalmente, rispondano.

Ma a questo punto, come spesso mi accade quando sento parlare di una nuova applicazione biologica, io comincio a distrarmi. Perché mentre i neuroscienziati discutono di circuiti neuronali, memoria, emozioni e comportamento, nella mia testa compare una domanda molto meno ambiziosa, ma per me irresistibile: come diavolo fa quella proteina ad aprire la porta quando arriva un fotone?

Perché un fotone è senza massa, praticamente un quanto di energia elettromagnetica. Eppure, quando viene assorbito da una molecola, può innescare una serie di trasformazioni che arrivano a modificare il comportamento di un'intera cellula. È uno di quei momenti in cui la meccanica quantistica, la chimica e la biologia decidono di smettere di rispettare i ridicoli confini dei nostri settori scientifico-disciplinari, detti anche settori concorsuali o gruppi scientifico-disciplinari o ma-è-proprio-necessario-piazzarsi-queste-etichette? Fatemi tornare alla ChR2, prima che cominci a scrivere in grassetto.

Per capire cosa succede dobbiamo conoscere un'altra protagonista della storia: il retinale. È una piccola molecola derivata dalla vitamina A, parente stretta di quelle che permettono anche ai nostri occhi di percepire la luce. Nella ChR2 il retinale è legato covalentemente alla proteina attraverso un gruppo chimico chiamato base di Schiff. Il nome non è particolarmente romantico, ma il meccanismo lo è molto di più. Quando il retinale assorbe un fotone, cambia la propria configurazione geometrica: passa da una forma chiamata all-trans a una forma 13-cis. In parole che anche io posso comprendere, una parte della molecola ruota attorno a un doppio legame, modificando la disposizione dei suoi atomi.

Ora, immaginate di essere seduti su un autobus molto affollato, tipo il 5 che porta al campus di Povo (Trento) nelle ore che precedono le lezioni. A un certo punto il passeggero accanto a voi decide di cambiare posizione. Non può farlo senza disturbare qualcuno. Un gomito si sposta, una spalla si inclina, un altro passeggero deve cambiare postura e, nel giro di pochi istanti, un movimento apparentemente insignificante produce una piccola riorganizzazione collettiva. Il retinale fa qualcosa di simile. Solo che i passeggeri sono amminoacidi, legami a idrogeno e molecole d'acqua, e l'autobus è una proteina immersa in una membrana biologica.

Ed è proprio qui che entra in scena il lavoro di Albert Ardevol e Gerhard Hummer, pubblicato nel 2018 sui Proceedings of the National Academy of Sciences, che ho scelto come principale riferimento scientifico per il post di questo mese. Il titolo è Retinal isomerization and water-pore formation in channelrhodopsin-2. È un articolo che conosco da tempo e che trovo particolarmente elegante, perché affronta una domanda precisa: quali sono i primi eventi molecolari che collegano l'assorbimento della luce all'apertura del canale?

Il problema, naturalmente, è che questi eventi avvengono su scale temporali molto diverse. L'assorbimento del fotone e il cambiamento di configurazione del retinale sono processi rapidissimi, che coinvolgono la struttura elettronica della molecola. L'apertura del canale, invece, richiede una riorganizzazione della proteina e dell'acqua circostante, e avviene su tempi molto più lunghi. È un po' come voler seguire contemporaneamente il movimento delle dita di un pianista e l'intera esecuzione di una sinfonia. Se vi concentrate troppo sul singolo dito, rischiate di perdervi la musica. Se ascoltate soltanto la sinfonia, non capite come viene prodotta.

Ardevol e Hummer hanno quindi combinato diversi strumenti della biofisica computazionale. Per descrivere il retinale hanno utilizzato metodi che accoppiano meccanica quantistica e meccanica molecolare, i cosiddetti metodi QM/MM. L'idea è trattare con la meccanica quantistica la regione in cui avvengono i processi chimici che coinvolgono gli elettroni, lasciando alla meccanica classica il compito di descrivere gran parte della proteina e dell'ambiente circostante. In questo modo si evita di affrontare l'impresa, decisamente donchisciottesca, di risolvere il problema quantistico di tutti gli elettroni della proteina, dei lipidi e dell'acqua.

Ma c'è una sottigliezza importante. Per seguire la dinamica della proteina per microsecondi, gli autori avevano bisogno di una descrizione classica del retinale sufficientemente accurata. Hanno quindi utilizzato calcoli QM/MM per costruire un modello delle sue interazioni adattato all'ambiente proteico, verificandolo anche attraverso il confronto con gli spettri di assorbimento sperimentali. Poi hanno impiegato la dinamica molecolare classica per seguire il movimento degli atomi e la metadinamica, una tecnica di campionamento avanzato, per esplorare il cambiamento conformazionale del retinale. Insomma, hanno messo insieme meccanica quantistica, dinamica molecolare e metadinamica. Una specie di consiglio allargato di dipartimento, ma con il vantaggio che almeno le equazioni, a differenza dei professori universitari, tendono a rispettare le regole della discussione. Quando ci vuole, ci vuole...

Nel complesso hanno analizzato oltre quattordici microsecondi di simulazioni. Per dare un'idea delle scale, un microsecondo è un milionesimo di secondo. Un tempo ridicolo per la nostra esperienza quotidiana, ma durante il quale gli atomi di una proteina possono compiere un numero enorme di movimenti. Ma in dinamica molecolare quattordici microsecondi sono davvero tanti. E lo erano ancora di più nel 2018.

Cosa hanno osservato? Prima di tutto, che anche quando il canale è chiuso, l'acqua riesce a entrare in alcune cavità della proteina. Ma non riesce ad attraversarla completamente: al centro esiste una regione che impedisce il passaggio. È come avere un corridoio accessibile da entrambe le estremità, ma interrotto da una porta chiusa. Quando il retinale cambia configurazione in seguito all'assorbimento della luce, succede qualcosa di interessante. La nuova geometria modifica le interazioni con gli amminoacidi circostanti. Alcuni legami a idrogeno si rompono, altri si formano, le cariche elettriche si riorganizzano. In particolare, cambia una rete di interazioni che contribuisce a mantenere chiusa la regione centrale del canale. E a questo punto arriva una molecola che nei miei ultimi post sembra avere sviluppato una certa mania di protagonismo: l'acqua. Le molecole d'acqua cominciano a penetrare nella regione centrale della proteina, occupando spazi che prima erano praticamente inaccessibili. Nelle simulazioni, dopo circa sei decimi di microsecondo dall'isomerizzazione del retinale, la discontinuità nella distribuzione dell'acqua scompare e si forma un percorso idratato che attraversa la membrana. Attenzione, però: non significa che il canale sia già completamente aperto agli ioni. Ed è questa una delle osservazioni più belle del lavoro.

Si forma prima uno stato che gli autori chiamano preopen, cioè preaperto. L'acqua può attraversare la proteina, ma il canale non è ancora sufficientemente organizzato e aperto da permettere la conduzione degli ioni. È come se qualcuno avesse aperto una piccola fessura nella porta: abbastanza per far passare uno spiffero, non ancora per far entrare gli ospiti. L'acqua, quindi, non si limita ad aspettare che la proteina si apra. Partecipa alla riorganizzazione delle interazioni che prepara l'apertura. Entra, modifica i legami a idrogeno, facilita ulteriori movimenti degli amminoacidi. La proteina permette all'acqua di entrare e l'acqua contribuisce a modificare la proteina. Una relazione reciproca che, se ci pensate, è molto più interessante della semplice immagine di una porta che si apre.

Ma la storia non finisce qui, perché entra in scena anche un protone. Il retinale, come dicevo, è legato alla proteina attraverso una base di Schiff, che può perdere un protone. Le simulazioni QM/MM di Ardevol e Hummer hanno permesso di studiare il trasferimento di questo protone verso un residuo della proteina chiamato D253, un aspartato. Nella configurazione iniziale il retinale interagisce soprattutto con un altro residuo, E123, ma dopo l'isomerizzazione cambia orientamento e si avvicina a D253, favorendo il trasferimento protonico. E qui compare un meccanismo che trovo particolarmente elegante. Dopo il trasferimento, la base di Schiff cambia orientamento verso il lato citoplasmatico della membrana, mentre D253 si allontana. Questa riorganizzazione rende sfavorevole il ritorno del protone lungo lo stesso percorso. È una specie di botola molecolare: il protone passa, la geometria cambia e tornare indietro diventa molto più difficile. In questo modo un evento fotochimico locale viene accoppiato a una trasformazione direzionale della proteina. Non abbiamo semplicemente una molecola che assorbe luce e cambia forma. Abbiamo un sistema in cui geometria, cariche elettriche, protoni, acqua e movimenti proteici collaborano per produrre una funzione biologica.

Ora, da fisico, trovo questa cosa meravigliosa. Perché tutto comincia con un fotone. Un singolo quanto di energia elettromagnetica che modifica la configurazione di una piccola molecola. Da lì parte una cascata di eventi che coinvolge decine di residui della proteina e numerose molecole d'acqua. E, alla fine del processo, un canale ionico può aprirsi e modificare il potenziale elettrico di una membrana. E se quella membrana appartiene a un neurone che abbiamo reso sensibile alla luce attraverso l'optogenetica, possiamo arrivare a controllarne l'attività. Non è male per una piccola alga che voleva soltanto trovare un posto sufficientemente illuminato.

Naturalmente il lavoro di Ardevol e Hummer non risolve tutto. Le simulazioni ricostruiscono soprattutto le prime fasi dell'attivazione, non l'intero ciclo fotochimico fino alla conduzione ionica completa. E, come sempre, i modelli dipendono dalle approssimazioni utilizzate, dagli stati chimici assegnati ai residui, dal campionamento e dal confronto con gli esperimenti. Ma proprio qui sta, secondo me, il valore del lavoro: non pretende di sostituire le misure sperimentali, bensì costruisce una spiegazione molecolare coerente con esse e suggerisce come interpretare la successione degli eventi.

C'è un'altra cosa che mi piace particolarmente. Nel lavoro si vede molto bene perché la biofisica computazionale non possa essere ridotta a una singola tecnica. La meccanica quantistica serve per descrivere la chimica del cromoforo (il retinale) e il trasferimento protonico. La dinamica molecolare classica serve per seguire i movimenti della proteina e dell'acqua su tempi più lunghi. La metadinamica aiuta a esplorare trasformazioni che sarebbero difficili da osservare direttamente. Gli esperimenti forniscono i vincoli e le verifiche necessari per capire se il quadro che emerge è credibile. Nessuno di questi strumenti, da solo, sarebbe sufficiente.

Forse è proprio questa la lezione più bella di un Nobel che, pur essendo stato assegnato per la Medicina, racconta una storia profondamente interdisciplinare. Perché l'optogenetica nasce dalla curiosità di capire come un'alga percepisca la luce. Diventa uno strumento per controllare i neuroni grazie alla biologia molecolare e all'ingegneria genetica. E continua a svilupparsi anche grazie alla biofisica, che cerca di capire come funzionino i suoi interruttori molecolari e come modificarli per ottenere proprietà diverse. La conoscenza del meccanismo, infatti, può aiutare a progettare varianti delle channelrhodopsine con caratteristiche più adatte alle diverse applicazioni: diversa sensibilità alla luce, tempi di apertura e chiusura differenti, diversa selettività ionica. Non basta sapere che l'interruttore funziona. Se vogliamo costruirne uno migliore, dobbiamo capire cosa succede al suo interno.

Ed è qui che mi viene da sorridere pensando alla mia formazione: ho studiato fisica per capire come funziona il mondo e mi sono ritrovato a studiare proteine, membrane, protoni e molecole d'acqua. Adesso scopro che una proteina di un'alga può permetterci di intervenire sull'attività del cervello usando la luce. Se qualcuno me lo avesse raccontato quando ero studente, probabilmente avrei pensato che stesse esagerando con la fantascienza. Invece è successo davvero. In fondo, è questo che continua a piacermi della biofisica computazionale: usare gli strumenti della fisica per capire come la materia riesca a fare cose straordinariamente complesse, fino a trasformare un fotone in un segnale nervoso. E pensare che tutto è cominciato con un'alga. La quale, a differenza di molti di noi, aveva già capito una cosa fondamentale: quando non sai dove andare, qualche volta basta cercare la luce.