Οι επιστήμονες του PSI έριξαν φως σε ένα σημαντικό συστατικό του ματιού: μια πρωτεΐνη στα κύτταρα των ράβδων του αμφιβληστροειδούς που μας βοηθά να βλέπουμε σε αμυδρό φως. Λειτουργώντας ως κανάλι ιόντων στην κυτταρική μεμβράνη, η πρωτεΐνη είναι υπεύθυνη για τη μετάδοση του οπτικού σήματος από το μάτι στον εγκέφαλο. Εάν μια γενετική διαταραχή διαταράξει τη μοριακή λειτουργία σε ένα άτομο, θα τυφλωθεί. Οι επιστήμονες έχουν αποκρυπτογραφήσει την τρισδιάστατη δομή της πρωτεΐνης, προετοιμάζοντας το δρόμο για καινοτόμες ιατρικές θεραπείες. Η μελέτη δημοσιεύεται στο επιστημονικό περιοδικό Φύση Δομική & Μοριακή Βιολογία.

«Χάρη στα ραβδωτά κύτταρα στο μάτι μας μπορούμε να παρατηρήσουμε τα αστέρια στον νυχτερινό ουρανό», εξηγεί ο Jacopo Marino, βιολόγος στο Εργαστήριο Βιομοριακής Έρευνας του PSI. «Αυτά τα φωτοκύτταρα είναι τόσο ευαίσθητα στο φως που μπορούν να ανιχνεύσουν ακόμη και ένα φωτόνιο που φτάνει σε εμάς από ένα πολύ απομακρυσμένο μέρος του σύμπαντος – ένα πραγματικά απίστευτο κατόρθωμα». Η ικανότητα του εγκεφάλου μας να μεταφράζει τελικά αυτές τις ακτίνες φωτός σε οπτική εντύπωση οφείλεται εν μέρει στο κυκλικό νουκλεοτίδιο (CNG) κανάλια ιόντων του οποίου η τρισδιάστατη δομή έχει πλέον φωτιστεί από μια ερευνητική ομάδα PSI με επικεφαλής τον Jacopo Marino.

Το ιόν Κανάλι δρα ως φύλακας που ελέγχει εάν συγκεκριμένα σωματίδια επιτρέπονται στο εσωτερικό του κυττάρου υποδοχέα. Είναι ενσωματωμένο στο πλούσιο σε πρωτεΐνες κέλυφος—το κυτταρική μεμβράνη— των ράβδων κυττάρων. Στο σκοτάδι, το κανάλι ιόντων, και επομένως η πύλη προς το κύτταρο, είναι εντελώς ανοιχτό. Αλλά όταν το φως χτυπά το μάτι, πυροδοτεί έναν καταρράκτη διεργασιών στα κύτταρα της ράβδου. Αυτό οδηγεί τελικά στο κλείσιμο της πύλης, με αποτέλεσμα θετικά φορτισμένα σωματίδια, όπως ιόντα ασβεστίου, να μην μπορούν πλέον να εισέλθουν στο κύτταρο.

Αυτό το ηλεκτροχημικό σήμα συνεχίζεται μέσω των νευρικών κυττάρων στον οπτικό φλοιό του εγκεφάλου, όπου δημιουργείται μια οπτική εντύπωση – όπως μια λάμψη φωτός. «Η ιδέα της επίλυσης της δομής αυτού του καναλιού χρονολογείται πριν από σχεδόν 20 χρόνια, όταν ο Gebhard Schertler και ο Benjamin Kaupp συνεργάζονταν ήδη σε αυτό το θέμα», λέει ο Jacopo Marino. Και οι δύο είναι συν-συγγραφείς της νέας μελέτης.

Η αντοχή απέδωσε

Ph.D. Η φοιτήτρια Diane Barret έπρεπε πρώτα να εξαγάγει την πρωτεΐνη του καναλιού από τα μάτια των αγελάδων που προμηθεύονταν από ένα σφαγείο—μια περίπλοκη και επίπονη διαδικασία. “Αυτό ήταν ένα πολύ δύσκολο έργο, καθώς η πρωτεΐνη είναι εξαιρετικά ευαίσθητη και αποσυντίθεται πολύ γρήγορα. Επιπλέον, είναι διαθέσιμη μόνο σε μικρές ποσότητες στο αρχικό υλικό”, εξηγεί ο Barret. Χρειάστηκαν δύο ολόκληρα χρόνια για να λάβουμε αρκετή πρωτεΐνη για να δουλέψουμε. «Ήμασταν και οι δύο πολύ πεισματάρηδες για να τα παρατήσουμε», λέει ο Jacopo Marino, γελώντας. «Αλλά τελικά αυτό το πείσμα απέδωσε καρπούς».

Στη συνέχεια, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία για να αποκαλύψουν την τρισδιάστατη δομή του διαύλου ιόντων. “Σε αντίθεση με προηγούμενες μελέτες για τη δομή του διαύλου ιόντων, ερευνήσαμε τη φυσική πρωτεΐνη όπως υπάρχει στο μάτι. Ως εκ τούτου, είμαστε πολύ πιο κοντά στις πραγματικές συνθήκες που υπάρχουν στα ζωντανά πλάσματα”, λέει η Diane Barret.

Ένας από τους λόγους για τους οποίους είναι σημαντική η σαφέστερη κατανόηση της φυσικής δομής της πρωτεΐνης του καναλιού είναι η προώθηση της ανάπτυξης θεραπειών για γενετικές διαταραχές για τις οποίες δεν υπάρχει γνωστή θεραπεία, όπως η μελαγχρωστική αμφιβληστροειδίτιδα. Με αυτή την ασθένεια, οι φωτοϋποδοχείς σταδιακά πεθαίνουν, αφήνοντας τους ανθρώπους τυφλούς. Μια πιθανή αιτία είναι ότι το σώμα δεν μπορεί να παράγει σωστά την πρωτεΐνη του καναλιού CNG λόγω γενετικού ελαττώματος. Ως αποτέλεσμα, το κανάλι ιόντων δεν κλείνει εντελώς όταν το φως χτυπά το μάτι, διαταράσσοντας την ηλεκτροχημική ισορροπία του κυττάρου και προκαλώντας το θάνατο των κυττάρων.

«Αν μπορούσαμε να βρούμε μόρια που επηρεάζουν την πρωτεΐνη με τέτοιο τρόπο ώστε το κανάλι να κλείσει τελείως, θα μπορούσαμε να αποτρέψουμε την κύτταρα από το θάνατο—και έτσι να σταματήσουν οι άνθρωποι να τυφλώνονται», εξηγεί ο Jacopo Marino. Τώρα που οι ερευνητές έχουν εντοπίσει την ακριβή δομή της πρωτεΐνης μπορούν να αναζητήσουν ειδικά τέτοια μόρια.

Πρόσθετο εμπόδιο

Η πρωτεΐνη αποτελείται από τέσσερα μέρη: τρεις παρτίδες υπομονάδας Α και μία παρτίδα υπομονάδας Β. Ένα κανάλι ιόντων που λειτουργεί σωστά είναι δυνατό μόνο σε αυτόν τον συνδυασμό. Στη μελέτη τους, οι επιστήμονες του PSI δείχνουν γιατί η υπομονάδα Β φαίνεται να παίζει τόσο σημαντικό ρόλο: ένας πλευρικός βραχίονας της πρωτεΐνης – ένα μόνο αμινοξύ – προεξέχει από την υπόλοιπη πρωτεΐνη, σαν φράγμα σε μια πύλη. Αυτό περιορίζει τη δίοδο στο κανάλι στο σημείο όπου δεν μπορούν να περάσουν ιόντα.

“Κανείς δεν το περίμενε αυτό – ήταν μια απόλυτη έκπληξη”, λέει η Diane Barret. Άλλες στενές θέσεις υπάρχουν ήδη στην υπομονάδα Α – όπως οι κύριες πύλες – που προηγουμένως θεωρούνταν οι μόνες. Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι το πρόσθετο εμπόδιο δεν βρίσκεται μόνο στην πρωτεΐνη από το μάτι της αγελάδας, αλλά φαίνεται να ισχύει για όλους τους τύπους ζώων, όπως έδειξαν οι επιστήμονες. Είτε κροκόδειλοι, αετοί είτε άνθρωποι—όλα τα ζωντανά πλάσματα με κανάλι ιόντων στο μάτι τους έχουν το ίδιο προεξέχον αμινοξύ σε αυτή τη θέση στο πρωτεΐνη. Καθώς έχει διατηρηθεί τόσο σταθερά κατά τη διάρκεια της εξέλιξης, πρέπει να είναι απαραίτητο για τη λειτουργία του καναλιού.