Per la prima volta, i ricercatori hanno osservato le pompe ioniche che attivano il trasporto cellulare ei sistemi di segnale. Ciò garantisce la funzione dei meccanismi biomolecolari.

Ogni pompa di calcio misura solo pochi nanometri in ogni direzione, e risiede nelle membrane cellulari. Ma nonostante le sue dimensioni ridotte, è fondamentale per la vita. Questa pompa è la ragione per cui i nostri muscoli possono contrarsi, e che i neuroni possono inviare segnali. Se la piccola pompa ha smesso di funzionare, le cellule smetterebbero di comunicare. Questo è il motivo per cui le cellule usano così tanto della loro energia - circa un quarto del carburante del corpo, noto come ATP – per mantenere le pompe in funzione.

Ci sono molte cose che ancora non sappiamo sulla struttura e la funzione di questa pompa vitale. La conoscenza della pompa è essenziale per comprendere l'equilibrio energetico e altre importanti funzioni del corpo.

Un gruppo di ricerca danese ha appena pubblicato un nuovo studio che per la prima volta mostra come funziona la pompa a livello di una singola molecola, e come assicura che gli ioni vengano pompati nella giusta direzione. In altre parole, come funziona la pompa come una strada a senso unico molecolare. La scoperta è stata appena pubblicata sulla prestigiosa rivista Natura .

"Questo lavoro rappresenta il passo successivo di una ricerca profonda e importante per comprendere la struttura e la funzione atomica della pompa. Ora siamo un passo più vicini alla comprensione di come le pompe ioniche garantiscano le funzioni delle cellule. Abbiamo caratterizzato come pompa gli ioni fuori da la cellula ad un livello di dettaglio senza precedenti. L'importanza di tale conoscenza di base dei processi biofisici può essere solo sottovalutata. Avrà una grande influenza sulla nostra comprensione dei processi della vita e, in tempo, sul trattamento delle malattie, " afferma il professor Poul Nissen. Il professor Nissen è uno dei maggiori esperti mondiali di questa famiglia di pompe e coautore dell'articolo.

Il sostegno molecolare

In una certa misura, la storia inizia negli anni '50, quando il professor Jens Christian Skou ha svolto il suo lavoro pionieristico all'Università di Aarhus, che ha scoperto le funzioni di pompaggio nelle nostre cellule. La pompa del calcio è una cugina stretta della pompa sodio-potassio su cui ha lavorato Skou, e usano un meccanismo di pompaggio simile. Il lavoro di Skou gli è valso un Premio Nobel per la chimica nel 1997. Da allora, numerosi ricercatori hanno studiato il meccanismo e la funzione di queste pompe, tra cui molti presso il Center for Membrane Pumps in Cells and Disease – PUMPkin – presso l'Università di Aarhus.

Un'intuizione chiave nella nuova pubblicazione riguarda la natura unidirezionale del trasporto ionico. In precedenza, si presumeva che la natura unidirezionale della pompa fosse sorta nella scissione della molecola ricca di energia ATP. L'ipotesi era che quando l'ATP veniva scisso, la pompa non poteva tornare sui propri passi e riformare l'ATP. Questo si è rivelato errato.

"Abbiamo identificato un nuovo stato chiuso nel ciclo di pompaggio, in cui la pompa può entrare solo se lo ione calcio proviene dai fluidi intracellulari e la pompa ha scisso l'ATP. Non può raggiungere questo stato se lo ione proviene dall'ambiente circostante la cellula. Quando il calcio viene rilasciato da questo stato, è il "punto di non ritorno". Questo è il meccanismo che spiega che la pompa funziona come una pompa e non solo come un canale passivo. Questa intuizione davvero unica si basa su esperimenti altamente avanzati. Questi esperimenti ci permettono di vedere direttamente la pompa fare il suo lavoro per la prima volta, "dice il borsista postdottorato Mateusz Dyla, il primo autore del nuovo articolo.

La pompa del calcio ha bisogno di energia, che ottiene dalla scissione di una molecola di ATP. L'energia rilasciata viene convertita nel lavoro della pompa. Questo spiega come si formano grandi gradienti di concentrazione tra l'interno e l'esterno della cellula. La differenza di concentrazione può essere superiore a 10, 000 volte, e questa grande differenza è essenziale per la comunicazione tra cellule come nella segnalazione nervosa.

Fumo e specchi

Il motivo per cui gli esperimenti sono così complessi è abbastanza chiaro. La pompa è così piccola che non può essere ripresa direttamente con un microscopio ottico. Finora, e con grande difficoltà, i ricercatori hanno creato modelli molecolari degli stati stabili della pompa utilizzando una tecnica nota come cristallografia a raggi X. Questo è analogo a un film in stop-motion. Gli scienziati hanno scherzosamente chiamato "Pump Fiction" la loro visualizzazione del movimento della pompa tra questi stati. Il nuovo studio, che sono stati cinque anni di lavoro, sposta la visualizzazione dallo stop motion alle immagini live dei movimenti funzionali della pompa. Il miglioramento tecnico delle tecniche microscopiche ha permesso di osservare il nuovo stato.

La tecnica è nota come spettroscopia di fluorescenza a singola molecola, e utilizza un fenomeno noto come trasferimento di energia per risonanza di Förster, in breve FRET. Qui, luce laser intensa e telecamere ultrasensibili sono combinate per consentire l'osservazione diretta di una singola molecola attraverso la minuscola quantità di luce emessa da ciascuna molecola.

Il gruppo di ricerca ha sfruttato una pompa di calcio del batterio Listeria, che è stato preparato per gli studi attraverso l'ingegneria delle proteine. L'ingegneria della sola proteina ha richiesto diversi anni per essere completata.

Negli esperimenti FRET, due molecole di colorante sono attaccate alla proteina, che viene poi illuminato da luce laser. un colorante, il donatore, assorbe la luce laser e la emette con un colore caratteristico, o in alternativa trasferisce l'energia all'altro colorante, l'accettore. Questo emetterà quindi luce con un altro colore. La luce sarà così emessa dai due coloranti, e gli scienziati possono misurare la distanza tra i due coloranti misurando la quantità di luce emessa da ciascun colore. Poiché i coloranti sono stati accuratamente inseriti in due posizioni specifiche nella pompa, queste variazioni di distanza seguono i movimenti di pompaggio della pompa.

La tecnica della singola molecola ha permesso le nuove scoperte, come spiegato dal collega Magnus Kjærgaard, Istituto di studi avanzati di Aarhus (AIAS), che ha anche contribuito alla scoperta.

"Siamo passati da 'Pump Fiction' a 'Pump Live'. In precedenza, abbiamo sempre registrato i segnali di molte molecole contemporaneamente, che offusca i movimenti. Utilizzando tecniche FRET a singola molecola, possiamo concentrarci su una molecola alla volta, che ci permette di osservare direttamente i cambiamenti strutturali. Questo ci fornisce un video della pompa in azione con meno spazi vuoti. Il nostro film Pump Fiction inizialmente ha preso il nome perché sapevamo che le transizioni tra i diversi stati del ciclo erano fittizie, e che potrebbero esserci ulteriori intuizioni nascoste negli spazi tra gli stati conosciuti. Ora lo abbiamo dimostrato in abbondanza, e allo stesso tempo ha rivelato nuove intuizioni critiche su come funziona la pompa, " lui dice.

Oltre ad aggiungere alla nostra conoscenza dei processi di base della vita, la comprensione di queste pompe può avere anche applicazioni pratiche. Le mutazioni nelle pompe possono causare difetti nelle cellule cerebrali, e questo può causare disturbi neurologici come emicrania, paralisi temporanea o disturbi neurodegenerativi.

I meccanismi di queste pompe ioniche sono quindi fondamentali per comprendere gli errori nella pompa, soprattutto in vista dello sviluppo di nuovi farmaci mirati alla pompa.

"Non abbiamo ancora raggiunto la fase in cui possiamo trasferire la nostra ricerca sulle pompe ioniche nel trattamento delle malattie. Tuttavia, le nuove intuizioni hanno portato a idee che possono essere utilizzate per sviluppare il trattamento dei difetti nella segnalazione neuronale, Per esempio. Ma questo è lavoro per il futuro. Proprio adesso, ci sono tutte le ragioni per celebrare la rivelazione dei dettagli intimi di uno degli enzimi più importanti della vita. Il lavoro si è costruito su grandi collaborazioni qui all'università, e con ricercatori negli Stati Uniti. Abbiamo già avviato nuove entusiasmanti collaborazioni che ci permetteranno di compiere i prossimi passi, "dice il professor Poul Nissen.