Le cellule vegetali utilizzano segnali elettrici per elaborare e trasmettere informazioni. Nel 1987, come postdoc di Erwin Neher a Gottinga, il biofisico Rainer Hedrich ha scoperto un canale ionico nel vacuolo centrale della cellula vegetale, che è attivato dal calcio e dalla tensione elettrica, utilizzando la tecnica del patch-clamp (Premio Nobel per Neher e Sakmann 1991).

Nel 2019, il team di Hedrich presso la Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) ha identificato questo canale TPC1 come un elemento importante per la comunicazione elettrica negli impianti. Se il canale fallisce, la trasmissione del segnale viene rallentata. Se è iperattiva, cioè aperta troppo a lungo, la pianta è molto stressata e ha problemi di crescita.

Queste reazioni chiariscono:le piante devono controllare rigorosamente il tempo di apertura del canale ionico TPC1 in modo che la comunicazione elettrica tra le loro cellule avvenga senza intoppi.

La struttura spiega come si accende il canale

Una pubblicazione sulla rivista PNAS ora fornisce nuove informazioni sulla funzione molecolare e sulla regolazione del canale TPC1. Ciò è stato ottenuto combinando due aree di competenza:un team JMU guidato da Rainer Hedrich e Irene Marten era responsabile della biofisica delle piante e un gruppo guidato da Robert M. Stroud e Sasha Dickinson dell'Università della California a San Francisco era responsabile della struttura biologia.

Utilizzando l'imaging microscopico crioelettronico ad alta risoluzione, il team statunitense dimostra chiaramente che enormi cambiamenti conformazionali si verificano in diversi domini proteici prima che il canale si apra. Uno stimolo elettrico avvia un movimento di rotazione del dominio del sensore di tensione. Questo allontana i residui di amminoacidi che fungono da siti di legame per gli ioni calcio inibitori nella regione di ingresso vacuolare del canale, aprendo la strada al flusso ionico.

Il contenuto di calcio vacuolare tiene sotto controllo il sensore di tensione

Il team di Hedrich e Marten è stato in grado di dimostrare che il canale TPC1 si attiva quando il livello di calcio nel plasma cellulare aumenta in risposta a stimoli esterni. Un aumento del livello di calcio nel vacuolo, invece, rallenta un flusso ionico eccessivo attraverso il canale e rende virtualmente la membrana vacuolare insensibile agli stimoli elettrici calcio-dipendenti.

Il sito di legame recentemente scoperto per gli ioni calcio vacuolari nel poro conduttore di ioni del canale gioca un ruolo cruciale in questo processo.

"Siamo stati in grado di chiarire la funzione di questo dominio del canale con misurazioni del patch clamp", afferma Irene Marten, professoressa della JMU. "Quando il calcio si lega al sito di legame dei pori vacuolari, si verifica un feedback negativo con il sensore di tensione, il che significa che il movimento del dominio del sensore di tensione è fortemente compromesso. Di conseguenza, il canale rimane chiuso e non c'è eccitazione elettrica del vacuolo. Se, d'altra parte, i residui di amminoacidi dei pori vengono rimossi dalla via di trasporto ionico, non si verifica alcun legame vacuolare con il calcio e l'apertura del canale è fortemente facilitata."

Domanda sull'evoluzione dei canali TPC1

La pubblicazione in PNAS contribuisce ulteriormente al fatto che il canale ionico dell'impianto TPC1 è ora uno dei canali ionici dipendenti dalla tensione meglio compresi. Questa conoscenza può aiutare a comprendere meglio anche i processi dipendenti da TPC1 nelle cellule animali.

Cosa faranno dopo gli scienziati? "Stiamo esaminando la questione se i canali TPC1 di diverse specie vegetali differiscano in termini di regolamentazione e anche in altre proprietà e se ciò apra nuove possibilità di adattamento all'ambiente", afferma Rainer Hedrich. "In tal modo, stiamo anche prendendo in considerazione i regolatori che svolgono un ruolo nei canali TPC1 degli animali. Gli studi dovrebbero anche darci un'idea dell'evoluzione dei canali TPC1".