I ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI sono riusciti per la prima volta a registrare una pompa di sodio azionata dalla luce da cellule batteriche in azione. I risultati promettono progressi nello sviluppo di nuovi metodi in neurobiologia. I ricercatori hanno utilizzato il nuovo laser a elettroni liberi a raggi X SwissFEL per le loro indagini. Hanno pubblicato i loro risultati oggi sulla rivista Natura .

Il sodio svolge un ruolo essenziale nei processi vitali della maggior parte delle cellule biologiche. Molte cellule creano un gradiente di concentrazione tra il loro interno e l'ambiente. Per questo scopo, speciali pompe nella membrana cellulare trasportano il sodio fuori dalla cellula. Con l'aiuto di un tale gradiente di concentrazione, cellule dell'intestino tenue o dei reni, Per esempio, assorbire alcuni zuccheri.

Tali pompe di sodio si trovano anche nelle membrane dei batteri. Appartengono alla famiglia delle cosiddette rodopsine. Queste sono proteine ​​speciali che vengono attivate dalla luce. Per esempio, le rodopsine trasportano il sodio fuori dalla cellula nel caso di batteri che vivono nell'oceano, come Krokinobacter eikastus. La componente cruciale della rodopsina è la cosiddetta retina, una forma di vitamina A. È di fondamentale importanza per l'uomo, animali, alcune alghe e molti batteri. Nella retina dell'occhio umano, Per esempio, retina avvia il processo visivo quando cambia forma sotto l'influenza della luce.

Realizzazione di filmati velocissimi

I ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI sono ora riusciti a catturare immagini della pompa del sodio di Krokinobacter eikastus in azione e a documentare i cambiamenti molecolari necessari per il trasporto del sodio. Per fare questo, hanno usato una tecnica chiamata cristallografia seriale a femtosecondi. Un femtosecondo è un quadrilionesimo di secondo; un millisecondo è la millesima parte. Il campione da esaminare, in questo caso una pompa di sodio cristallizzato, viene colpito prima da un laser e poi da un raggio di raggi X. Nel caso della rodopsina batterica, il laser attiva la retina, e il successivo raggio di raggi X fornisce dati sui cambiamenti strutturali all'interno dell'intera molecola proteica. Poiché SwissFEL produce 100 di questi impulsi a raggi X a femtosecondi al secondo, le registrazioni possono essere effettuate con alta risoluzione temporale. "Possiamo ottenere una risoluzione temporale nell'intervallo dei femtosecondi al PSI solo con l'aiuto di SwissFEL, "dice Christopher Milne, che ha contribuito a sviluppare la stazione sperimentale Alvra dove sono state effettuate le registrazioni. "Una delle sfide è iniettare i cristalli nella configurazione in modo che soddisfino gli impulsi del laser e del raggio di raggi X con la massima precisione".

Pompa in azione

Nell'esperimento in corso, gli intervalli di tempo tra il laser e gli impulsi a raggi X erano compresi tra 800 femtosecondi e 20 millisecondi. Ogni impulso a raggi X crea una singola immagine di un cristallo proteico. E proprio come un film per il cinema alla fine consiste in un gran numero di singole fotografie che vengono messe insieme in una serie e riprodotte rapidamente, le singole immagini ottenute con l'aiuto di SwissFEL possono essere unite per formare una sorta di film.

"Il processo che abbiamo potuto osservare nel nostro esperimento, e che corrisponde grosso modo al trasporto di uno ione sodio attraverso una membrana cellulare, impiega un totale di 20 millisecondi, " spiega Jörg Standfuss, che dirige il gruppo per la cristallografia risolta nel tempo nella Divisione di Biologia e Chimica del PSI. "Oltre a chiarire il processo di trasporto, siamo stati anche in grado di mostrare come la pompa del sodio raggiunge la sua specificità per il sodio attraverso piccoli cambiamenti nella sua struttura." Ciò garantisce che solo gli ioni sodio, e nessun altro ione con carica positiva, vengono trasportati. Con queste indagini, i ricercatori hanno anche rivelato i cambiamenti molecolari attraverso i quali la pompa impedisce agli ioni di sodio che sono stati trasportati fuori dalla cellula di rifluire in essa.

Progressi in optogenetica e neurobiologia

Poiché anche le differenze di concentrazione di sodio svolgono un ruolo speciale nel modo in cui le cellule nervose conducono gli stimoli, i neuroni hanno potenti pompe del sodio nelle loro membrane. Se più sodio scorre all'interno della cellula, uno stimolo viene trasmesso. Queste pompe poi trasportano nuovamente all'esterno il sodio in eccesso nella cellula.

Poiché la pompa del sodio di Krokinobacter eikastus è azionata dalla luce, i ricercatori possono ora usarlo per la cosiddetta optogenetica. Con questa tecnologia, cellule, in questo caso le cellule nervose, sono geneticamente modificati in modo tale da poter essere controllati dalla luce. La pompa è installata nelle cellule nervose utilizzando metodi di genetica molecolare. Se poi viene attivato dalla luce, un neurone non può più trasmettere stimoli, Per esempio, poiché ciò richiederebbe un aumento della concentrazione di sodio nella cellula nervosa. Però, la rodopsina batterica impedisce ciò trasportando continuamente il sodio fuori dalla cellula. Quindi le pompe di sodio attive rendono inattivo un neurone.

"Se comprendiamo esattamente cosa sta succedendo nella pompa del sodio del batterio, può aiutare a migliorare gli esperimenti di optogenetica, "dice Petr Skopintsev, un dottorato di ricerca candidato nel gruppo della cristallografia risolta nel tempo. "Per esempio, può essere utilizzato per identificare varianti di rodopsina batterica che funzionano in modo più efficace rispetto alla forma che si trova solitamente in Krokinobacter." Inoltre, i ricercatori sperano di ottenere informazioni su come le singole mutazioni possono cambiare le pompe ioniche in modo che poi trasportino ioni diversi dal sodio.