Proprio come le piante terrestri, le alghe usano la luce del sole come fonte di energia. Molte alghe verdi si muovono attivamente nell'acqua; possono avvicinarsi alla luce o allontanarsene. Per questo usano sensori speciali (fotorecettori) con i quali percepiscono la luce.
La ricerca decennale su questi sensori di luce ha portato a un primo successo nel 2002: Georg Nagel, all'epoca al Max-Planck-Institute of Biophysics di Francoforte / M, e collaboratori hanno scoperto e caratterizzato due cosiddette channelrhodopsins nelle alghe. Questi canali ionici assorbono la luce, quindi si aprono e trasportano gli ioni. Prendono il nome dai pigmenti visivi presenti in umani e animali, le rodopsine.
Ora è stato scoperto un terzo "occhio" nelle alghe: i ricercatori hanno scoperto un nuovo sensore sensibile alla luce con proprietà inaspettate. I gruppi di ricerca del professor Armin Hallmann (Università di Bielefeld) e del professor Georg Nagel (Julius-Maximilians-Universität Würzburg, JMU) riportano questo risultato nella rivista BMC Biology.
La luce riduce la produzione di cGMP
La sorpresa: il nuovo fotoricettore non è attivato dalla luce ma inibito. È un guanilato ciclasi che è un enzima che sintetizza l'importante cGMP messaggero. Una volta esposta alla luce, la produzione di cGMP viene drasticamente ridotta, portando ad una ridotta concentrazione di cGMP - e questo è esattamente ciò che accade nell'occhio umano non appena le rodopsine assorbono la luce.
Il sensore appena scoperto è regolato dalla luce e dalla molecola ATP. Tali "sistemi a due componenti" sono già ben noti nei batteri, ma non nelle cellule più evolute. I ricercatori hanno chiamato il nuovo fotorecettore "Two Component Cyclase Opsin", 2c-cyclop in breve. L'hanno trovato in due alghe verdi, nell'achicardico Chlamydomonas reinhardtii e nel pluricellulare Volvox carteri.
Funzione mostrata negli ovociti e nelle alghe
"Per molti anni abbiamo ricavato dati genetici da cui è stato possibile concludere che nelle alghe verdi ci devono essere molte più rodopsine rispetto alle due precedentemente caratterizzate", spiega Georg Nagel. Solo in Chlamydomonas reinhardtii sono assegnate dodici sequenze proteiche alle opsine, che sono i precursori delle rodopsine.
"Finora, nessuno poteva dimostrare la funzione di questi sensori di luce", dice il co-ricercatore del dott. Nagels, Shiqiang Gao. Solo i gruppi di ricerca di Bielefeld e Würzburg sono riusciti a farlo: hanno inoculato la nuova rodopsina negli ovociti del rospo Xenopus laevis e nell'alga sferica Volvox carteri. In entrambi i casi, la sua funzione potrebbe essere mostrata e caratterizzata.
Prospettive per l'optogenetica
Gli autori ritengono che il sensore di luce 2c-Cyclop offra nuove opportunità per l'optogenetica. Con questa metodologia, l'attività dei tessuti e degli organismi viventi può essere influenzata da segnali luminosi. Per mezzo dell'optogenetica, molti processi biologici di base nelle cellule sono già stati chiariti. Ad esempio, ha fornito nuove informazioni sui meccanismi del morbo di Parkinson e di altre malattie neurologiche. Ha anche portato nuove informazioni su malattie come l'autismo, la schizofrenia e la depressione o i disturbi d'ansia.
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