Che si tratti di esseri umani, animali o alghe, tutti gli esseri viventi seguono un orologio interno orientato verso la luce. Finora non era chiaro come determinate proteine controllassero questo ritmo giorno-notte. Un team di ricerca internazionale guidato dal professor Lars-Oliver Essen dell'Università Philipps di Marburgo, con la partecipazione della National Taiwan University (NTU), ha ora decifrato per la prima volta come i cosiddetti criptocromi percepiscono la luce e la convertono in un segnale chimico. Questa scoperta fornisce un elemento fondamentale per la comprensione dell'orologio biologico.
I criptocromi sono fotorecettori che regolano i ritmi circadiani e altri processi fotodipendenti in piante, animali e altri organismi. Utilizzano l'energia luminosa per innescare reazioni chimiche che a loro volta innescano i processi metabolici all'interno delle cellule. "Finora non era chiaro come i criptocromi convertano l'energia luminosa in cambiamenti strutturali che innescano segnali", spiega Lars-Oliver Essen, uno degli autori principali dello studio. "Il nostro lavoro mostra ora per la prima volta come tre domini molecolari interagiscono per controllare questo processo."
Utilizzando la cristallografia seriale a femtosecondi (SFX), il team ha creato 19 istantanee ad alta risoluzione che descrivono le dinamiche di CraCRY tra dieci nanosecondi e 233 millisecondi dopo l'esposizione alla luce. Queste immagini, combinate in un filmato, mostrano come la luce inneschi la formazione di una coppia di radicali con elettroni spaiati ampiamente separati, che mette in moto tre processi: la stabilizzazione della coppia di radicali, la neutralizzazione del cromoforo flavinico (FAD) tramite cattura protonica e l'attivazione di uno stato di segnalazione attraverso lo sviluppo di una lunga elica nella regione terminale della proteina. "Stiamo osservando per la prima volta come la luce altera la struttura di un criptocromo di tipo animale per generare segnali", afferma il Dott. Manuel Maestre-Reyna, autore principale dello studio e professore presso la National Taiwan University di Taiwan.
Lo studio evidenzia due meccanismi centrali: il cosiddetto "interruttore N395/FAD", che attiva una via di protonazione a breve termine (TPP) per protonare la molecola di flavina e stabilizzare la coppia di radicali, e l'"interruttore D321/Y373", che destabilizza l'elica terminale attraverso il trasferimento protonico, innescando così lo stato di segnalazione. "Questi processi potrebbero, ad esempio, spiegare come i criptocromi negli uccelli utilizzino i campi magnetici per la navigazione", sottolinea Essen. La protonazione della flavina nell'arco di microsecondi corrisponde all'intervallo di tempo necessario per la magnetorecezione negli uccelli, in cui i campi magnetici influenzano la generazione del segnale.
I risultati hanno implicazioni di vasta portata: non solo forniscono informazioni sul funzionamento dei criptocromi, ma potrebbero anche far progredire la ricerca sulle malattie controllate dal ritmo circadiano o sui sistemi di orientamento magnetico. "I nostri film molecolari mostrano come interagiscono luce, trasferimento protonico e cambiamenti strutturali", spiega Essen. "Questa è una pietra miliare nella comprensione dei processi controllati dalla luce in natura."
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