Finanziamento significativo per un nuovo approccio allo studio delle proteine in azione

A quattro ricercatori è stato assegnato un finanziamento ERC Synergy Grant dal Consiglio europeo della ricerca (ERC) per il loro progetto congiunto SPARX. Il finanziamento fornirà circa 8,5 milioni di franchi svizzeri nei prossimi sei anni. I ricercatori sono: John Beale del Centro per la scienza dei fotoni del PSI, Doeke Hekstra dell’Università di Harvard, con l’Università di Amburgo come istituzione ospitante, Thomas J. Lane del Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) di Amburgo e Guido Meier dell’Istituto Max Planck per la Struttura e la Dinamica della Materia (MPSD) di Amburgo. Insieme, puntano a sviluppare una nuova metodologia per studiare come le proteine, ovvero gli elementi costitutivi della vita, rispondono ai campi elettrici.

SPARX, acronimo di «Structural Perturbations by Applied electRic-field Xtallography», traducibile in italiano come «cristallografia delle perturbazioni strutturali innescate da campi elettrici applicati», si basa su tecniche consolidate di cristallografia seriale e sul settore emergente della cristallografia in campo elettrico. Nella cristallografia seriale, si ottengono innanzitutto cristalli a partire dalle proteine, che possono poi essere irradiati con raggi X. Analizzando le figure di diffrazione risultanti, è possibile determinare la posizione di ogni singolo atomo all’interno di una proteina.

«Se riusciamo a comprendere la struttura delle proteine scendendo fino al livello dei singoli atomi, possiamo comprendere meglio le loro funzioni all’interno degli organismi viventi», spiega John Beale, la cui ricerca si svolge presso il laser ad elettroni liberi a raggi X svizzero SwissFEL del PSI. «Queste conoscenze possono poi essere utilizzate per sviluppare nuovi composti farmaceutici in modo mirato».

Campi elettrici per studiare la dinamica delle proteine

Le proteine non sono strutture statiche: cambiano forma per attivare dei processi nel nostro organismo. Pertanto, i ricercatori puntano a studiare le proteine mentre stanno agendo. Finora, per innescare la dinamica delle proteine sono stati tipicamente utilizzati impulsi laser; la dinamica viene poi osservata utilizzando i raggi X come quelli del laser SwissFEL.

Tuttavia, spiega Doeke Hekstra: «Solo un numero esiguo di proteine nel nostro organismo risponde direttamente alla luce. Vogliamo quindi utilizzare dei campi elettrici al posto degli impulsi luminosi per innescare queste dinamiche delle proteine». Questo approccio riprodurrebbe, in effetti, proprio le condizioni presenti negli organismi viventi. I nostri corpi utilizzano i campi elettrici in molti contesti, ad esempio quando le cellule nervose trasmettono i segnali nel nostro cervello. Anche alcune regioni degli enzimi modificano la propria carica elettrica per dare il via a reazioni chimiche nell’organismo. «Se utilizziamo i campi elettrici per stimolare le proteine, possiamo indagare una gamma più ampia di dinamiche delle proteine», riassume Hekstra.

Infrastrutture per SwissFEL e altre strutture di ricerca su larga scala

I ricercatori hanno diversi obiettivi. Innanzitutto, utilizzeranno una parte del finanziamento ERC Synergy Grant per sviluppare e testare dei dispositivi che integrino le tecniche esistenti di cristallografia seriale, incorporando l’impiego di campi elettrici per innescare le dinamiche proteiche.

Successivamente utilizzeranno tali dispositivi presso il laser SwissFEL per studiare le proteine di interesse. «Una cosa che ci interessa particolarmente è l’uso del campo elettrico per indagare proteine su cui attualmente non è possibile agire con composti farmaceutici. Queste sono note come proteine non trattabili farmacologicamente», afferma Thomas J. Lane. I ricercatori ipotizzano che il loro nuovo metodo possa rivelare le cosiddette «tasche di legame criptiche», che emergono durante la dinamica delle proteine e che potrebbero fornire inediti siti di legame per nuove terapie. «In particolare, speriamo di comprendere le proteine di segnalazione e i canali ionici: conoscenze che contribuiranno allo sviluppo di futuri trattamenti per il cancro e i disturbi neurologici, come il morbo di Parkinson», aggiunge Lane.

Infine, i ricercatori prevedono che i loro dispositivi possano servire da modello per configurazioni analoghe presso le sorgenti di luce di sincrotrone, le quali forniscono anch'esse raggi X per la ricerca scientifica. «Naturalmente, abbiamo in mente la sorgente di luce di sincrotrone svizzera SLS presso il PSI in Svizzera e la sorgente di sincrotrone PETRA III del DESY ad Amburgo, in Germania», afferma Guido Meier. Sul lungo termine, questo tipo di dispositivi potrebbe essere installato presso gli impianti di sincrotrone di tutto il mondo, facendo compiere ulteriori passi in avanti allo studio della dinamica delle proteine. «Il raggiungimento dell’obiettivo di SPARX richiede una collaborazione internazionale che riunisca ricercatori provenienti da diverse istituzioni, ciascuno con le proprie competenze specifiche», sottolinea Meier.

«Siamo entusiasti all'idea di questa opportunità offertaci di lavorare insieme per sviluppare un nuovo modo di osservare in azione le proteine rilevanti dal punto di vista medico», aggiunge Beale.

Testo: Istituto Paul Scherrer PSI/Laura Hennemann

Informazioni sul PSI

L'Istituto Paul Scherrer PSI è il più grande istituto di ricerca per le scienze naturali e ingegneristiche della Svizzera. È la sede centrale delle grandi infrastrutture di ricerca della Svizzera, a disposizione della scienza e dell’industria. La sua attività di ricerca comprende tecnologie del futuro, energia e clima, innovazione sanitaria e fondamenti della natura. Il budget annuale è di 450 milioni di franchi svizzeri. Il PSI impiega 2300 persone, di cui circa un quarto sono ricercatori post-dottorato, dottorandi o apprendisti. Il PSI fa parte del settore dei PF, che comprende anche i Politecnici federali di Zurigo e di Losanna, nonché gli altri istituti federali di ricerca Empa, Eawag e WSL.

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Dr. John Beale
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