Pesquisadores do Paul Scherrer Institute PSI decifraram os processos moleculares que ocorrem pela primeira vez no olho quando a luz atinge a retina. Os processos – que levam apenas uma fração de trilionésimo de segundo – são essenciais para a visão humana. O estudo foi agora publicado na revista científica Nature .

Envolve apenas uma alteração microscópica de uma proteína em nossa retina, e essa alteração ocorre em um período de tempo incrivelmente pequeno: é o primeiro passo em nossa percepção de luz e capacidade de ver. É também a única etapa dependente de luz. Os pesquisadores do PSI estabeleceram exatamente o que acontece após o primeiro trilionésimo de segundo no processo de percepção visual, com a ajuda do laser de elétrons livres SwissFEL X-ray do PSI.

No centro da ação está o nosso receptor de luz, a proteína rodopsina. No olho humano, ela é produzida por células sensoriais, os bastonetes, que se especializam na percepção da luz. Fixada no meio da rodopsina está uma pequena molécula dobrada: o retinal, um derivado da vitamina A. Quando a luz atinge a proteína, o retinal absorve parte da energia. Com a velocidade da luz, ele então muda sua forma tridimensional para que o interruptor no olho mude de "desligado" para "ligado". Isso desencadeia uma cascata de reações cujo efeito geral é a percepção de um flash de luz.

Mas o que acontece em detalhes quando o retinal se transforma do que é conhecido como forma 11-cis para a forma totalmente trans? "Sabemos sobre o ponto de partida e o produto final da transformação da retina há algum tempo, mas até agora ninguém foi capaz de observar em tempo real exatamente como ocorre a mudança no pigmento da visão rodopsina", diz Valérie Panneels, uma cientista da Divisão de Pesquisa em Biologia e Química do PSI.

Panneels compara o processo a um gato caindo de uma árvore, mas de alguma forma pousando de pé ileso. "A questão é: que estados o gato adota durante sua queda enquanto se posiciona para cair de pé?"

Como descobriram os cientistas do PSI, o "gato da retina" começa girando o meio do corpo. Para Valerie Panneels, o "momento eureca" ocorreu quando ela percebeu algo mais que ocorre: a proteína absorve parte da energia da luz para inflar brevemente uma pequena quantidade - "como nosso peito se expandindo quando inspiramos, apenas para contrair novamente logo depois. "

Durante esse estágio de "inspiração", a proteína perde temporariamente a maior parte de seu contato com o retinal que fica no meio. "Embora o retinal ainda esteja conectado à proteína em suas extremidades por meio de ligações químicas, ele agora tem espaço para girar." Nesse momento, a molécula se assemelha a um cachorro com a coleira solta e livre para dar uma puxada.

Pouco depois, a proteína se contrai novamente e tem o retinal firmemente de volta em seu domínio, só que agora em uma forma diferente e mais alongada. "Dessa forma, o retinal consegue se transformar, inalterado pela proteína na qual está contido."

A transformação do retinal da forma dobrada 11-cis na forma alongada totalmente trans leva apenas um picossegundo, ou um trilionésimo (10 -12 ) de segundo, tornando-o um dos processos mais rápidos em toda a natureza.

A única maneira de registrar e analisar esses processos biológicos rápidos é com um laser de elétrons livres de raios-X como o SwissFEL. "O SwissFEL nos permite estudar em detalhes os processos fundamentais do corpo humano, como a visão", diz Gebhard Schertler, chefe da Divisão de Pesquisa em Biologia e Química da PSI e co-autor principal do estudo, juntamente com Valérie Panneels.

Voltando à analogia do gato, seria como filmar sua queda com uma câmera de alta velocidade , mas com uma grande diferença: a velocidade de filmagem da câmera SwissFEL é um milhão de vezes mais rápida. Trabalhar com grandes instalações de pesquisa também envolve muito mais do que simplesmente apertar um botão do obturador. O Ph.D. O estudante Thomas Gruhl, que passou a trabalhar como pesquisador de pós-doutorado no Institute for Structural and Molecular Biology em Londres, passou anos desenvolvendo um método de produção de cristais de rodopsina de alta qualidade, capazes de fornecer dados de resolução ultra-alta. Em última análise, apenas esses dados tornaram possível realizar as medições necessárias no SwissFEL e - antes do SwissFEL ser construído - no laser de elétrons livres de raios-X SACLA no Japão.

Esta experiência mostra mais uma vez o papel vital do SwissFEL na pesquisa suíça. "Isso provavelmente nos ajudará a encontrar muitas outras soluções no futuro", diz Gebhard Schertler. "Entre outras coisas, também estamos desenvolvendo métodos para investigar processos dinâmicos em proteínas que normalmente não são ativadas pela luz." Os cientistas usam meios artificiais para tornar essas moléculas responsivas à luz: ou fazem alterações apropriadas nos parceiros de ligação ou misturam proteínas com parceiros de ligação no cristal tão rapidamente que podem ser examinadas no SwissFEL. De qualquer forma, o procedimento envolvido é definitivamente muito mais complicado do que simplesmente apontar uma câmera para um gato caindo de uma árvore.