Una proteina e molti futuri: Georg Nagel a Città della Scienza

Il 10 novembre, Georg Nagel, biofisico tedesco dell’Università di Würzburg e premio Nobel per la fisiologia o medicina 2026 insieme a Karl Deisseroth e Peter Hegemann per le scoperte riguardanti i canali ionici attivati dalla luce e l’optogenetica, era a Napoli per l’inaugurazione della quarantesima edizione del festival della scienza Futuro Remoto, nella Sala Newton di Città della Scienza.

Il festival quest’anno ha scelto un tema che è un po’ una sfida: immaginare futuri. Proviamo a pensare a cosa significhi concretamente. Forse soprattutto provare a guardare oltre gli scenari che oggi sembrano inevitabili, a chiedersi quali altre possibilità possano aprirsi, usando la scienza e la creatività. E in questo senso la ricerca di Nagel mostra come un lavoro di base possa rivelare nuove direzioni da seguire, anche inaspettate.

Nagel ha un legame particolare con Napoli: ha sposato la biologa molecolare napoletana Anna Maria Musti e vi ha trascorso un periodo all’Università di Napoli Federico II come Marie Curie Fellow. Proprio qui, il racconto è partito dalle origini del suo lavoro, da quella ricerca che lo ha fatto diventare uno dei padri dell’optogenetica e che, molto più avanti, lo ha portato a un Nobel. Questa ricerca si fonda su una proteina particolare: la canalrodopsina.

Da questa, è nata la possibilità di accendere e spegnere con la luce gruppi di cellule nervose prefissati, uno strumento che oggi sta alla base di ricerche che vanno dalle neuroscienze alle prime applicazioni in medicina.

La storia della proteina

Alla base dell’identificazione della canalrodopsina c’è una curiosità: come fa un’alga verde, la Chlamydomonas reinhardtii, a muoversi e orientarsi verso la luce? Composta da una sola cellula, quest’alga riesce a farlo grazie a un meccanismo che coinvolge il passaggio di particelle cariche attraverso un canale nella membrana cellulare, chiamato canale ionico.

Nel 1991 Hegemann, oggi premio Nobel con Nagel e Deisseroth, misura con Hartmann Harz le correnti elettriche prodotte dalla luce nelle cellule dell’alga e, dai tempi brevissimi con cui compaiono, i due ipotizzano che a ricevere la luce e a far passare le cariche sia una sola proteina.

All’inizio degli anni Duemila tre laboratori diversi, guidati da Hegemann, John Spudich e Toshio Takahashi, la cercano nelle banche dati genetiche dell’alga e ne trovano due, simili fra loro. Le sequenze, però, mostravano come quelle proteine erano fatte, non come si comportavano.

È Nagel a studiarne il comportamento, introducendo le istruzioni genetiche dell’alga in una cellula uovo della rana Xenopus laevis. La cellula può così produrre la proteina nella propria membrana e aggiungendo il retinale, un derivato della vitamina A che si lega alla proteina e le permette di assorbire i fotoni, il meccanismo di apertura del canale ionico si attiva. Usando la luce, Nagel può così rilevare e misurare la corrente che attraversa la membrana, attribuendo l’apertura del canale alla proteina.

Il primo studio, del 2002, descrive il funzionamento della canalrodopsina-1, che risponde alla luce verde e lascia passare protoni. L’anno successivo si passa alla canalrodopsina-2 che risponde alla luce blu, funziona nelle cellule umane coltivate in laboratorio e lascia passare più ioni positivi, tra cui il sodio. Proprio la seconda, secondo le conclusioni dello studio, può cambiare la carica elettrica di una cellula, “semplicemente illuminandola”.

© The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén

«La grande fortuna, per noi, è stata che la canalrodopsina fosse davvero facile da usare», spiega Nagel a Scienza in rete. «Era una sequenza piccola, e il retinale era già presente nella maggior parte delle cellule animali».

Due anni dopo Karl Deisseroth fa un passo in avanti, studiando il meccanismo su neuroni di ratto in coltura. La proteina che orienta un’alga unicellulare diventa, così, un tasto di accensione per le cellule nervose. Più avanti, una proteina della stessa famiglia avrebbe fornito anche quello di spegnimento.

I futuri possibili

Immaginare dove sarebbe arrivata quella proteina non è stato immediato, e la questione resta aperta. «Il Nobel è stato una sorpresa», afferma Nagel. «Sapevo che fosse una proteina importante, ma non immaginavo che potesse avere un impatto simile nelle neuroscienze.»

Gli studi che usano l’optogenetica, con la canalrodopsina e successive varianti, vanno dalla ricerca di base alla preclinica. Alcuni esempi mostrano che, illuminando specifici gruppi di neuroni, si possono attivare il risveglio o il richiamo di un ricordo e della reazione di paura associata. In preclinica, gli studi riguardano la malattia di Parkinson, le lesioni al midollo spinale, l’epilessia, il cuore e l’udito. In clinica, invece, si è appena all’inizio: finora un solo studio mostra, per una persona cieca a causa della retinite pigmentosa, un parziale recupero della funzione visiva, con la capacità di localizzare, contare e toccare oggetti posati su un tavolo.

Il passo successivo, per Nagel, riguarda la precisione con cui questi strumenti vengono indirizzati. «Per l’optogenetica sono molto importanti i promotori, piccole sequenze genetiche che definiscono dove una proteina viene prodotta. Quanto più questi promotori sono noti, tanto meglio si possono esprimere questi nuovi strumenti, e tanto più si può imparare», spiega. In altre parole, si punta a controllare sempre meglio dove viene prodotta la proteina e in quale misura.

Sugli strumenti che l’evoluzione può offrire, Nagel conclude: «Qualcuno ha detto che la natura ha avuto miliardi di anni per sviluppare tante cose. È sorprendente quello che riusciamo a fare anche noi con le mutazioni. Vale certamente la pena di cercare in questo scrigno della natura, perché ci sono ancora tante proteine da conoscere».

Immaginare futuri, in conclusione, può seguire percorsi diversi. Passa, e non in ordine, per le domande che ci poniamo, gli strumenti che troviamo dopo un’attenta e accurata ricerca, e gli usi che decidiamo – o immaginiamo – di farne. E, di certo, anche per altre tappe, alcune ancora da scoprire.