Una proteina di un'alga e molti futuri: Georg Nagel racconta l'optogenetica a Napoli

Il 10 novembre, nella Sala Newton di Città della Scienza a Napoli, Georg Nagel ha preso la parola per l'inaugurazione della quarantesima edizione di Futuro Remoto. Biofisico tedesco dell'Università di Würzburg, Nagel è premio Nobel per la fisiologia o medicina 2026 insieme a Karl Deisseroth e Peter Hegemann, per le scoperte sui canali ionici attivati dalla luce e sull'optogenetica. Il festival ha scelto quest'anno un tema che è una sfida: immaginare futuri, cioè guardare oltre gli scenari che sembrano inevitabili.

Nagel a Napoli non è un ospite qualunque. Ha sposato la biologa molecolare napoletana Anna Maria Musti e ha trascorso un periodo all'Università Federico II come Marie Curie Fellow. Da qui è partito il suo racconto, dalle origini di una ricerca che lo ha reso uno dei padri dell'optogenetica e che, molti anni dopo, gli è valsa il Nobel. Al centro c'è una proteina, la canalrodopsina, che permette di accendere e spegnere con la luce gruppi prefissati di cellule nervose. Oggi è alla base di studi che vanno dalle neuroscienze alle prime applicazioni mediche.

La storia comincia da una curiosità: come fa l'alga verde Chlamydomonas reinhardtii, formata da una sola cellula, a muoversi e orientarsi verso la luce? Il meccanismo coinvolge il passaggio di particelle cariche attraverso un canale della membrana cellulare, detto canale ionico. Nel 1991 Hegemann, con Hartmann Harz, misurò le correnti elettriche prodotte dalla luce nelle cellule dell'alga. Dai tempi brevissimi con cui comparivano, i due ipotizzarono che una sola proteina ricevesse la luce e facesse passare le cariche.

All'inizio degli anni Duemila tre laboratori, guidati da Hegemann, John Spudich e Toshio Takahashi, la cercarono nelle banche dati genetiche dell'alga e ne trovarono due, simili fra loro. Ma le sequenze dicevano com'erano fatte quelle proteine, non come si comportavano. A studiarne il comportamento è stato Nagel: ha introdotto le istruzioni genetiche dell'alga in una cellula uovo della rana Xenopus laevis, che ha così prodotto la proteina nella propria membrana. Aggiungendo il retinale, derivato della vitamina A che si lega alla proteina e le consente di assorbire i fotoni, il canale si apriva. Con la luce Nagel poteva misurare la corrente e attribuirne l'origine alla proteina.

Il primo studio, del 2002, descrive la canalrodopsina-1, sensibile alla luce verde e permeabile ai protoni. L'anno dopo arriva la canalrodopsina-2, che risponde alla luce blu, funziona in cellule umane coltivate in laboratorio e lascia passare più ioni positivi, sodio compreso. Secondo le conclusioni di quello studio, può cambiare la carica elettrica di una cellula «semplicemente illuminandola». Nagel spiega a Scienza in rete che la fortuna è stata la facilità d'uso: una sequenza piccola e il retinale già presente nella maggior parte delle cellule animali. Due anni dopo Deisseroth ha studiato il meccanismo su neuroni di ratto in coltura, trasformando la proteina in un tasto di accensione per le cellule nervose. In seguito una proteina della stessa famiglia ha fornito anche quello di spegnimento.

Nagel racconta che il Nobel è stato una sorpresa: sapeva che la proteina fosse importante, ma non immaginava un impatto simile sulle neuroscienze. Gli studi con la canalrodopsina e le sue varianti spaziano dalla ricerca di base alla preclinica. Illuminando specifici gruppi di neuroni si possono attivare il risveglio o il richiamo di un ricordo e della paura associata. In preclinica si lavora su Parkinson, lesioni del midollo spinale, epilessia, cuore e udito. In clinica si è appena all'inizio: finora un solo studio riporta, in una persona cieca per retinite pigmentosa, un parziale recupero della vista, con la capacità di localizzare, contare e toccare oggetti posati su un tavolo.

Il passo successivo, per Nagel, riguarda la precisione. Sono cruciali i promotori, piccole sequenze genetiche che stabiliscono dove una proteina viene prodotta: più sono conosciuti, meglio si esprimono questi strumenti e più si impara. L'obiettivo è controllare sempre meglio dove e in che misura la proteina viene prodotta. Quanto alla natura, Nagel ricorda che ha avuto miliardi di anni per sviluppare molte cose e che vale la pena cercare in quello scrigno, perché restano tante proteine da conoscere.