Fasci di mitocondri (gialli) all'interno dei coni dei fotorecettori gopher svolgono un ruolo inaspettato nella focalizzazione più precisa della luce diffusa (bagliore dal basso) (raggio blu).Questo comportamento ottico può migliorare la visione rendendo i pigmenti nelle cellule coniche più efficienti nel catturare la luce.
Una zanzara ti sta guardando attraverso un array di microlenti.Giri la testa, tieni in mano lo scacciamosche e guardi il vampiro con il tuo umile occhio a una lente.Ma si scopre che puoi vederti - e il mondo - più di quanto pensi.
Uno studio pubblicato il mese scorso sulla rivista Science Advances ha scoperto che all'interno dell'occhio dei mammiferi, i mitocondri, gli organelli che nutrono le cellule, possono assumere un secondo ruolo di microlente, aiutando a focalizzare la luce sui fotopigmenti, questi pigmenti convertono la luce in segnali nervosi per il cervello a interpretare.I risultati mostrano sorprendenti somiglianze tra gli occhi dei mammiferi e gli occhi composti di insetti e altri artropodi, suggerendo che i nostri occhi hanno una complessità ottica latente e che l'evoluzione ha reso una parte molto antica della nostra anatomia cellulare trovata per nuovi usi.
La lente nella parte anteriore dell'occhio concentra la luce dall'ambiente su un sottile strato di tessuto nella parte posteriore, chiamato retina.Lì, le cellule dei fotorecettori - i coni che colorano il nostro mondo e i bastoncelli che ci aiutano a navigare in condizioni di scarsa illuminazione - assorbono la luce e la convertono in segnali neurali che vanno al cervello.Ma i fotopigmenti si trovano all'estremità dei fotorecettori, immediatamente dietro lo spesso fascio mitocondriale.La strana disposizione di questo fascio trasforma i mitocondri in ostacoli apparentemente inutili per la diffusione della luce.
I mitocondri sono "l'ultima barriera" alle particelle di luce, ha affermato Wei Li, ricercatore senior presso il National Eye Institute e autore principale dell'articolo.Per molti anni, gli scienziati della vista non sono stati in grado di capire questa strana disposizione di questi organelli – dopotutto, i mitocondri della maggior parte delle cellule si aggrappano al loro organello centrale – il nucleo.
Alcuni scienziati hanno suggerito che questi raggi potrebbero essersi evoluti non lontano da dove i segnali luminosi vengono convertiti in segnali neurali, un processo ad alta intensità energetica che consente all'energia di essere facilmente pompata ed erogata rapidamente.Ma poi la ricerca ha iniziato a dimostrare che i fotorecettori non hanno bisogno di tanti mitocondri per produrre energia, ma possono ottenere più energia in un processo chiamato glicolisi, che si verifica nel citoplasma gelatinoso della cellula.
Lee e il suo team hanno appreso il ruolo di questi tratti mitocondriali analizzando le cellule coniche di un gopher, un piccolo mammifero che ha un'eccellente visione diurna ma in realtà è cieco di notte perché i suoi fotorecettori a cono sono sproporzionatamente grandi.
Dopo che le simulazioni al computer hanno mostrato che i fasci mitocondriali potrebbero avere proprietà ottiche, Lee e il suo team hanno iniziato esperimenti su oggetti reali.Hanno usato campioni sottili di retine di scoiattolo e la maggior parte delle cellule è stata rimossa ad eccezione di alcuni coni, quindi hanno "ottenuto solo un sacchetto di mitocondri" ben confezionato all'interno di una membrana, ha detto Lee.
Illuminando questo campione ed esaminandolo attentamente sotto uno speciale microscopio confocale progettato da John Ball, uno scienziato del laboratorio di Lee e autore principale dello studio, abbiamo trovato un risultato inaspettato.La luce che passa attraverso il raggio mitocondriale appare come un raggio luminoso e ben focalizzato.I ricercatori hanno scattato foto e video della luce che penetra nell'oscurità attraverso queste microlenti, dove i fotopigmenti attendono negli animali viventi.
Il fascio mitocondriale gioca un ruolo chiave, non come ostacolo, ma nel fornire quanta più luce possibile ai fotorecettori con una perdita minima, dice Li.
Usando simulazioni, lui e i suoi colleghi hanno confermato che l'effetto della lente è causato principalmente dal fascio mitocondriale stesso e non dalla membrana che lo circonda (sebbene la membrana abbia un ruolo).Una stranezza della storia naturale del gopher li ha anche aiutati a dimostrare che la forma del fascio mitocondriale è fondamentale per la sua capacità di messa a fuoco: durante i mesi in cui il gopher va in letargo, i suoi fasci mitocondriali si disordinano e si restringono.Quando i ricercatori hanno modellato cosa succede quando la luce passa attraverso il fascio mitocondriale di uno scoiattolo di terra addormentato, hanno scoperto che non concentra la luce tanto quanto quando è disteso e altamente ordinato.
In passato, altri scienziati hanno suggerito che i fasci mitocondriali potrebbero aiutare a raccogliere la luce nella retina, osserva Janet Sparrow, professoressa di oftalmologia al Columbia University Medical Center.Tuttavia, l'idea sembrava strana: “Alcune persone come me hanno riso e hanno detto: 'Dai, hai davvero così tanti mitocondri per guidare la luce?'- lei disse."È davvero un documento che lo dimostra ed è molto buono".
Lee e i suoi colleghi ritengono che ciò che hanno osservato nei gopher potrebbe accadere anche negli esseri umani e in altri primati, che hanno una struttura piramidale molto simile.Pensano che potrebbe anche spiegare un fenomeno descritto per la prima volta nel 1933 chiamato effetto Stiles-Crawford, in cui la luce che passa attraverso il centro stesso della pupilla è considerata più luminosa della luce che passa ad angolo.Poiché la luce centrale può essere più focalizzata sul fascio mitocondriale, i ricercatori pensano che potrebbe essere meglio focalizzata sul pigmento del cono.Suggeriscono che la misurazione dell'effetto Stiles-Crawford potrebbe aiutare nella diagnosi precoce delle malattie della retina, molte delle quali portano a danni e cambiamenti mitocondriali.Il team di Lee voleva analizzare come i mitocondri malati focalizzano la luce in modo diverso.
È un "bellissimo modello sperimentale" e una scoperta molto nuova, ha detto Yirong Peng, un assistente professore di oftalmologia all'UCLA che non è stato coinvolto nello studio.Sarà interessante vedere se questi fasci mitocondriali possono funzionare anche all'interno dei bastoncelli per migliorare la visione notturna, ha aggiunto Peng.
Almeno nei coni, questi mitocondri potrebbero essersi evoluti in microlenti perché le loro membrane sono costituite da lipidi che rifrangono naturalmente la luce, ha detto Lee."È semplicemente il miglior materiale per la funzione."
I lipidi sembrano trovare questa funzione anche altrove in natura.Negli uccelli e nei rettili, nella retina si sono sviluppate strutture chiamate goccioline di olio che fungono da filtri colorati, ma si pensa che funzionino anche come microlenti, come i fasci mitocondriali.In un grande caso di evoluzione convergente, uccelli che volteggiano sopra la testa, zanzare che ronzano intorno alla loro deliziosa preda umana, leggi questo con caratteristiche ottiche appropriate che si sono evolute indipendentemente - adattamenti che attirano gli spettatori.Ecco che arriva un mondo chiaro e luminoso.
Nota dell'editore: Yirong Peng ha ricevuto il sostegno della Klingenstein-Simons Fellowship, un progetto sostenuto in parte dalla Fondazione Simons, che finanzia anche questa rivista a edizione indipendente.La decisione di finanziamento della Fondazione Simmons non influisce sulla nostra rendicontazione.
Correzione: 6 aprile 2022 Il titolo dell'immagine principale inizialmente identificava erroneamente il colore dei fasci mitocondriali come viola anziché giallo.La colorazione viola è associata alla membrana che circonda il fascio.
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Tempo di pubblicazione: 22-agosto-2022
