Istraživački tim s kanazawskog instituta WPI-NanoLSI, u suradnji sa sveučilištima u Kyotu i SOKENDAI te Nacionalnim institutom za fiziološke znanosti, objavio je u časopisu Science Advances studiju o proteinu CaMKIIα. Riječ je o molekuli koja se u velikim količinama nalazi na mjestima gdje moždane stanice komuniciraju i za koju se dugo zna da sudjeluje u jačanju tih veza — temelju učenja i pamćenja.
Tim predvođen Mikihirom Shibatom koristio je atomsku mikroskopiju visoke brzine, metodu koja omogućuje promatranje pojedinačnih molekula u stvarnom vremenu. U uvjetima sličnim onima unutar sinapsi — velika gustoća i ograničeno kretanje — protein se počeo spajati u stabilne lance sastavljene od više prstenastih jedinica.
Što se dogodi kad se protein aktivira
Kad razina kalcija u stanici poraste, molekula kalmodulina uključuje CaMKIIα. Mikroskop je pokazao da se pri tome radni dijelovi proteina šire prema van, a razmak između susjednih molekula povećava se za oko četiri nanometra. Upravo u tom otvorenom obliku protein gradi veće lance.
Dodavanje fosfatne skupine na određeno mjesto dodatno stabilizira te strukture, što proteinu omogućuje da ostane aktivan i nakon što razina kalcija padne. Računalne simulacije potvrdile su opažanja: proteini se lakše grupiraju kada su otvoreni i kada im je kretanje ograničeno.
Autori predlažu da tijekom dugotrajnog jačanja sinaptičkih veza aktivirane molekule CaMKIIα prvo prionu na receptore, a zatim posluže kao sidrišta oko kojih se skupljaju ostale. Tako nastaju lanci i veće skupine, iako se samo dio molekula može izravno vezati na receptore. Pojedinačni kontakti među proteinima slabi su, no kada ih je mnogo i ne mogu se slobodno kretati, zbroj slabih veza daje stabilnu strukturu.
Mutacija koja se ne isključuje
Studija je obuhvatila i promijenjeni oblik proteina poznat kao P212L, koji nastaje spontanom mutacijom gena CAMK2A i povezuje se s intelektualnim teškoćama te drugim poremećajima razvoja mozga. Taj se varijantni oblik lakše aktivira od normalnog i u miševa proizvodi neuobičajeno snažno dugotrajno jačanje veza.
U pokusima je P212L formirao znatno veće skupine od normalnog proteina — čak i u mirovanju, dok još nije bio aktiviran. Zaključak autora je da mutacija otežava proteinu da ostane u svom uobičajenom, isključenom obliku, pa se lakše otvara i spaja s drugima.
Shibata pritom ostaje suzdržan: „Sada će biti važno provjeriti nastaju li slične skupine u živim sinapsama i kako promjene veličine skupina utječu na rad neurona.“
Granice dokaza i pitanje koje ostaje
Studija izravno dokazuje samoorganizaciju CaMKIIα u pročišćenom eksperimentalnom sustavu i identificira uvjete koji određuju veličinu skupina. Ne dokazuje da isti lanci postoje unutar živih neurona. Opažanja su napravljena dvodimenzionalno na površini liskuna, gdje nespecifično prianjanje molekula može utjecati na njihovo ponašanje.
Autori zato planiraju razviti bolje podloge i uvjete snimanja te provjeriti pojavljuju li se slične, reverzibilne dinamike skupina u intaktnim sinaptičkim okruženjima.
Ovo je solidan temeljni rad koji povezuje oblik pojedinačne molekule s njezinim ponašanjem u masi. No ostaje pitanje koje autori sami ne postavljaju dovoljno oštro: ako se protein u epruveti ponaša drugačije nego u živčanom tkivu, koliko toga što danas zovemo „mehanizmom pamćenja“ počiva na pojednostavljenim modelima, a ne na stvarnom mozgu? Odgovor na to pitanje tražit će se u živim sinapsama — i tu će se pokazati koliko je ovaj nalaz doista važan.