Квантовое чудо: ученые раскрыли роль меланина в защите нашего зрения

Фото: Getty Images

Представьте себе, что каждый оттенок, каждый блеск, каждый отблеск солнечного света – это постоянная атака на светочувствительный холст в задней части наших глаз, генерирующий вредные побочные продукты, которые подвергают опасности звездных игроков нашего зрения – наши клетки. Удивительно, но пигмент, придающий нашим волосам, коже и глазам насыщенный цвет, выполняет роль ночного уборщика, убирая особенно вредные соединения до того, как они образуют опасные для зрения скопления. Совместное исследование групп из немецкого Университета Тюбингена и Йельского университета проливает свет на эту неортодоксальную операцию по очистке. Секрет этого механизма в том, что он основан на квантовой механике, которая обычно является предметом научно-фантастических романов, а не биологии.

Задняя стенка нашего глазного яблока покрыта бархатистым покрывалом из светочувствительных клеток, известным как сетчатка. Каждая крошечная ниточка этого покрывала набита слоями дисков, которые улавливают частицы света – фотоны – и запускают серию событий, которые в итоге превращаются в сообщение, расшифровываемое нашим мозгом как зрение.

Но у этой первой стадии зрения есть и темная сторона. Вещество, улавливающее фотоны, известное как ретиналь, превращается в форму, которая вмешивается в обычную деятельность клетки, фактически превращаясь в яд.

Эволюция вооружила нас ферментами, которые превращают этот искаженный ретиналь обратно в безвредную, пригодную для использования форму. Наши глаза даже перерабатывают эти стопки дисков, выбрасывая старые с одного конца и вставляя новые светоулавливающие посылки на место с другого. Но этот процесс не безупречен. В редких случаях, таких как болезнь Штаргардта, один неисправный фермент позволяет накапливаться вредным побочным продуктам, что приводит к потере остроты зрения в центральной части сетчатки.

Даже при полностью функционирующей команде ферментов есть еще один потенциальный виновник бед: соединение под названием липофусцин. Если оно не расщепляется должным образом, то может скапливаться в угрожающие комки. Но у эволюции есть хитрость в рукаве: темный пигмент меланин, наблюдаемый в сетчатке пожилых людей, сливается с гранулами липофусцина.

"Меланин, похоже, является природным швейцарским армейским ножом, готовым к решению целого ряда биологических дилемм", – считает терапевт-радиолог из Йельского университета Дуглас Э. Браш.

Однако с возрастом суперспособности меланина могут иссякнуть. Постепенно эти скопления могут повреждать ткани, что приводит к распространенной проблеме со зрением – возрастной макулярной дегенерации (ВМД).

Предыдущие исследования намекали на роль меланина в управлении липофусцином, но точный метод оставался неуловимым. Потенциальная подсказка пришла из экспериментов, показавших, что липофусцин распадается при попадании в высокореактивные формы кислорода, называемые радикалами.

Сами по себе электроны меланина не обладают достаточной силой для этого, их сдерживают законы квантовой физики. Но есть странное исключение. В процессе, называемом химическим возбуждением, смесь дополнительных элементов выводит электроны за пределы обычных границ, позволяя меланину генерировать кислородные радикалы по мере необходимости.

"Эти квантовые скачки заряжают электрон меланина энергией, изменяя его спин, что запускает довольно нетрадиционные химические процессы", – объясняет Браш. Подобные явления не совсем чужды биологии, их часто можно наблюдать при движении электронов к высоким энергиям для создания света, как в биолюминесценции. Однако их роль в других механизмах, в том числе в механизмах, связанных с меланином, только начинает раскрываться.

Используя передовую электронную микроскопию, генетику и фармакологию, команда Браша проследила происхождение гранул меланина и липофусцина. Они раскрыли роль меланина в устранении вредных соединений, а также показали, что он использует свое квантовое усиление для разрушения липофусцина. Это новое понимание может помочь в поиске лекарств, которые могли бы действовать как антивозрастной заменитель меланина, нейтрализуя липофусцин до того, как он разрушит ткани сетчатки.

"В течение десятилетий я был уверен, что меланосомы – крошечные клеточные фабрики, которые производят меланин – разрушают липофусцин, но я изо всех сил пытался найти механизм", – делится ведущий автор исследования, экспериментальный офтальмолог Ульрих Шраермайер из Тюбингенского университета.

"Химическое возбуждение заполняет этот недостающий фрагмент головоломки. Она может помочь нам обойти проблему возрастной макулярной дегенерации, которая возникает, когда меланин в глазах уменьшается с возрастом". Препарат, непосредственно вызывающий хемиэксцитацию, может изменить ситуацию для наших пациентов".