Oko – narząd wzroku człowieka – pod wieloma względami zachwyca i zdumiewa nie tylko precyzją widzenia oraz możliwością rozróżniania milionów barw, ale również umiejętnością funkcjonowania w niezwykle szerokim przedziale intensywności światła, która w naturalnych warunkach potrafi zmieniać się nawet o czynnik równy dziesięciu miliardom! Takie wyzwanie wymaga od fotoreceptorów dysponowania krańcowo odmiennymi, a nawet pozornie sprzecznymi atrybutami: z jednej strony bardzo wysoką czułością, z drugiej zaś strony fotostabilnością. Łączenie tego typu skrajności możliwe jest dzięki aktywności wielu mechanizmów regulacyjnych, funkcjonujących na różnych poziomach organizacji narządu wzroku. Wśród nich ważnym oraz doskonale znanym jest zwężanie oraz rozszerzanie źrenicy w odpowiedzi na zmiany intensywności światła, przypominające działanie przysłony fotograficznej. Okazuje się, iż w oku człowieka funkcjonuje również inny ważny mechanizm regulacyjny, przypominający z kolei działanie okularów fotochromowych. Mechanizm ten dynamicznie osłabia intensywność światła docierającego do fotoreceptorów przy wysokich natężeniach, działając w przeciwnym kierunku przy niskim poziomie oświetlenia. W tę nieznaną dotychczas aktywność regulacyjną na poziomie molekularnym zaangażowane są bezpośrednio luteina oraz zeaksantyna, barwniki ksantofilowe obecne w siatkówce oka człowieka, w szczególności w jej centralnym obszarze zwanym plamką żółtą.
Odkrycie tego mechanizmu zostało właśnie ogłoszone przez międzynarodowy zespół badaczy pracujących pod kierunkiem prof. Wiesława Gruszeckiego z Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie. Zespół został utworzony w celu realizacji projektu badawczego w programie TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, współfinansowanym w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój Unii Europejskiej. Jak mówi prof. Gruszecki, lider projektu: „Aktywność interdyscyplinarnego zespołu złożonego z fizyków, medyków oraz chemików, zarówno eksperymentalnych, jak i reprezentujących podejścia obliczeniowe, stworzyła unikalne możliwości badania mechanizmów molekularnych funkcjonujących w oku człowieka oraz poszukiwania odpowiedzi na pytania formułowane z perspektywy wielu, dopełniających się obszarów poznawczych. Co równie ważne, zaangażowanie w pracach zespołu uznanych ekspertów, jak prof. Robert Rejdak z Uniwersytetu Medycznego w Lublinie czy prof. Jacek Czub z Politechniki Gdańskiej, ramię w ramię z adeptami nauki – doktorantami oraz studentami – stanowiło „mieszankę wybuchową” doświadczenia i młodzieńczego entuzjazmu, czyniąc naszą współpracę nie tylko dynamiczną, twórczą i wydajną, ale również pełną radości oraz satysfakcji na poziomie relacji społecznych”.
Badacze pokazali, że ksantofile obecne w plamce żółtej oka, w odpowiedzi na zmiany intensywności światła, ulegają odwracalnej fotoizomeryzacji z konfiguracji molekularnej trans do cis, skutkującej zmianą orientacji tych barwników w błonach lipidowych. Co istotne, tego typu zmiana położenia w stosunku do płaszczyzny siatkówki oraz kierunku padających promieni powoduje radykalne zmiany pochłaniania światła przez tę grupę barwników. Przejawia się to przepuszczaniem większej liczby fotonów w kierunku fotoreceptorów, gdy poziom natężenia jest niski, oraz pochłanianiem promieniowania w warunkach jego nadmiernej intensywności. Aktywność ta chroni siatkówkę przed fotouszkodzeniami w warunkach silnego oświetlenia, ułatwiając jednocześnie widzenie barwne oraz precyzyjne przy stosunkowo słabym świetle. Jak podkreślają badacze w swoim artykule, dodatkową, istotną cechą odkrytego mechanizmu jest jego bardzo krótki czas aktywacji (poniżej jednej tysięcznej sekundy) w stosunku do typowych reakcji źrenicy (czasy dłuższe niż 0,5 sekundy). Oznacza to, że ochrona fotoreceptorów włącza się automatycznie, zanim jeszcze dotrze do naszej świadomości informacja o zagrożeniu. Co równie istotne, źrenica zwęża się jedynie do średnicy ok. 2 mm, pozostawiając niechronioną centralną część siatkówki, która jest odpowiedzialna za widzenie barwne oraz precyzyjne. Ochrona tego właśnie obszaru realizowana jest przez barwniki ksantofilowe oraz przez mechanizm regulacyjny porównany przez badaczy do „żaluzji” otwieranych i zamykanych na poziomie molekularnym w odpowiedzi na zmiany intensywności światła. Fakt, iż zasadniczym elementem aktywnym tych „żaluzji” są cząsteczki luteiny oraz zeaksantyny, które nie są syntetyzowane w organizmie człowieka, wskazuje na konieczność uwzględnienia ich w diecie tak, aby oczy służyły nam zarówno przy słabym, jak i intensywnym oświetleniu przez długie lata naszego życia. O skrajnie negatywnych skutkach niedoboru luteiny oraz zeaksantyny w diecie świadczy utrata widzenia spowodowana degeneracją plamki żółtej w siatkówce oka postępującą wraz z wiekiem (AMD, ang. Age-Related Macular Degeneration). „Na szczęście w zadaniu komponowania diety oraz doboru właściwych produktów żywnościowych pomaga nam zmysł wzroku, na co wskazuje fakt, iż luteina i zeaksantyna, jako barwniki ksantofilowe, charakteryzują się ciepłą, żółtopomarańczową barwą” – mówi prof. Gruszecki.
Praca przedstawiająca odkrycie mechanizmu „żaluzji molekularnych” w siatkówce oka człowieka ukazała się w czasopiśmie „The Journal of Physical Chemistry” i można do niej dotrzeć za pośrednictwem linku: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcb.1c01198
Jak zauważają autorzy artykułu, warty podkreślenia jest fakt, iż podobny proces odwracalnej fotoizomeryzacji barwników polienowych wykorzystany został przez naturę na drodze ewolucji biologicznej jako centralny mechanizm leżący u podstaw funkcjonowania dwóch zasadniczo odmiennych aktywności na poziomie fizjologicznym w oku człowieka. Fotoizomeryzacja cis-trans retinalu w rodopsynie uruchamia kaskadę sygnałów w procesie widzenia, zaś fotoizomeryzacja luteiny i zeaksantyny w plamce żółtej odpowiada za kształtowanie dynamicznej regulacji intensywności światła docierającego do fotoreceptorów na drodze mechanizmu „żaluzji molekularnych”.
W poniższym załączniku dostępny jest artykuł wraz z grafiką przedstawiającą ideę eksponatu w muzeum nauki, obrazującego aktywność mechanizmu „żaluzji molekularnych” w oku człowieka.
