Questa mattina, quando è sorto il sole, miliardi di esseri umani hanno aperto gli occhi e hanno fatto entrare nei loro corpi un raggio di luce proveniente dallo spazio. Quando il flusso di fotoni colpiva la retina, i neuroni si attivavano. E in ogni organo, in quasi ogni cellula, si muovevano elaborati meccanismi. L'orologio circadiano di ogni cellula, un complesso di proteine ​​i cui livelli aumentano e diminuiscono con la luce del sole, si è messo in moto.

Quell’orologio sincronizza i nostri corpi con il ciclo luce-buio del pianeta controllando l’espressione di oltre il 40% del nostro genoma. I geni per i segnali immunitari, i messaggeri cerebrali e gli enzimi epatici, per citarne solo alcuni, vengono tutti trascritti per produrre proteine ​​quando l'orologio dice che è ora.

Ciò significa che, biochimicamente, alle 10 non siete la stessa persona che siete alle 10. Significa che la sera è un momento più pericoloso per assumere grandi dosi di paracetamolo antidolorifico: allora gli enzimi epatici che proteggono dall'overdose scarseggiano. Vuol dire che i vaccini vengono somministrati al mattino e alla sera lavorare in modo diverso, e che i lavoratori del turno di notte, che disobbediscono cronicamente ai loro orologi, hanno tassi più elevati di malattie cardiache e diabete. Le persone i cui orologi vanno veloci o lenti sono intrappolate in uno stato orribile di jet lag perpetuo.

"Siamo legati a questo giorno in modi che penso che le persone semplicemente respingano", mi dice la biochimica Carrie Partch. Se comprendiamo meglio l’orologio, ha sostenuto, potremmo essere in grado di reimpostarlo. Con queste informazioni potremmo modellare il trattamento delle malattie, dal diabete al cancro.

Per più di un quarto di secolo, Partch ha vissuto tra gli orchestratori dell’orologio circadiano, le proteine ​​la cui salita e discesa ne controllano il funzionamento. Come postdoc, ha prodotto la prima visualizzazione della coppia di proteine ​​legate nel suo cuore, CLOCK e BMAL1. Da allora, ha continuato a rendere visibili le spirali e le torsioni di queste e di altre proteine ​​dell’orologio, tracciando al contempo come i cambiamenti nella loro struttura aggiungono o sottraggono tempo al giorno. I suoi successi nel perseguimento di tale conoscenza le hanno portato alcuni dei più alti riconoscimenti in questo campo della scienza: il Premio Margaret Oakley Dayhoff dalla Biophysical Society nel 2018 e il Premio dell'Accademia Nazionale delle Scienze in Biologia Molecolare nel 2022.

Mentre Partch parla, il suo senso dell'inesorabilità del tempo - il fatto che ci cambia, che lo vogliamo o no - ombreggia la sua voce con silenziosa urgenza. Il suo viaggio ha preso una svolta inaspettata; al culmine della sua carriera, deve fare un passo indietro dal banco del laboratorio. Nel 2020, all'età di 47 anni, le è stata diagnosticata la sclerosi laterale amiotrofica, nota anche come malattia di Lou Gehrig. In media, le persone vivono dai tre ai cinque anni dopo la diagnosi di SLA.

Ma questo non le ha impedito di pensare alle proteine ​​dell’orologio.

Li considera, con la testa inclinata, la luce che riflette i suoi occhiali, mentre siamo seduti nel suo soggiorno sulle colline vicino a Santa Cruz, in California. È mezzogiorno, circa sei ore da quando i fotoni del sole hanno messo in azione CLOCK e BMAL1 nelle sue cellule e in quelle di ogni essere umano sulla costa occidentale.

Con gli occhi della mente può vedere le proteine, ciascuna un nastro di amminoacidi ripiegato su se stesso. BMAL1 ha una specie di vita che CLOCK stringe come una ballerina. Ogni alba, la coppia si appollaia sulla massa densamente avvolta del genoma ed evoca gli enzimi che trascrivono il DNA. Nel corso della giornata, fanno sì che altre proteine ​​escano dal meccanismo della cellula, comprese alcune che alla fine eclissano la loro potenza. Tre proteine ​​trovano appigli su CLOCK e BMAL1 intorno alle 10, silenziandoli e strappandoli dal genoma. La marea della trascrizione del DNA cambia. Infine, nel cuore della notte, una quarta proteina si aggancia a un tag all'estremità di BMAL1 e impedisce qualsiasi ulteriore attivazione.

I secondi diventano minuti, i minuti ore. Il tempo passa. A poco a poco, il quartetto repressivo di proteine ​​decade. Nelle prime ore del mattino CLOCK e BMAL1 vengono nuovamente fatti per rinnovare il ciclo.

Ogni giorno della tua vita, questo sistema collega la biologia fondamentale del corpo al movimento del pianeta. Ogni giorno della tua vita, finché dura. Nessuno lo capisce più profondamente di Partch.

Chimica e orologi

L'estate prima della quinta elementare, quando Partch aveva 10 anni, suo padre, che era un falegname, si ruppe il polso giocando a calcio. Mentre aspettava che guarisse, studiò chimica al college della comunità locale. Le mostrò come bilanciare un'equazione chimica nel loro cortile fuori Seattle, su una lavagna appoggiata a un albero. Quella fu la sua introduzione alla chimica.

"Ricordo ancora di aver pensato a quanto la precisione matematica della chimica fosse eccezionale, molto diversa dalla biologia che ci veniva insegnata a scuola a quell'età", ha detto.

Quando ricorda gli anni del college presso l'Università di Washington, ammette con una risatina ironica che parte di ciò che salta fuori sono i ricordi di aver assistito ai concerti - andare fino a Olympia per gli spettacoli delle Sleater-Kinney, vedere i Mudhoney e i Nirvana - e il suo piacere per libri di autori come Ursula Le Guin. Ma rimase affascinata anche da un corso sulla chimica dei sistemi viventi. Dopo la laurea, andò a lavorare come tecnico presso la Oregon Health and Science University di Portland. Ogni giorno si innamorava sempre di più della ricerca. Nel 2000, lei e il suo ragazzo, James, musicista e grafico, si trasferirono all'Università della Carolina del Nord, a Chapel Hill, per poter iniziare il dottorato.

Poco dopo il suo arrivo, incontrò la persona che le avrebbe fatto conoscere l'orologio. Ha seguito un corso con il biologo molecolare Aziz Sancar, noto per il suo lavoro sulla riparazione del DNA. "Sono rimasta colpita dalla meravigliosa precisione con cui ci ha insegnato i concetti scientifici di base", ha detto. "Ero tipo, 'Amico, questo ragazzo è così intelligente.'" Sancar, chi lo farebbe vincere un premio Nobel nel 2015, stava studiando una classe di proteine ​​chiamate criptocromi, che comprende le proteine ​​​​orologio CRY1 e CRY2. Ogni organismo, dai cianobatteri alle sequoie, ha un orologio, ma le proteine ​​che guidano ciascun sistema sono diverse. Nei mammiferi, le proteine ​​più importanti oltre a CLOCK e BMAL1 sono forme di PER e CRY.

Come studente laureato nel laboratorio di Sancar, Partch scoprì che CRY1 aveva una coda misteriosa e non strutturata. Nessuno sapeva cosa facesse quella sezione della proteina, ma nessuno sapeva davvero come le bobine e i nastri delle proteine ​​​​orologio portassero ai loro notevoli effetti. E, con grande sorpresa di Partch, a nessuno sembrava importare molto. Giuseppe Takahashi e i suoi colleghi della Northwestern University avevano individuato i geni per CLOCK e BMAL1 con grande successo solo pochi anni prima; il presupposto inespresso tra molti scienziati era che il lavoro pesante fosse stato fatto.

Non è rimasto nemmeno inespresso. In una conferenza nel 2002, Partch ha condiviso con un paio di colleghi che voleva capire la struttura delle proteine. "Perché?" è stata la loro risposta: sappiamo già tutto. Partch, educatamente ma con enfasi, non era d'accordo.

Dopo la laurea, andò a lavorare presso il Southwestern Medical Center dell'Università del Texas come postdoc nel laboratorio di Kevin Gardner, biochimico e biologo strutturale ora presso l'Advanced Science Research Center presso il Graduate Center della City University di New York. Lì sperava di poter vedere le proteine ​​dell'orologio più chiaramente imparando a usare due tecniche complicate ma potenti.

Un poeta delle ombre

“La proteina circolare tocca la proteina quadrata equivale a magia”: così Gardner riassume la vaghezza della struttura molecolare che, nella sua esperienza, molti biologi si accontentano di accettare, poiché nessuno può concentrarsi su ogni aspetto di ogni sistema. Ma in Partch riconobbe uno spirito affine, qualcuno spinto a scomporre le proteine ​​e a comprenderle, e dotato di una memoria quasi enciclopedica per la letteratura sull'orologio circadiano.

Lavorando con lui, Partch imparò la cristallografia delle proteine: come mescolare soluzioni da cui cristallizzare una proteina purificata; come far brillare i raggi X attraverso quel reticolo cristallino; come dedurre la forma della proteina dalle sottili sfumature nello schema di diffrazione. Un cristallografo è come un poeta delle ombre: Rosalind Franklin, le cui immagini permisero a Watson e Crick di dedurre la struttura del DNA, era una cristallografa. Per Partch, le immagini grigie e nebbiose della cristallografia promettevano uno sguardo alle strutture che intendeva seguire per tutta la vita.

Eppure la cristallografia ha dei limiti. Può solo rivelare le forme delle proteine ​​sufficientemente stabili da cristallizzare e fornisce solo un'istantanea di quelle strutture congelate. Partch sapeva che le forme statiche che rappresentano le proteine ​​nei diagrammi dei libri di testo oscuravano la verità. Una proteina potrebbe piegare le sue gambe, torcersi come un cricchetto o srotolarsi e piegarsi in una strana nuova forma. Alcune proteine ​​sono anche altamente disordinate, con lunghi e flosci filamenti di amminoacidi che collegano le loro regioni più ordinate.

Ecco perché nel piano di Partch figurava anche la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, o NMR. Nella NMR, soluzioni altamente purificate di proteine ​​vengono collocate all'interno di un magnete e colpite con onde radio. Le risultanti perturbazioni magnetiche dei loro nuclei atomici, compilate e visualizzate dal software, possono rivelare la disposizione degli atomi di una proteina ad un occhio attento. Se le condizioni di misurazione sono sintonizzate correttamente, puoi dedurre come si muove una proteina mentre si lega a un partner, come sperimenta un cambiamento di temperatura o come si sposta da uno stato a un altro. Quando Partch osserva uno schizzo arcobaleno di dati NMR su un grafico XY, vede i rapidi movimenti dei gruppi che legano i metalli e il lento ripiegamento di una proteina.

Quando il suo dipartimento presso l'UT Southwestern Medical Center reclutò Takahashi, il genetista che aveva identificato i geni di CLOCK e BMAL1, "farai meglio a credere che mi sia insinuata io stessa", ha detto allegramente. Quando lasciò l'università, lei, Takahashi e i loro colleghi avevano prodotto un'immagine del complesso CLOCK-BMAL1 attraverso la cristallografia.

Nel 2011, quando Partch si trasferì con James e il loro giovane figlio per iniziare il suo laboratorio all'Università della California, Santa Cruz, stava iniziando da zero. Non aveva progetti del suo post-doc da continuare. Aveva solo la singolarità della sua visione per comprendere l'orologio e, infine, gli strumenti per realizzarlo.

Il meccanismo delle proteine

Fuori dalla finestra dell'ufficio UCSC di Partch, raggi di luce filtrano attraverso le fronde di sequoia. L'edificio di scienze fisiche è immerso in una foresta, dove fioriscono muffe melmose e gli alberi inclinano le foglie in obbedienza ai propri orologi circadiani. All'interno degli studenti e degli escursionisti che attraversano il pavimento muschioso della foresta, CLOCK, BMAL1 e le loro molecole compagne sono impegnate a produrre il cocktail pomeridiano di proteine ​​del corpo. È stato qui che Partch ha avuto la possibilità di osservare più in profondità la biomeccanica del tempo.

Fin dall'inizio, si stava dirigendo verso un territorio inesplorato. "Carrie è estremamente unica", ha detto Brian Zoltowski della Southern Methodist University, che era un postdoc nel laboratorio di Gardner con lei. Può contare da un lato sui laboratori che si concentrano sulla biologia strutturale fondamentale dell’orologio dei mammiferi. Le competenze richieste sono esoteriche e il rischio di spendere anni di sforzi per scarsi progressi è grande.

Tuttavia, Partch si addentrò nell'ignoto e iniziò a rispedire dispacci. Con il suo studente Chelsea Gustafson ed Haiyan Xu dell'Università di Memphis, ha scoperto che CRY1 silenzia BMAL1 legandosi in modo competitivo al suo coda dimenante e disordinata; se la coda viene mutata, l'orologio devia dal tempo o addirittura si disintegra completamente. Con il suo studente Alicia Michele, ha scoperto che CLOCK si annida contro CRY1 tramite threading un anello in una tasca su di essa; se una mutazione distrugge la tasca, i due non si legheranno. Una mutazione in PER2 lo rende meno adatto ai suoi partner leganti e lo rende vulnerabile al degrado; quel difetto fa avanzare l'orologio di un'ora e mezza. L'orientamento di un singolo legame nella coda di BMAL1 può abbreviare la giornata. I pezzi dell'orologio cominciavano ad emergere dall'oscurità.

Si è fatta un nome come collezionista di tutti i cambiamenti che possono accelerare l'orologio, rallentarlo o metterlo a tacere completamente. "Carrie sta cercando di approfondire il livello di comprensione di quali siano i movimenti delle singole proteine", ha detto Zoltowski. Più tempo Partch trascorreva con le proteine ​​dell'orologio metamorfosante, meglio poteva vederle nella sua mente e capire come avrebbero potuto rispondere a un farmaco o a una mutazione.

Le sue scoperte hanno dato alla cronobiologia una nuova visione di come funzionano le proteine ​​dell'orologio. "Ciò che Carrie ha scoperto più e più volte è che gran parte della biologia importante proviene dalle parti delle proteine ​​che non sono strutturate, altamente flessibili e dinamiche", ha affermato Andy Li Wang dell'Università della California, Merced, un biologo strutturale che studia l'orologio nei cianobatteri. "Quello che sta facendo con l'NMR è eroico."

Nel 2018, Partch aveva vinto premi e messo insieme un formidabile portafoglio di sovvenzioni. Sedeva nei consigli di amministrazione delle società accademiche. Aveva avuto un secondo figlio e aveva reclutato un gruppo di studenti e dottorandi ispirati dalla sua visione. Priya Crosby, una recente ricercatrice nel suo laboratorio, ricorda di aver incontrato Partch a una festa e di essersi sentita intimorita. La passione di Partch per la comprensione dell'orologio era palpabile e sembrava avere tutti i dati a portata di mano.

Fu in quel momento che le sue mani cominciarono a bloccarsi.

Una chiave inglese nelle opere

All'inizio erano piccole cose. "Le mie mani si congelavano per un secondo", ha detto. "Sai che non è giusto." I medici hanno suggerito che fosse stress. È stato solo nel giugno 2020, quando è tornata al suo laboratorio dopo mesi di blocco dovuto alla pandemia di Covid-19 e ha scoperto che le scale la sfinivano, che ha spinto per una risposta migliore. Quasi sei mesi dopo, ebbe una diagnosi: SLA, o sclerosi laterale amiotrofica.

La SLA uccide i motoneuroni e distrugge la capacità di controllare i movimenti. Le capacità motorie fini vengono prima di tutto, seguite dalla capacità di camminare e parlare. Alla fine, i neuroni che controllano il respiro scompaiono. Dopo una diagnosi, le persone tendono a vivere solo pochi anni.

Partch amava lavorare al banco del laboratorio. Tra i suoi studenti, era nota per aver condotto da sola esperimenti preliminari per vedere se un'idea aveva del potenziale. Era una vista familiare nel laboratorio, affaccendata con secchielli di ghiaccio tempestati di tubi di proteine.

"La mia ultima preparazione proteica è stata gennaio, circa due anni fa", ha ricordato. "Quello carta dentro Natura - avevamo la struttura iniziale. Stavamo cercando di fare delle mutazioni per vedere se tratteneva l'acqua. … Ho superato la metà dei mutanti, e ho pensato, 'Oh mio Dio.'” Il secchiello del ghiaccio sembrava piombo tra le sue braccia.

Partch ora utilizza una sedia a rotelle motorizzata. Sono stati installati dei pulsanti nell'edificio del laboratorio per consentirle di aprire le porte e James la accompagna al lavoro. Lavora ancora a tempo pieno: incontra gli studenti, invia e-mail, sogna nuovi esperimenti. Parlare è diventato più difficile, ma la sua mente non è influenzata. A volte le incognite sembrano emergere e il dolore minaccia di sopraffarla, ma lascia passare quei momenti. "Sto cercando di vivere", ha detto.

C'è ancora oggi. E oggi e oggi e oggi, finché il ciclo potrà ripetersi.

Verità universali del tempo

È una mattina nebbiosa di maggio, circa quattro ore dopo l'inizio della danza di CLOCK e BMAL1. Nell'ufficio di Partch, lei e DikshaSharma, uno studente laureato in laboratorio, stanno discutendo della loro passione per i segmenti proteici ripiegati chiamati domini PAS. "Siamo come due piselli in un baccello", dice Partch. Sharma sta testando se i domini PAS in CLOCK e BMAL1 possono essere presi di mira da una libreria di farmaci per il controllo dell'orologio. “Pensiamo che sia fattibile”, afferma Partch.

Nello spazio del laboratorio è al lavoro un gruppo di studenti e dottorandi. Raffaele Robles saluta e sorride da una panchina dove sta preparando le provette per un preparato proteico. Ci sono meno studenti universitari rispetto a prima, forse perché Partch non insegna più. Il suo studente laureato Megan Torgrimson, che ha frequentato il corso di Partch al college, ricorda il suo magnetismo come docente. Ma anche se a Partch piaceva avere intorno gli allievi più giovani, ritiene che avere più spazio in cui tutti possano lavorare non sia una brutta cosa. "Sono così entusiasta di ogni singolo progetto in laboratorio in questo momento", afferma.

Negli ultimi tre anni sono stati realizzati molti progetti a lungo termine. Su uno schermo del laboratorio, il postdoc Jon Philpot tira fuori una figura da quella del gruppo nuovo documento in Cellula molecolare, riguardante una mutazione nel gene PER2 associata al disturbo familiare della fase del sonno, una condizione che accorcia il ciclo quotidiano di ben quattro ore. Egli sottolinea nella figura come PER2 sia un insieme di regioni per lo più disordinate. “Si tratta di regioni estremamente importanti”, afferma. Fino a quando Partch non dimostrò il contrario, “la maggior parte delle persone pensava che il disordine fosse la parte non funzionale”.

Durante una riunione di laboratorio, gli scienziati più giovani conducono la discussione sui nuovi dati. Partch siede sulla sua sedia a rotelle e ascolta, intervenendo di tanto in tanto. "Il laboratorio è stato eccezionale nell'affrontare l'incertezza" della diagnosi, mi dice. Ora che non può più fare esperimenti da sola, concentra gran parte della sua energia nel guidarli nella giusta direzione.

Partch sta pensando sempre di più in questi giorni a ciò che è universale nella misurazione del tempo nella vita. Alcuni anni fa, LiWang l'ha invitata a lavorare con lui sull'orologio dei cianobatteri, che non ha parti in comune con l'orologio umano. È costituito da sole tre proteine ​​chiamate KaiA, KaiB e KaiC, la cui attività aumenta e diminuisce in un ritmo di 24 ore, e dai loro due partner leganti, che guidano la traduzione dei geni. Nel 2017 il team guidato da LiWang e Partch strutture dettagliate rilasciate di ciascuno dei complessi, rivelando le pieghe e le torsioni che permettono loro di attaccarsi l'uno all'altro. Successivamente, il gruppo ha dimostrato di poter mettere le proteine ​​dell'orologio in una provetta e farle funzionare per giorni, persino mesi.

Erano profondamente impegnati a registrare come veniva guidato quel ciclo quando Partch riconobbe qualcosa che aveva visto mentre studiava l'orologio umano: la competizione. Il piccolo tag in cui CRY1 si lega a BMAL1 è anche il punto in cui si lega uno degli attivatori più potenti di BMAL1. Se CRY1 supera quell'attivatore, prendendo il suo posto sul tag, l'orologio può solo andare avanti. È bloccato in questo processo, aspettando i minuti e le ore finché il legame della proteina CRY1 decade e il ciclo dell'orologio ricomincia.

Nell'orologio cianobatterico, capì Partch, la competizione tra i componenti funziona allo stesso modo. Compare anche negli orologi di organismi come vermi e funghi. "Questo sembra essere un principio conservato in orologi molto, molto diversi", ha detto. Si chiede se rifletta una verità biofisica fondamentale su come la natura crea macchine che avanzano nel tempo, seguendo un percorso dal quale non possono deviare.

I tempi per la vita su Marte

Un'alba in più. La luce del sole si irradia attraverso i freddi angoli dello spazio, fino alla Terra, negli occhi blu porcellana di Carrie Partch. CLOCK e BMAL1 iniziano la loro danza. Lei va a lavorare. Esce con i suoi ragazzi, che hanno 13 e 18 anni. Il più giovane, a cui piace andare nelle tane dei conigli di YouTube sulla chimica, insiste affinché guardino insieme un video meravigliosamente sciocco di un'ora su come isolare la vanillina dai guanti di gomma e modificarla in salsa piccante. Pensa ai nastri e alle bobine delle proteine ​​dell'orologio. Alcune persone di fronte alla sua diagnosi potrebbero decidere che è ora di fare qualcosa di diverso, ma Partch non ha mai pensato di voltare le spalle all'orologio. Vuole sapere la fine di troppe storie.

Quando immagina un futuro in cui comprendiamo davvero la biologia circadiana, immagina di sapere cosa sta facendo l'orologio di qualcuno in qualsiasi momento della giornata. In risposta a un invito a presentare proposte da parte della Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), lei e i suoi colleghi una volta hanno avuto l'idea di una sonda nasale in grado di valutare lo stato del tuo orologio, trasmettere dati su di esso e forse anche modificarlo. La DARPA è notoriamente favorevole a proposte estreme, ma Partch scherza dicendo che hanno superato la DARPA, dal momento che non hanno ottenuto i soldi. Pensa ancora al potenziale di quel dispositivo.

Di tutti i pianeti vorticosi del sistema solare, è questo, con il suo giorno di 24 ore, che ci ha plasmato. Per questo motivo, ci sono domande importanti su come gli esseri umani rimarranno in salute se mai provassero a vivere su altri pianeti. Come una giostra la cui rotazione sembra dolce finché non provi a scendere, i cicli terrestri radicati nelle nostre cellule possono attirarci pericolosamente. “Ci legano davvero alla Terra”, ha detto Partch.

Ma immagina di essere in grado di regolare le dinamiche di CLOCK, BMAL1 o di uno dei loro numerosi partner in modo che i viaggiatori spaziali non si ammalino a causa degli orologi danneggiati. La natura offre qualche ispirazione: una mutazione in CRY1 scoperta nel laboratorio di Michael Young presso la Rockefeller University estende il ciclo circadiano degli esseri umani di circa 40 minuti, condannando i suoi portatori a un ciclo del sonno perennemente non corrispondente sulla Terra. Partch osserva che fornirebbe il momento perfetto per vivere su Marte.

Partch scopre che la sua voce le sta venendo meno in questi giorni. È soddisfatta del clone della sua voce generato dall'intelligenza artificiale che ha ottenuto, ma ha ancora ridotto le apparizioni e i viaggi. La sua assenza dalle riunioni sull'orologio circadiano è evidente per colleghi, ammiratori e amici. La cronobiologia moderna si basa sui contributi scientifici dei vincitori del Premio Nobel e di altri famosi pionieri, ma anche sui dettagli strutturali che lei ha portato alla luce. "C'è un mondo molto più ricco lì", ha detto Gardner. "E Carrie Partch è quella che ce lo ha dato."

Nel soggiorno di Partch, mentre la nebbia si distende per dare il benvenuto alla sera, lei e io parliamo della scrittrice Ursula Le Guin, la cui narrativa era spesso preoccupata dal tempo. Nel suo romanzo Gli espropriati, Le Guin ha scritto sull'avere tempo dalla tua parte - sull'organizzare la tua vita in modo che il suo passaggio ti porti nella direzione che hai scelto. "La cosa di lavorare con il tempo, invece che contro di esso", ha scritto, “è che non è sprecato. Anche il dolore conta”.

"Hai tempo dalla tua parte?" Chiedo.

"Sì", dice Partch. "Penso di sì."