W najnowszym numerze tygodnika PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences) ukazała się praca prezentująca wyniki interdyscyplinarnych badań nad mechanizmami widzenia ludzkiego oka, uzyskane w międzynarodowej współpracy m.in. polskich badaczy (grupy profesorów Macieja Wojtkowskiego z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika i Krzysztofa Palczewskiego z Case Western Reserve University).

Autorzy pracy podjęli próbę wyjaśnienia zaobserwowanego w laboratorium prof. Wojtkowskiego fenomenu powstawania wizualnego wrażenia widzialnej wiązki w oku ludzkim w trakcie skanowania siatkówki podczerwoną wiązką laserową o krótkich impulsach z zakresu 900-1150 nm. Kolor postrzegany przez osobę, której siatkówka jest skanowana, odpowiada z grubsza połowie długości fali wprowadzanej wiązki. Wyniki badań zawartych w pracy prowadzą do konkluzji, że przyczyną tego zjawiska jest dwufotonowa absorpcja podczerwonych fotonów zachodząca w fotoreceptorach oka. Pod jej wpływem w białkach tych fotoreceptorów zachodzą te same zmiany ich architektury (konformacyjne, a więc nie wiążące się zmianami wiązań chemicznych), co w przypadku, gdy absorbowany byłby jeden foton o dwa razy krótszej długości fali, tak więc nasze oko i mózg reaguje tak, jakby siatkówka była eksponowana na wiązkę widzialną.

Praca jest kompilacją wyników uzyskanych w czterech różnych grupach badawczych rozlokowanych na całym świecie: Katarzyna Komar i Patryk Stremplewski z grupy prof. Wojtkowskiego z UMK scharakteryzowali opisywane w publikacji zjawisko, dostarczając wyników badań psychofizycznych przeprowadzonych na zdrowych ochotnikach. Zespół prof. Vladimira Kefalowa z Washington University w Saint Louis zmierzył pobudzenie elektryczne wyekstrahowanych siatkówek myszy in vitro wywołane impulsową podczerwoną wiązką laserową. Laboratorium prof. Krzysztofa Palczewskiego z Case Western University w Ohio dostarczyło informacji na poziomie molekularnym – o zmianach konformacyjnych zachodzących w rodopsynie (białku umiejscowionym m.in. w komórkach siatkówki oka) pod wpływem jej ekspozycji na podczerwone światło laserowe. Z kolei zespół prof. Michele Cascelli z University of Oslo przeprowadził symulacje przekroju czynnego rodopsyny na dwufotonową absorpcję w oparciu o metody dynamiki molekularnej.

Współpraca profesorów Wojtkowskiego i Palczewskiego, która zaczęła się tak ciekawą wspólną publikacją, dopiero się rozwija. Grupa prof. Wojtkowskiego zajmuje się obrazowaniem biomedycznym, w szczególności w zastosowaniu do ludzkiego oka in vivo. Najbardziej znane są pionierskie prace tej grupy poświęcone fourierowskiej tomografii OCT do badania struktury siatkówki, a także wdrożenie do powszechnego użycia w gabinetach okulistycznych tomografu do badania siatkówki oka, pozwalającego na nieinwazyjne i bezkontaktowe badania wnętrza oka.

Zespół prof. Palczewskiego z kolei zajmuje się badaniem biochemicznych procesów zaangażowanych w proces widzenia oraz poszukiwaniem nowych leków na choroby siatkówki wywołane zaburzeniami tych procesów. Komplementarność obszarów badawczych obu grup pozwala na planowanie wielu ciekawych i nowatorskich wspólnych badań w przyszłości. Obecnie wspólne prace koncentrują się na zobrazowaniu ludzkiego oka in vivo w oparciu o dwufotonową fluorescencję. Profesorowie Wojtkowski i Palczewski poznali się na gali wręczenia Nagród FNP, której obaj byli laureatami w 2012 roku.

Praca Human infrared vision is triggered by two-photon chromophore isomerization opublikowana w PNAS