Mechanismen der Optogenetik unter der Lupe

BERLIN. Zelluläre Prozesse mithilfe von Licht gezielt an- und ausschalten - dies ermöglicht die Optogenetik. Der Frage, welche molekularen Mechanismen dieser Methode zugrunde liegen, sind Forscher der Charité - Universitätsmedizin Berlin nachgegangen.

Sie konnten jetzt zeigen, dass die Bewegung einzelner Protonen eine wichtige Rolle spielt, meldet die Charité (Nature Chemistry 2015, online 13. April).

Die Optogenetik vereint optische Techniken und Genetik. Sie beschäftigt sich mit der Kontrolle von genetisch modifizierten Zellen durch Licht. Als optogenetische Werkzeuge dienen dabei lichtempfindliche Proteine aus Bakterien und Algen, erinnert die Charité in ihrer Mitteilung.

Diese sogenannten Kanalrhodopsine sitzen in der Zellmembran der Einzeller und verändern bei Licht die Durchlässigkeit der Membran für Ionen.

Werden die Kanalrhodopsine mithilfe der Gentechnik zum Beispiel in Neuronen eingebracht, fungieren sie sozusagen als genetisch kodierte Schalter und erlauben es, die Neuronen gezielt durch Licht zu steuern.

Die Forscher haben den Photorezeptor Phytochrom untersucht. Dieses Protein, das in Bakterien, Algen, Pilzen und Pflanzen vorkommt, besteht aus einem lichtempfindlichen Modul zur Signalaufnahme, einem weiteren zur Signalweiterleitung und einem dritten zur Signalabgabe.

Phytochrome werden durch rotes bis dunkelrotes Licht angeregt und steuern ein breites Spektrum von Antworten auf Lichtreize. In Pflanzen werden so beispielsweise Prozesse wie das Ergrünen von Pflanzenteilen reguliert.

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1078 entschlüsselten die Forscher mit spektroskopischen, biochemischen und proteinstrukturellen Methoden, auf welchem molekularen Mechanismus die Weiterleitung des Signals vom photosensorischen zum Signalabgabemodul basiert.

Sie hätten zeigen können, dass die strukturelle Umwandlung des lichtempfindlichen Farbstoffes Protonentransferprozesse auslöst. Diese seien direkt an Strukturänderungen im Signalabgabemodul des Proteins gekoppelt.

So lasse sich der Rezeptor mittels Licht zwischen einem signalgebenden und einem inaktiven Zustand hin und her schalten. Die genaue Kenntnis der zugrundeliegenden Mechanismen und das Verständnis, welche Rolle einzelne Aminosäuren dabei spielen, bildeten die Basis für eine maßgeschneiderte Anwendung von Photorezeptoren in der Zellbiologie, heißt es in der Mitteilung.

Besonders durch spezifische Mutationen könnten die Eigenschaften eines Rezeptors und damit die lichtinduzierte Kontrolle von zellulären Prozessen nun gezielt beeinflusst werden. Das ermögliche Forschern Einblicke in zelluläre Prozesse und Medizinern Ansätze für neue Anwendungen. (eb)