Lichtschalter für Zellen

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

Sie konnten jetzt zeigen, dass die Bewegung einzelner elektrisch geladener Teilchen, der Protonen, eine wichtige Rolle spielt. Die Ergebnisse der Studie sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Chemistry* veröffentlicht.

Die Optogenetik vereint optische Technologien und Genetik miteinander. Sie beschäftigt sich mit der Kontrolle von genetisch modifizierten Zellen durch Licht. Als optogenetische Werkzeuge dienen dabei lichtempfindliche Proteine aus Bakterien und Algen.

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 beispielsweise in Nervenzellen eingebracht, fungieren sie sozusagen als genetisch kodierte Schalter und erlauben es, die Neuronen gezielt durch Licht zu steuern.

Die Wissenschaftler der beiden Arbeitsgruppen von Prof. Franz Bartl und Dr. Patrick Scheerer vom Institut für Medizinische Physik und Biophysik der Charité haben gemeinsam mit Kollegen um Prof. Peter Hildebrandt der TU Berlin 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 konnten zeigen, dass die strukturelle Umwandlung des lichtempfindlichen Farbstoffes Protonentransferprozesse auslöst.

Diese sind direkt an Strukturänderungen im Signalabgabemodul des Proteins gekoppelt. So lässt 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, bilden die Basis für eine maßgeschneiderte Anwendung von Photorezeptoren in der Zellbiologie“, sagt Prof. Franz Bartl über die Ergebnisse der Studie.

„Insbesondere durch spezifische Mutationen können wir die Eigenschaften eines Rezeptors und damit die lichtinduzierte Kontrolle von zellulären Prozessen nun gezielt beeinflussen. Das ermöglicht Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern präzise Einblicke in zelluläre Prozesse und Medizinern Ansätze für neue Anwendungen“, fügt er hinzu.

*A protonation-coupled feedback mechanism controls the signalling process in bathy phytochromes. Francisco Velazquez Escobar, Patrick Piwowarski2, Johannes Salewski, NorbertMichael, Maria Fernandez Lopez1, Anna Rupp, Bilal Muhammad Qureshi, Patrick Scheerer, Franz Bartl, Nicole Frankenberg-Dinkel, Friedrich Siebert1, Maria Andrea Mroginski and Peter Hildebrandt. Nature Chemistry. April 2015. doi:10.1038/nchem.2225.

Prof. Dr. Franz Bartl
Institut für Medizinische Physik und Biophysik
AG Spektroskopie von Fotorezeptoren
Charité – Universitätsmedizin Berlin
t: +49 30 450 524 196

Dr. Patrick Scheerer
Institut für Medizinische Physik und Biophysik
AG Proteinstrukturanalyse und Signaltransduktion
Charité – Universitätsmedizin Berlin
t: +49 30 450 524 178

http://www.charite.de
http://biophysik.charite.de/forschung
http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.2225.html