Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mit weniger Licht Hirnzellen schalten

28.03.2014

Vernetzte Nervenzellen bilden die Steuerzentrale von Organismen. Beim Fadenwurm reichen schon 300 Nervenzellen, um komplexes Verhalten hervorzurufen.

Um die Eigenschaften der Netze zu verstehen, schalten Forscher etwa mit Licht Zellen gezielt an oder aus und beobachten das resultierende Verhalten des Organismus.


Nervenzellen bilden Netzwerke, die Signale verarbeiten können. Bild: J. Wietek/HU Berlin

Im Magazin Science stellen Forscher nun ein Protein vor, das Nervenzellen noch leichter durch Licht steuerbar macht. Es könnte als Grundlage für Forschung dienen, die Ursachen von Krankheiten des Nervensystems aufklärt. DOI: 10.1126/science.1249375

Um eine Nervenzelle mit Licht zu schalten, nutzt man bestimmte Proteine, die Ionenkanäle in der Zellmembran bilden, die Kanalrhodopsine. Trifft Licht auf die Kanäle, öffnen sie sich, Ionen treten ein und die Zelle wird dann gezielt aktiv oder inaktiv.

Damit hat man ein sehr feines Werkzeug, um gezielt Funktionen im Netzwerk von Nervenzellen zu untersuchen. Bislang waren jedoch große Lichtmengen notwendig, sodass nur eng begrenzte Gebiete im Netzwerk auf einmal geschaltet werden konnten. Das nun vorgestellte Kanalrhodopsin ChloC reagiert etwa 10.000-mal empfindlicher auf Licht als bisherige Proteine mit denen Nervenzellen ausgeschaltet werden können.

„Für den Umbau des Proteins haben wir dessen Struktur am Computer analysiert“, erklärt Marcus Elstner vom KIT. Der theoretische Chemiker und sein Team haben die Proteine, die aus rund 5000 Atomen bestehen, modelliert und nutzten dazu die Hochleistungscomputer am KIT-Rechenzentrum, dem Steinbuch Center for Computing SSC.

Mitsamt der Proteinumgebung, also Zellmembran und Zellwasser, waren rund 100 000 Atome für die Berechnungen zu berücksichtigen, die mehrere Wochen Rechenzeit beanspruchten. „Es zeigt sich, dass die Ionenleitfähigkeit des Kanals entscheidend auf drei Aminosäuren in der zentralen Region aufbaut, also auf nur rund 50 Atome im Kanal.“ Durch den Austausch der Aminosäuren ist es nun gelungen, die Empfindlichkeit des Ionenkanals zu steigern.

Licht-aktivierte Ionenkanäle, die sogenannten Kanalrhodopsine (Channelrhodopsins) aus Mikroalgen werden seit dem Jahre 2005 genutzt. In neuronalen Schnitten oder in lebenden, transgenen Modellorganismen wie Fliegen, Zebrafisch oder Mäusen erlauben sie es gezielt definierte ausgewählte Zellen mit Licht zu aktivieren, um ihre Rolle im Zellverbund funktionell zu verstehen.

Diese Technologie ist heute als Optogenetik bekannt und bereits sehr weit verbreitet. Sie hat es in den letzten Jahren möglich gemacht, die Biologie der Signalverarbeitung besser zu verstehen. Dazu wurden bislang unzugängliche neuronale Bahnen kartiert und viele Zusammenhänge zwischen Proteinen, Zellen, Geweben und Arbeitsweise des Nervensystems entdeckt.

In der aktuellen Studie im Science-Magazin haben Forscher aus Karlsruhe, Hamburg und Berlin gemeinsam die Ionenkanäle weiterentwickelt. Jonas Wietek und Nona Adeishvili aus der Gruppe von Peter Hegemann an der Humboldt-Universität zu Berlin ist es gelungen, den Selektivitätsfilter der Kanalrhodopsine zu identifizieren und diesen so zu modifizieren, dass selektiv negativ geladene Chloridionen geleitet werden.

Diese Chlorid-leitenden Kanäle haben die Wissenschaftler ChloC genannt. Hiroshi Watanabe aus der Gruppe um Markus Elstner vom Karlsruher Institut für Technologie KIT hat begleitend die Ionenverteilung im Protein berechnet und die erhöhte Chloridverteilung visualisiert. Simon Wiegert aus der Gruppe um Thomas Oertner vom Zentrum für Molekulare Neurobiologie in Hamburg konnte anschließend an neuronalen Schnitten zeigen, dass ChloC in ausgewählte Neuronen eingebracht werden können, um diese mit sehr geringen Lichtintensitäten zu inaktivieren, so wie das im lebenden Organismus erfolgt.

Mit ChloC steht jetzt ein neues optogenetisches Werkzeug bereit, das in den Neurowissenschaften genutzt werden kann, um zusammen mit den bisher bekannten lichtaktivierten Kationenkanälen, die vornehmlich Natriumionen und Protonen leiten, die Verschaltung neuronaler Netzwerke zu studieren. Dieses Grundlagenwissen könnte helfen, um die Mechanismen von Krankheiten wie Epilepsie und Parkinson besser zu verstehen. Darauf könnten in einigen Jahren Konzepte für Therapien aufbauen, die zielgenauer sind als breit gestreute Medikamente.

Conversion of Channelrhodopsin into a Light-Gated Chloride Channel, J. Wietek et. al, DOI: 10.1126/science.1249375

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist eine Körperschaft des öffentlichen Rechts nach den Gesetzen des Landes Baden-Württemberg. Es nimmt sowohl die Mission einer Universität als auch die Mission eines nationalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft wahr. Thematische Schwerpunkte der Forschung sind Energie, natürliche und ge-baute Umwelt sowie Gesellschaft und Technik, von fundamentalen Fragen bis zur Anwendung. Mit rund 9000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, darunter knapp 6000 in Wissenschaft und Lehre, sowie 24 000 Studierenden ist das KIT eine der größten Forschungs- und Lehreinrichtungen Europas. Das KIT verfolgt seine Aufgaben im Wissensdreieck Forschung – Lehre – Innovation.

Monika Landgraf | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.kit.edu

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Diabetesforschung: Neuer Mechanismus zur Regulation des Insulin-Stoffwechsels gefunden
06.12.2016 | Universität Osnabrück

nachricht Was nach der Befruchtung im Zellkern passiert
06.12.2016 | Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Innovationen für eine nachhaltige Forstwirtschaft

06.12.2016 | Agrar- Forstwissenschaften

Diabetesforschung: Neuer Mechanismus zur Regulation des Insulin-Stoffwechsels gefunden

06.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Was nach der Befruchtung im Zellkern passiert

06.12.2016 | Biowissenschaften Chemie