Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Optogenetik macht unfruchtbare Mäuse wieder fruchtbar

20.01.2015

Forscher steuern Schwimmverhalten von Spermien mit lichtempfindlichem Enzym

Wissenschaftlern des Bonner Forschungszentrums caesar, einem Institut der Max-Planck-Gesellschaft, ist es erstmals gelungen, die Funktion von Spermien optogenetisch zu steuern. Sie schleusten ein licht-aktivierbares Enzym zur cAMP-Synthese in Mäusespermien ein, denen das körpereigene Enzym zur cAMP-Synthese fehlt.


Kontrolle des Flagellenschlags eines Spermiums mit Licht: Dem linken Spermium fehlt das körpereigene Enzym zur cAMP-Synthese. Es ist deshalb unbeweglich. Schleust man in ein solches Spermium eine licht-aktivierbare Adenylatzyklase ein und belichtet es mit blauem Licht, schlägt der Schwanz wieder (rechts; Skala: 30 Mikrometer).

© caesar

Die Spermien dieser Mäuse sind normalerweise unbeweglich und die Mäuse unfruchtbar. Nach Stimulation mit blauem Licht produzieren die Spermien cAMP, beginnen wieder zu schwimmen und können sogar Eizellen befruchten. Mit der Optogenetik können Wissenschaftler also nicht nur den Einstrom von Ionen in Nervenzellen und damit deren Aktivität kontrollieren, sondern auch Signalwege in anderen Zelltypen.

Es ist ein lang gehegter Traum von Wissenschaftlern, Zellen mit Licht zu steuern. Licht kann schnell an- und abgeschaltet werden und stört nicht die natürlichen Abläufe in einer Zelle. Die größte Hürde diesen Traum zu realisieren bestand darin, Zellen gezielt mit „Lichtschaltern“ auszustatten.

2002 wiesen drei deutsche Wissenschaftler – Peter Hegemann, Ernst Bamberg und Georg Nagel – nach, dass die lichtempfindlichen Membranproteine einer einzelligen Grünalge Ionenkanäle sind und nannten sie Channelrhodopsine. Channelrhodopsine lassen sich gentechnisch in Zellen einschleusen und ermöglichen, Zellen mit Licht zu steuern. Diese Entdeckung begründete ein neues Forschungsfeld, die Optogenetik.

Bisher wurde die Optogenetik vorwiegend eingesetzt, um die elektrische Aktivität von Nervenzellen mit Channelrhodopsin durch Licht zu kontrollieren. Inzwischen wurde die optogenetische „Werkzeugkiste“ erweitert, so dass es nun auch gelingt, Botenstoff-vermittelte Signalwege in Zellen an- und abzuschalten. Ein wichtiger Zell-Botenstoff ist das zyklische AMP (cAMP), das so unterschiedliche Funktionen wie den Herzschlag, den Geruchssinn, die Lern- und Gedächtnisbildung, aber auch die Befruchtung einer Eizelle steuert. Enzyme, die sogenannten Adenylatzyklasen, synthetisieren diesen Botenstoff.

Im Jahre 2002 wurde die erste licht-aktivierbare Adenylatzyklase (PAC, photo-activated adenylate cylase) entdeckt. Seitdem sind Forscher auf weitere solche Enzyme gestoßen. Eines der neueren, prominenten Beispiele ist bPAC, eine licht-aktivierbare Adenylatzyklase aus Bodenbakterien, die von Peter Hegemann an der Humboldt-Universität in Berlin identifiziert wurde.

Wissenschaftler des Bonner Forschungszentrums caesar um Benjamin Kaupp und Dagmar Wachten stellten in Zusammenarbeit mit Peter Hegemann eine gentechnisch veränderte Maus her, deren Spermien die licht-aktivierbare Adenylatzyklase bPAC besitzen. Die Befruchtung der Eizelle ist eng mit der cAMP-Synthese verknüpft. Spermien, denen das Adenylatzyklase-Enzym fehlt, können nicht schwimmen: Die Mäuse sind unfruchtbar. Stimuliert man nun bPAC-Spermien mit blauem Licht, steigt die cAMP-Konzentration an und die Spermien schwimmen schneller, weil der Spermienschwanz schneller schlägt.

Das Ziel der Forscher war, nicht nur die Schwimmbewegung mit Licht zu steuern; sie wollten auch die Befruchtung durch Licht regulieren. Die Wissenschaftler schleusten daher bPAC in Spermien einer Mausmutante ein, der das körpereigene Enzym zur cAMP-Herstellung fehlt. Spermien dieser Mäuse sind unbeweglich und die Mäuse unfruchtbar. Nach Stimulation mit blauem Licht begannen die Spermien wieder zu schwimmen und konnten sogar Eizellen befruchten. Es ist also gelungen, etwas so Grundlegendes wie die Ei-Befruchtung mit Licht zu steuern. Die Optogenetik hat damit ein weiteres Feld außerhalb der Neurowissenschaften erobert.


Ansprechpartner

Prof. Dr. Ulrich Benjamin Kaupp
Assoziierte Einrichtung - Forschungszentrum caesar (center of advanced european studies and research), Bonn
Telefon: +49 228 9656-100
Fax: +49 228 9656-111
E-Mail: u.b.kaupp@caesar.de
 
Stefan Hartmann
Assoziierte Einrichtung - Forschungszentrum caesar (center of advanced european studies and research), Bonn
Telefon: +49 228 9656-292
Fax: +49 228 9656-9292
E-Mail: stefan.hartmann@caesar.de


Originalpublikation
Vera Jansen, Luis Alvarez, Melanie Balbach, Timo Strünker, Peter Hegemann, U. Benjamin Kaupp, and Dagmar Wachten

Controlling fertilization and cAMP signaling in sperm by optogenetics

eLife, 20. Januar 2015

Quelle

Prof. Dr. Ulrich Benjamin Kaupp | Max-Planck-Gesellschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher sehen Biomolekülen bei der Arbeit zu
05.12.2016 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

nachricht Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen
05.12.2016 | Goethe-Universität Frankfurt am Main

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: 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....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

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

Flüssiger Wasserstoff im freien Fall

05.12.2016 | Maschinenbau

Forscher sehen Biomolekülen bei der Arbeit zu

05.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungsnachrichten