Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Optogenetik: Natriumpumpe als Lichtschalter

15.04.2015

Die Struktur der lichtgetriebenen Ionenpumpe KR2 liefert eine Blaupause für mögliche neue Werkzeuge der Optogenetik

Forschern aus Jülich, Frankfurt, Grenoble und Moskau ist es gelungen, die Struktur der lichtaktivierten bakteriellen Ionenpumpe KR2 zu entschlüsseln und sie anschließend mit einfachen Mitteln von einer Natrium- in eine Kaliumpumpe umzuwandeln. In Nervenzellen eingebaut könnte KR2 damit zu wertvollen neuen Werkzeugen für die Optogenetik führen. Lichtempfindliche Proteine werden von dieser noch jungen Forschungsdisziplin als molekulare Schalter genutzt, um die Aktivität von Neuronen und anderen elektrisch erregbaren Zellen durch gezielte Lichtimpulse zu steuern.


Der KR2-Komplex in der seitlichen Oberflächendarstellung. Jedes der fünf KR2-Moleküle in der Formation bindet und transportiert ein Natrium-Ion (lila).

© Forschungszentrum Jülich/IBS Grenoble

Manchmal ist der Weg vom Meeresbakterium zum Instrument der Hirnforschung nicht lang: So etwa im Falle der molekularen Ionenpumpe KR2, die 2013 in der Zellwand des Bakteriums Krokinobacter eikastus entdeckt wurde. KR2 gehört zu einer Klasse von lichtempfindlichen Proteinen, die zur Basis des Forschungsgebietes der Optogenetik geworden sind. Bei Belichtung lassen sie geladene Teilchen in die Zelle strömen oder transportieren sie nach außen.

Baut man diese Ionentransporter in die Membran von Nervenzellen ein, lässt sich deren Ladungszustand anschließend durch Lichtreize gezielt verändern, sodass ihre Aktivität präzise steuerbar wird. Besonders in den Neurowissenschaften hat sich das Verfahren in kürzester Zeit etabliert. Bislang stehen dafür allerdings nur wenige Proteine zur Verfügung, von denen jedes nur für bestimmte Ionen durchlässig ist.

Eine Pumpe wie KR2, die positiv geladene Natrium-Ionen aus der Zelle heraus transportiert, fehlt im Werkzeugkasten der Optogenetik bis jetzt. Allerdings waren bisher weder die genaue atomare Struktur noch der Mechanismus des Ionentransports bekannt. Um die Pumpe nutzbar zu machen und für gezielte Anwendungen anpassen zu können, wäre diese Kenntnis eine wichtige Voraussetzung. Dadurch weckte KR2 das Interesse von Strukturbiologen um Valentin Gordeliy, der Forschungsgruppen am Jülicher Institute of Complex Systems (ICS-6), am Institute de Biologie Structurale in Grenoble und am Moscow Institute of Physics and Technology leitet. Mit dem Verfahren der Röntgenkristallographie gewannen Gordeliy und sein Team hochaufgelöste Strukturbilder des Einzelproteins und des fünfteiligen Komplexes, zu dem sich KR2-Moleküle unter physiologischen Bedingungen von selbst zusammenfügen.

„Die Struktur weist Elemente auf, die man bisher von keiner anderen Ionenpumpe kennt“, sagt Ivan Gushchin, einer der Erstautoren der Studie. Dazu gehört zum Beispiel eine Art Deckel in Form einer kurzen Proteinhelix, die direkt über der äußeren Öffnung der Pumpe liegt. Besonders interessierte die Forscher jedoch eine ungewöhnlich geformte Struktur im Inneren des Kanals entlang des Weges, den das Natrium-Ion nehmen muss. „Wir vermuteten darin eine Art Filterelement, das vielleicht für die Natrium-Selektivität von KR2 verantwortlich sein könnte“, erklärt Gushchin.

Um diese Idee zu testen, veränderten Gordeliy und sein Team die Struktur an der fraglichen Stelle durch den gezielten Austausch einzelner Aminosäuren. Nicht nur verlor KR2 dabei tatsächlich seine Fähigkeit zum Natriumionen-Transport. Bei einer der Mutationen schien sich KR2 von einer Natrium- in eine Kalium-Pumpe umzuwandeln. In gemeinsamen Experimenten mit Ernst Bamberg am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt am Main, einem Experten für Membranproteine, der zu den Begründern der Optogenetik zählt, konnte dieses Ergebnis auf Grund elektrophysiologischer Untersuchungen am gereinigten Protein bestätigt werden.

Für die Optogenetik könnte dieses Resultat ganz besonders interessant werden, erklärt Ernst Bamberg: „Bei Neuronen ist der Transport von Kalium-Ionen aus der Zelle gewissermaßen der natürliche Mechanismus für die Deaktivierung. Aktivierte Neuronen werden in den Ruhezustand zurückversetzt, wenn Kalium-Ionen aus der Zelle strömen. Normalerweise geschieht das über passive Kanäle, durch die sich die Ionen von selbst entlang des Konzentrationsgefälles bewegen. Mit einer durch Licht aktivierbaren nach außen gerichteten Kalium-Pumpe ließe sich der Vorgang dagegen auf viel gezieltere Weise steuern.“

KR2 könnte damit zu einem effektiven Aus-Schalter für Nervenzellen werden. Zunächst müssten nun allerdings Wege gefunden werden, die Pumpe in verschiedene Zelltypen einzubauen. „Zusammen mit Channelrhodopsin 2, einem lichtgesteuerten Kationenkanal, der heute bereits weltweit in vielen Labors für die Aktivierung von Neuronen eingesetzt wird, würde die Kaliumpumpe dann ein ideales Paar bilden, um Nervenzellen präzise an- und abzuschalten“, so der Forscher.


Ansprechpartner

Prof. Dr. Ernst Bamberg
Max-Planck-Institut für Biophysik, Frankfurt am Main
Telefon: +49 69 6303-2000

Fax: +49 69 6303-2002

E-Mail: secretary-bamberg@biophys.mpg.de

 
Prof. Dr. Valentin Gordeliy
Institute of Complex Systems, Strukturbiochemie (ICS-6)

Forschungszentrum Jülich
Telefon: +49 2461 61-9509

E-Mail: g.valentin@fz-juelich.de


Originalpublikation


Ivan Gushchin, Vitaly Shevchenko, Vitaly Polovinkin, Kirill Kovalev, Alexey Alekseev, Ekaterina Round, Valentin Borshchevskiy, Taras Balandin, Alexander Popov, Thomas Gensch, Christoph Fahlke, Christian Bamann, Dieter Willbold, Georg Büldt, Ernst Bamberg & Valentin Gordeliy:

Crystal structure of a light-driven sodium pump.

Nature Structural & Molecular Biology, 6 April 2015 (doi:10.1038/nsmb.3002)

Prof. Dr. Ernst Bamberg | Max-Planck-Institut für Biophysik, Frankfurt am Main

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Superkondensatoren aus Holzbestandteilen
24.05.2018 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Was einen guten Katalysator ausmacht
24.05.2018 | Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg

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: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Im Focus: Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge

Faserlaser sind ein effizientes und robustes Werkzeug zum Schweißen und Schneiden von Metallen beispielsweise in der Automobilindustrie. Systeme bei denen die Wellenlänge des Laserlichts flexibel einstellbar ist, sind für spektroskopische Anwendungen und die Medizintechnik interessant. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben, im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „FlexTune“, ein neues Abstimmkonzept realisiert, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeitlich synchron erzeugt.

Faserlaser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern eine höhere Strahlqualität und Energieeffizienz. Integriert in einen vollständig faserbasierten...

Im Focus: LZH zeigt Lasermaterialbearbeitung von morgen auf der LASYS 2018

Auf der LASYS 2018 zeigt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) vom 5. bis zum 7. Juni Prozesse für die Lasermaterialbearbeitung von morgen in Halle 4 an Stand 4E75. Mit gesprengten Bombenhüllen präsentiert das LZH in Stuttgart zudem erste Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt zur zivilen Sicherheit.

Auf der diesjährigen LASYS stellt das LZH lichtbasierte Prozesse wie Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren sowie die additive Fertigung für Metalle,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Was einen guten Katalysator ausmacht

24.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Superkondensatoren aus Holzbestandteilen

24.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Neue Schaltschrank-Plattform für die Energiewelt

24.05.2018 | Messenachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics