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Optogenetisches Werkzeug entschlüsselt: RUB-Forscher erklären Kanalrhodopsin

27.02.2012
Die Öffnung des Ionenkanals mit Licht

Nervenzellen mit Hilfe von Licht kontrollieren: das ermöglicht die Optogenetik. Sie erlaubt mit bisher unerreichter räumlicher und zeitlicher Präzision beispielsweise neurobiologische Prozesse zu untersuchen. Das Schlüsselwerkzeug der Optogenetik ist das lichtaktivierbare Kanalrhodopsin. Biophysiker aus Bochum und Berlin haben in einem interdisziplinären Ansatz jetzt den Schaltmechanismus aufklären können. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher im „Journal of Biological Chemistry“.


Das Bochumer Homologiemodell sagte die Struktur eines Kanalrhodopsins so gut vorher, dass sogar Aussagen zur Funktion getroffen werden konnten (die Abbildung zeigt die Vorhersage)

Umverteilung von Wassermolekülen

Bisher war wenig über die Funktionsweise des Proteins bekannt – insbesondere darüber, wie sich der Kanal öffnet. Ein tieferes Verständnis ist jedoch Voraussetzung, um das lichtgesteuerte Protein für neurobiologische Anwendungen gezielt einsetzen zu können. In einem neuen, fachübergreifenden Ansatz haben die Bochumer Wissenschaftler um Prof. Dr. Klaus Gerwert (Lehrstuhl für Biophysik an der RUB) und ihre Berliner Kooperationspartner den Schaltmechanismus herausgearbeitet. Das Ergebnis: Die durch Licht induzierte Veränderung der Aminosäure Glutamat 90 (E90) löst ein verstärktes Eindringen von Wassermolekülen aus, so dass das Protein nun gezielt Ionen durch die Zellmembran leiten kann.

Drei Methoden kombiniert

Die RUB-Biophysiker Jens Kuhne und Dr. Erik Freier konnten mittels zeitaufgelöster Infrarot-Spektroskopie erstmals zeigen, dass der Kanal durch die Deprotonierung der Aminosäure Glutamat 90 (E90) geöffnet wird. Ergänzend bestätigen elektrophysiologische Experimente der Berliner Forscher, dass eine Mutation der Aminosäure zu einer veränderten Ionendurchlässigkeit des Proteins führt. Anstelle von Schutzbrille und Laborkittel nutzten die beiden Biophysiker Kirstin Eisenhauer und Dr. Steffen Wolf am Biophysik-Lehrstuhl Hochleistungsrechner, um zu simulieren wie der Protonierungswechsel des Glutamats den Kanal öffnet und Wassermoleküle eindringen lässt.

International die Nase vorn gehabt

Die Arbeit bekommt gerade jetzt eine besondere Bedeutung, weil japanische Forscher kurz nach der Bochumer Vorab-Veröffentlichung im Internet die dreidimensionale Struktur eines Kanalrhodopsins in „Nature“ ebenfalls online veröffentlichten. „Die Strukturarbeit bestätigt eindrucksvoll unsere biomolekularen Simulationen und die Schlüsselrolle der Aminosäure E90 für das Schalten des Kanals“, sagt Prof. Klaus Gerwert. „Wir sind daher besonders stolz darauf, in diesem international sehr kompetitiven Feld die Nase vorn gehabt zu haben.“ Die Optogenetik wurde 2010 in „Nature Methods“ als „Method of the year“ ausgezeichnet. Forschern ist es mit dieser Methode z. B. gelungen, bei blinden Mäusen die Sehkraft wiederherzustellen.

Titelaufnahme

K. Eisenhauer, J. Kuhne, E. Ritter, A. Berndt, S. Wolf, E. Freier, F. Bartl, P. Hegemann, K. Gerwert,: In channelrhodopsin-2 E90 is crucial for ion selectivity and is deprotonated during the photocycle, The Journal of Biological Chemistry, Vol. 287, Issue 9, 6904-6911, 2012, DOI: 10.1074/jbc.M111.327700

Weitere Informationen

Prof. Dr. Klaus Gerwert, Lehrstuhl für Biophysik, Fakultät für Biologie und Biotechnologie der Ruhr-Universität Bochum, Tel. 0234/32-24461, gerwert@bph.rub.de

Redaktion: Jens Wylkop

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/

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