Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wissenschaftler der Freien Universität entschlüsseln Mechanismus eines optogenetischen Werkzeugs

24.04.2013
Wissenschaftler der Freien Universität Berlin, des Max-Planck-Instituts für Biophysik in Frankfurt am Main und der Universität Bielefeld haben die Funktionsweise des für die Steuerung von Zellen in Organismen verantwortlichen Proteins Kanalrhodopsin entschlüsselt.

Mithilfe der zeitaufgelösten Infrarotspektroskopie gelang ihnen ein einzigartiger Einblick in dessen Mechanismus. Die Wissenschaftler um den Biophysiker Prof. Dr. Joachim Heberle von der Freien Universität konnten dabei sogenannte Protonierungsreaktionen und Strukturveränderungen zeitlich und örtlich hochaufgelöst verfolgen.

Die Ergebnisse wurden in der jüngsten Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Science USA veröffentlicht. Die Erkenntnisse helfen nicht nur beim Verständnis des Funktionsmechanismus des Proteins Kanalrhodopsin. Vielmehr ermöglichen sie die gezielte Herstellung von Proteinvarianten mit verbesserten Eigenschaften, die in Zukunft auch in der Hirnforschung bei der Behandlung von Parkinson-Symptomen zur Anwendung kommen können.

Es war immer ein Traum von Wissenschaftlern, biologische Zellen oder sogar lebende Tiere mit der Hilfe von Licht steuern zu können. Durch ein Membranprotein, das dem Sehfarbstoff in unserem Auge ähnlich ist, wurde dieser Traum wahr: Das von den Wissenschaftlern analysierte Kanalrhodopsin erlaubt es, Nervenimpulse durch Licht auszulösen, und das in lebenden Organismen. Der molekulare Mechanismus dieses faszinierenden Proteins war trotz vielfacher Anwendungen war nicht geklärt gewesen.

Die Optogenetik ist ein neues Forschungsfeld, in dem lichtempfindliche Proteine eingesetzt werden, um Prozesse in einer biologischen Zelle zu kontrollieren. Das Kanalrhodopsin (engl. channelrhodopsin), das vor zehn Jahren von Prof. Dr. Peter Hegemann (Humboldt-Universität Berlin), Prof. Dr. Ernst Bamberg (Max-Planck-Institut für Biophysik, Frankfurt) und Prof. Dr. Georg Nagel (Universität Würzburg) entdeckt wurde, begründete dieses Gebiet. Das Kanalrhodopsin ist ein Protein, das in der Biomembran sitzt und nach Lichtanregung einen Kanal öffnet, um positiv geladene Teilchen (Kationen) durchzuschleusen. In einer biologischen Zelle wird dadurch ein Nervenimpuls ausgelöst. Anstatt wie früher üblich, mit Metallelektroden Nervenzellen zu erregen, ist es mit dem Kanalrhodopsin nun möglich, dies mit Licht zu bewerkstelligen, und zwar nicht-invasiv.

Diese Methode hat den unschätzbaren Vorteil, dass man die Nerven optisch und damit ferngesteuert erregen kann. Außerdem können mit genetischen Methoden nur bestimmte Zelltypen mit dem Protein Kanalrhodopsin versehen werden, sodass auch nur ganz bestimmte Zelltypen erregt werden. Insgesamt steht somit eine Methode zur Verfügung, die es erlaubt Zellen innerhalb eines komplexen Zellverbands sehr spezifisch mit der Hilfe von Licht zu adressieren, also durch Methoden der Optogenetik.

Da unser Gehirn auf der Basis von elektrischen Signalen und chemischen Botenstoffen funktioniert, kann mit diesem Werkzeug zum Verständnis der Gehirnfunktion auf molekularer Ebene beigetragen werden. Die Beantwortung von so grundsätzlichen Fragen, wie: Wie funktioniert unser Gedächtnis? oder: Wie kommt das Bewusstsein zustande? können damit zielgerichtet angegangen werden. Aufgrund der Bedeutung und der rasanten Entwicklung in der biomedizinischen Anwendung wurde die Optogenetik vom angesehenen Wissenschaftsmagazin „Nature Methods“ zur Methode des Jahres 2010 gewählt.

Den Forschern um Professor Joachim Heberle gelang es, wesentliche Teile des Mechanismus des Kanalrhodopsins auf atomare Ebene aufzuklären. Sie setzten dafür die zeitaufgelöste Infrarot-Spektroskopie ein, um die Strukturänderungen dieser molekularen Maschine zu verfolgen. Das Resultat: Die Anregung mit blauem Licht löst Strukturänderungen in dem Protein aus, die zu einer zeitlich exakten Abfolge von Protonenverschiebungen innerhalb des Proteins führt. Diese Ladungsverschiebungen dirigieren das Öffnen und Schließen des lichtaktivierten Ionenkanals und somit die Steuerung der Nervenzelle. Wo im Protein und wie schnell diese Reaktionen ablaufen, konnte mithilfe hochmoderner biophysikalischer Methoden gezeigt werden.

Die Arbeiten wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen einer Forschergruppe (FOR 1279 „Protein-based Photoswitches as optogenetic tools“) und eines Sonderforschungsbereichs (SFB 1078 „Proteinfunktion durch Protonierungsdynamik“) gefördert. In dem neu bewilligten Sonderforschungsbereich an der Freien Universität beschäftigen sich Physiker, Chemiker und Biologen aus den drei Berliner Universitäten mit der Frage, welche Rolle der Protonentransfer beim Funktionsmechanismus von Proteinen spielt. Die Resultate, die nun am Kanalrhodopsin erhalten wurden, repräsentieren somit einen Meilenstein in diesem Forschungsprogramm.

Literatur
Lórenz-Fonfría, V.A., Resler, T., Krause, N., Nack, M., Gossing, M., Fischer von Mollard, G., Bamann, C., Bamberg, E., Schlesinger, R., and Heberle, J. (2013):
„Transient protonation changes in channelrhodopsin-2 and their relevance to channel gating”
Proc. Natl. Acad. Sci USA 110 (14), E1273-E1281, Fachartikelnummer DOI: 10.1073/pnas.1219502110

Weitere Informationen
Prof. Dr. Joachim Heberle, Institut für Physik der Freien Universität Berlin, Tel. 030 / 838-53337, E-Mail: joachim.heberle@fu-berlin.de

Carsten Wette | idw
Weitere Informationen:
http://www.fu-berlin.de
http://www.physik.fu-berlin.de/en/einrichtungen/ag/ag-heberle/index.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wegbereiter für Vitamin A in Reis
21.07.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Pharmakologie - Im Strom der Bläschen
21.07.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

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: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten