Biologische Systeme mit Lichtschalter: Neue Erkenntnisse aus Graz

Schematische Darstellung der Belichtung der Sensordomäne des Fotorezeptors und der Fortpflanzung des Lichtsignals durch das Molekül bis hin zum Effektor (in rot am rechten Bildrand). © TU Graz/IBC

Genetisch modifizierte Zellen mittels Licht zu kontrollieren ist das Ziel der Optogenetik. Grazer Wissenschafterinnen und Wissenschafter rund um Andreas Winkler vom Institut für Biochemie der TU Graz setzen einen Meilenstein für die zukünftige Entwicklung neuartiger rotlichtregulierter optogenetischer Werkzeuge zur gezielten Zellstimulation:

Erstmals konnten sie in der Volllängenstruktur eines Rotlichtrezeptors molekulare Prinzipien der Sensor-Effektor-Koppelung beobachten und detaillierte Mechanismen der Signalübertragung über große Distanzen auf molekularer Ebene beschreiben. Die Forschungsergebnisse wurden nun im Open Access Journal Science Advances publiziert.

Eine Helix als Lichtschalter

Um zu überleben, müssen sich Zellen und Organismen effizient neuen Umweltbedingungen anpassen. Dafür sorgen modulare „Proteinbausteine“, die auf unterschiedlichste Weise miteinander wechselwirken und so zelluläre Netzwerke ermöglichen, die eine Anpassung an veränderte Umgebungen erlauben. Die Sensoren, also „Empfänger“ von äußeren Reizen wie etwa Licht, sind zum Teil direkt an spezifische Effektoren gekoppelt, um gezielt zelluläre Signalmoleküle je nach Bedarf zu aktivieren oder zu hemmen.

In ihrer Arbeit präsentiert die Grazer Forschungsgruppe, der neben Forschenden der TU Graz auch Wissenschafter der Med Uni Graz angehören, nun molekulare Details eines rotlicht-empfindlichen Fotorezeptors, der an der Herstellung eines zentralen bakteriellen Botenstoffes beteiligt ist, und beschreibt erstmals die Struktur eines Volllängen-Fotorezeptors im Zusammenspiel mit seinem enzymatischen Effektor. Der Architektur und der Zusammensetzung des Verbindungsstückes, das Sensor und Effektor miteinander verknüpft, kommt dabei in der Lichtregulation besondere Bedeutung zu.

TU Graz-Biochemiker Andreas Winkler, Leiter der Forschungsgruppe: „Mithilfe der Kombination aus Röntgenstrukturanalyse und der Methode des Wasserstoff-Deuterium-Austauschs, bei dem strukturelle Dynamik und Konformationsänderungen analysiert werden können, gelang es uns, die funktionellen Eigenschaften dieses helikalen Koppelungselements besser zu verstehen. Wir konnten zeigen, dass es durch die Belichtung des Sensors mit Rotlicht zu einer rotationsähnlichen Veränderung der Doppelwendel im Verknüpfungsbereich kommt, was wiederum Auswirkungen auf die enzymatische Aktivität des angrenzenden Effektors hat.“

Damit konnten die Grazer Forschenden erstmals strukturelle Daten zu einem rotlichtregulierten Volllängensystem ermitteln und molekulare Mechanismen der Signalübertragung beschreiben.

Auf dem Weg zum rationalen Protein-Design

Die Forschung trägt dazu bei, die Modularität natürlich vorkommender Proteindomänen besser zu verstehen und neue optogenetische Werkzeuge entwickeln zu können. In der Natur finden sich vielfältige Kombinationen unterschiedlicher Sensormodule, etwa Rotlichtsensoren, Blaulichtsensoren oder pH-Sensoren mit teilweise identen aber auch verschiedenen Effektoren.

Daraus schließen die Forschenden, dass es molekulare Gemeinsamkeiten in der Signalweiterleitung gibt, und dass somit rationale und völlig willkürliche Kombinationen von Sensoren und Effektoren, die es so in der Natur nicht gibt, denkbar sind. Andreas Winkler:

„Derzeit sind wir bei der Verwendung direkt regulierter enzymatischer Funktionalitäten großteils noch auf natürlich vorkommende Systeme limitiert. Langfristiges Ziel ist es, neue lichtregulierte Systeme zu generieren, welche die Beschränkungen der Natur überwinden und für unterschiedlichste Anwendungen etwa in der Optogenetik interessant sind.“

Dieses Forschungsprojekt ist im Field of Expertise „Human & Biotechnology“ verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern der TU Graz. Beteiligte Forschende sind zudem Mitglieder von BioTechMed-Graz, einem Kooperationsprojekt von TU Graz, Med Uni Graz und Uni Graz.

Kontakt:
Andreas WINKLER
Ass Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
Institut für Biochemie
Technische Universität Graz
Tel.: +43 316 873 6457
E-Mail: andreas.winkler@tugraz.at

http://advances.sciencemag.org/content/3/3/e1602498
http://www.biochemistry.tugraz.at/
http://mbbc.medunigraz.at/
https://biotechmedgraz.at

Media Contact

Barbara Gigler Technische Universität Graz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie

Der innovations-report bietet im Bereich der "Life Sciences" Berichte und Artikel über Anwendungen und wissenschaftliche Erkenntnisse der modernen Biologie, der Chemie und der Humanmedizin.

Unter anderem finden Sie Wissenswertes aus den Teilbereichen: Bakteriologie, Biochemie, Bionik, Bioinformatik, Biophysik, Biotechnologie, Genetik, Geobotanik, Humanbiologie, Meeresbiologie, Mikrobiologie, Molekularbiologie, Zellbiologie, Zoologie, Bioanorganische Chemie, Mikrochemie und Umweltchemie.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreib Kommentar

Neueste Beiträge

Nanowirbel mit besonderer Eigenschaft

In manchen magnetischen Materialien lassen sich wirbelförmige Nano-Strukturen erzeugen: sogenannte Skyrmionen. Forschende am PSI haben nun erstmals antiferromagnetische Skyrmionen erschaffen und nachgewiesen. Ihre Besonderheit: In ihnen sind entscheidende Bausteine gegenläufig…

Meeresspiegelanstieg: Stabilitäts-Check der Antarktis offenbart enorme Risiken

Je wärmer es wird, desto rascher verliert die Antarktis an Eis – und viel davon wohl für immer. Dies hat ein Team des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung, der Columbia University und…

In Wäldern nicht aufräumen

Bitte nicht stören: Nach Waldbränden, Borkenkäferbefall oder anderen Schädigungen sollte in den betroffenen Wäldern nicht aufgeräumt werden. Das schreibt ein Forschungsteam in „Nature Communications“. Stürme, Brände, Borkenkäfer: Weltweit sind viele…

By continuing to use the site, you agree to the use of cookies. more information

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close