Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Optogenetik – fusionierte Ionenkanäle als Lichtschalter

21.12.2011
Max-Planck-Forscher steuern Nervenzellen mithilfe zweier verbundener Membranproteine

Fliegen, die auf Knopfdruck balzen, Würmer, die ferngesteuert zappeln – seit Erfindung der Optogenetik können Wissenschaftler Nervenzellen per Lichtblitz ein- und ausschalten.


Molekularer Kombischalter: Zwei lichtempfindliche Membranproteine - hier rot und violett - sind über ein Zwischenstück (grün) in der Zellwand verankert (links). Blaues Licht lässt Natrium-Ionen, oranges Licht Chlorid-Ionen in die Zelle einströmen. Entsprechend wird die Zelle aktiviert oder deaktiviert (rechts). © Max-Planck-Institut für Biophysik

Ein Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Biophysik in Frankfurt am Main hat nun einen molekularen Kombi-Lichtschalter entwickelt der es ermöglicht, Zellen noch präziser zu steuern als bisher. Der Schalter besteht aus zwei unterschiedlichen, lichtempfindlichen Membranproteinen, die als Ein- und Ausschalter dienen. Die Methode, mit der die Wissenschaftler die beiden Komponenten verknüpfen, eignet sich für unterschiedliche Proteinvarianten und ist deshalb vielseitig einsetzbar.

Ziel des noch jungen Forschungsgebiets der Optogenetik ist es, Zellen mithilfe von Licht zu kontrollieren. Dazu machen sich Forscher lichtempfindliche Proteine zunutze, die natürlicherweise in der Zellwand bestimmter Algen und Bakterien vorkommen. Um damit eine Nervenzelle zu steuern, schleusen sie Gene mit der Bauanleitung für solche Membranproteine ins Erbgut der Zelle ein. Je nachdem, welche Proteine die Wissenschaftler verwenden, können sie Zellen auf diese Weise mit Ein- und Ausschaltern ausstatten, die auf Licht unterschiedlicher Wellenlänge reagieren.

Für eine präzise Steuerung ist es dabei wichtig, dass sich die Zelle ebenso gut an- wie ausknipsen lässt. Genau hier lag bisher das Problem, denn werden die Gene separat eingeschleust, stellt die Zelle unterschiedlich viele Kopien der jeweiligen Proteine her. Dies führt dazu, dass ein Schaltertyp dominiert.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern um Ernst Bamberg vom Max-Planck-Institut für Biophysik hat nun eine ebenso elegante wie vielseitige Lösung entwickelt: Die Forscher haben dazu die Gene für Ein- und Ausschaltprotein auf demselben Stück Erbsubstanz untergebracht, zusammen mit einem weiteren Gen, das die Montageanleitung für ein Verbindungsstück trägt. Dieses zwischengeschaltete Protein koppelt die Schalterproteine aneinander und verankert sie stabil in der Zellmembran. „Auf diese Weise können wir sicherstellen, dass Ein- und Ausschalter nebeneinander und immer im Verhältnis 1:1 in die Zellwand eingebaut werden. Das ermöglicht es uns, die Zelle präzise zu kontrollieren“, erklärt Ernst Bamberg.

Der Kombi-Lichtschalter, den die Forscher ausgetüftelt haben, besteht aus den beiden Membranproteinen Channelrhodopsin-2 und Halorhodopsin. Channelrhodopsin-2 stammt ursprünglich aus der einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. Das Protein reagiert auf blaues Licht, indem es die Zellwand für positiv geladene Ionen durchlässig macht. Durch den Ioneneinstrom wird ein Nervenimpuls ausgelöst, der die Zelle aktiviert. Halorhodopsin, das Wissenschaftler aus dem Bakterium Natromonas pharaonis isoliert haben, hat den gegenteiligen Effekt: Wird die Zelle mit orangem Licht bestrahlt, lässt es negativ geladene Ionen einströmen, was Nervenimpulse unterdrückt.

Da Channelrhodopsin-2 und Halorhodopsin auf Licht unterschiedlicher Wellenlänge reagieren, ist das Protein-Duo ein nützliches Werkzeug, um Zellen gezielt an- und auszuknipsen. Wie die Forscher gezeigt haben, eignet sich die Methode, mit der sie die beiden Moleküle verknüpfen, aber auch für andere Proteinvarianten: „Indem wir verschiedene Proteine je nach Bedarf miteinander koppeln, können wir Zellen in Zukunft wesentlich genauer steuern als bisher“, sagt Bamberg.

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
Originalveröffentlichung
Sonja Kleinlogel, Ulrich Terpitz, Barbara Legrum, Deniz Gökbuget, Edward S Boyden, Christian Bamann, Philip G Wood & Ernst Bamberg
A gene-fusion strategy for stoichiometric and co-localized expression of light-gated membrane proteins

Nature Methods, Vol. 8(12); DOI:10.1038/NMETH.1766

Prof. Dr. Ernst Bamberg | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/4737081/Optogenetik_Kombischalter

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Aus-Schalter für Nebenwirkungen
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Biochemie

nachricht Ein Fall von „Kiss and Tell“: Chromosomales Kissing wird fassbarer
22.06.2018 | Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

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: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

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

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

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