Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Optogenetik macht unfruchtbare Mäuse wieder fruchtbar

20.01.2015

Forscher steuern Schwimmverhalten von Spermien mit lichtempfindlichem Enzym

Wissenschaftlern des Bonner Forschungszentrums caesar, einem Institut der Max-Planck-Gesellschaft, ist es erstmals gelungen, die Funktion von Spermien optogenetisch zu steuern. Sie schleusten ein licht-aktivierbares Enzym zur cAMP-Synthese in Mäusespermien ein, denen das körpereigene Enzym zur cAMP-Synthese fehlt.


Kontrolle des Flagellenschlags eines Spermiums mit Licht: Dem linken Spermium fehlt das körpereigene Enzym zur cAMP-Synthese. Es ist deshalb unbeweglich. Schleust man in ein solches Spermium eine licht-aktivierbare Adenylatzyklase ein und belichtet es mit blauem Licht, schlägt der Schwanz wieder (rechts; Skala: 30 Mikrometer).

© caesar

Die Spermien dieser Mäuse sind normalerweise unbeweglich und die Mäuse unfruchtbar. Nach Stimulation mit blauem Licht produzieren die Spermien cAMP, beginnen wieder zu schwimmen und können sogar Eizellen befruchten. Mit der Optogenetik können Wissenschaftler also nicht nur den Einstrom von Ionen in Nervenzellen und damit deren Aktivität kontrollieren, sondern auch Signalwege in anderen Zelltypen.

Es ist ein lang gehegter Traum von Wissenschaftlern, Zellen mit Licht zu steuern. Licht kann schnell an- und abgeschaltet werden und stört nicht die natürlichen Abläufe in einer Zelle. Die größte Hürde diesen Traum zu realisieren bestand darin, Zellen gezielt mit „Lichtschaltern“ auszustatten.

2002 wiesen drei deutsche Wissenschaftler – Peter Hegemann, Ernst Bamberg und Georg Nagel – nach, dass die lichtempfindlichen Membranproteine einer einzelligen Grünalge Ionenkanäle sind und nannten sie Channelrhodopsine. Channelrhodopsine lassen sich gentechnisch in Zellen einschleusen und ermöglichen, Zellen mit Licht zu steuern. Diese Entdeckung begründete ein neues Forschungsfeld, die Optogenetik.

Bisher wurde die Optogenetik vorwiegend eingesetzt, um die elektrische Aktivität von Nervenzellen mit Channelrhodopsin durch Licht zu kontrollieren. Inzwischen wurde die optogenetische „Werkzeugkiste“ erweitert, so dass es nun auch gelingt, Botenstoff-vermittelte Signalwege in Zellen an- und abzuschalten. Ein wichtiger Zell-Botenstoff ist das zyklische AMP (cAMP), das so unterschiedliche Funktionen wie den Herzschlag, den Geruchssinn, die Lern- und Gedächtnisbildung, aber auch die Befruchtung einer Eizelle steuert. Enzyme, die sogenannten Adenylatzyklasen, synthetisieren diesen Botenstoff.

Im Jahre 2002 wurde die erste licht-aktivierbare Adenylatzyklase (PAC, photo-activated adenylate cylase) entdeckt. Seitdem sind Forscher auf weitere solche Enzyme gestoßen. Eines der neueren, prominenten Beispiele ist bPAC, eine licht-aktivierbare Adenylatzyklase aus Bodenbakterien, die von Peter Hegemann an der Humboldt-Universität in Berlin identifiziert wurde.

Wissenschaftler des Bonner Forschungszentrums caesar um Benjamin Kaupp und Dagmar Wachten stellten in Zusammenarbeit mit Peter Hegemann eine gentechnisch veränderte Maus her, deren Spermien die licht-aktivierbare Adenylatzyklase bPAC besitzen. Die Befruchtung der Eizelle ist eng mit der cAMP-Synthese verknüpft. Spermien, denen das Adenylatzyklase-Enzym fehlt, können nicht schwimmen: Die Mäuse sind unfruchtbar. Stimuliert man nun bPAC-Spermien mit blauem Licht, steigt die cAMP-Konzentration an und die Spermien schwimmen schneller, weil der Spermienschwanz schneller schlägt.

Das Ziel der Forscher war, nicht nur die Schwimmbewegung mit Licht zu steuern; sie wollten auch die Befruchtung durch Licht regulieren. Die Wissenschaftler schleusten daher bPAC in Spermien einer Mausmutante ein, der das körpereigene Enzym zur cAMP-Herstellung fehlt. Spermien dieser Mäuse sind unbeweglich und die Mäuse unfruchtbar. Nach Stimulation mit blauem Licht begannen die Spermien wieder zu schwimmen und konnten sogar Eizellen befruchten. Es ist also gelungen, etwas so Grundlegendes wie die Ei-Befruchtung mit Licht zu steuern. Die Optogenetik hat damit ein weiteres Feld außerhalb der Neurowissenschaften erobert.


Ansprechpartner

Prof. Dr. Ulrich Benjamin Kaupp
Assoziierte Einrichtung - Forschungszentrum caesar (center of advanced european studies and research), Bonn
Telefon: +49 228 9656-100
Fax: +49 228 9656-111
E-Mail: u.b.kaupp@caesar.de
 
Stefan Hartmann
Assoziierte Einrichtung - Forschungszentrum caesar (center of advanced european studies and research), Bonn
Telefon: +49 228 9656-292
Fax: +49 228 9656-9292
E-Mail: stefan.hartmann@caesar.de


Originalpublikation
Vera Jansen, Luis Alvarez, Melanie Balbach, Timo Strünker, Peter Hegemann, U. Benjamin Kaupp, and Dagmar Wachten

Controlling fertilization and cAMP signaling in sperm by optogenetics

eLife, 20. Januar 2015

Quelle

Prof. Dr. Ulrich Benjamin Kaupp | Max-Planck-Gesellschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Der sechste Sinn der Tiere: Ein Frühwarnsystem für Erdbeben?
03.07.2020 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

nachricht Wirkstoffe aus Kieler Meeresalgen als Mittel gegen Infektionen und Hautkrebs entdeckt
03.07.2020 | GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

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: Ein neuer Weg zur superschnellen Bewegung von Flussschläuchen in Supraleitern entdeckt

Ein internationales Team von Wissenschaftern aus Österreich, Deutschland und der Ukraine hat ein neues supraleitendes System gefunden, in dem sich magnetische Flussquanten mit Geschwindigkeiten von 10-15 km/s bewegen können. Dies erschließt Untersuchungen der reichen Physik nichtlinearer kollektiver Systeme und macht einen Nb-C-Supraleiter zu einem idealen Materialkandidaten für Einzelphotonen-Detektoren. Die Ergebnisse sind in Nature Communications veröffentlicht.

Supraleitung ist ein physikalisches Phänomen, das bei niedrigen Temperaturen in vielen Materialien auftritt und das sich durch einen verschwindenden...

Im Focus: Elektronen auf der Überholspur

Solarzellen auf Basis von Perowskitverbindungen könnten bald die Stromgewinnung aus Sonnenlicht noch effizienter und günstiger machen. Bereits heute übersteigt die Labor-Effizienz dieser Perowskit-Solarzellen die der bekannten Silizium-Solarzellen. Ein internationales Team um Stefan Weber vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz hat mikroskopische Strukturen in Perowskit-Kristallen gefunden, die den Ladungstransport in der Solarzelle lenken können. Eine geschickte Ausrichtung dieser „Elektronen-Autobahnen“ könnte Perowskit-Solarzellen noch leistungsfähiger machen.

Solarzellen wandeln das Licht der Sonne in elektrischen Strom um. Dabei wird die Energie des Lichts von den Elektronen des Materials im Inneren der Zelle...

Im Focus: Electrons in the fast lane

Solar cells based on perovskite compounds could soon make electricity generation from sunlight even more efficient and cheaper. The laboratory efficiency of these perovskite solar cells already exceeds that of the well-known silicon solar cells. An international team led by Stefan Weber from the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz has found microscopic structures in perovskite crystals that can guide the charge transport in the solar cell. Clever alignment of these "electron highways" could make perovskite solar cells even more powerful.

Solar cells convert sunlight into electricity. During this process, the electrons of the material inside the cell absorb the energy of the light....

Im Focus: Das leichteste elektromagnetische Abschirmmaterial der Welt

Empa-Forschern ist es gelungen, Aerogele für die Mikroelektronik nutzbar zu machen: Aerogele auf Basis von Zellulose-Nanofasern können elektromagnetische Strahlung in weiten Frequenzbereichen wirksam abschirmen – und sind bezüglich Gewicht konkurrenzlos.

Elektromotoren und elektronische Geräte erzeugen elektromagnetische Felder, die bisweilen abgeschirmt werden müssen, um benachbarte Elektronikbauteile oder die...

Im Focus: The lightest electromagnetic shielding material in the world

Empa researchers have succeeded in applying aerogels to microelectronics: Aerogels based on cellulose nanofibers can effectively shield electromagnetic radiation over a wide frequency range – and they are unrivalled in terms of weight.

Electric motors and electronic devices generate electromagnetic fields that sometimes have to be shielded in order not to affect neighboring electronic...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz QuApps zeigt Status Quo der Quantentechnologie

02.07.2020 | Veranstaltungen

Virtuelles Meeting mit dem BMBF: Medizintechnik trifft IT auf der DMEA sparks 2020

17.06.2020 | Veranstaltungen

Digital auf allen Kanälen: Lernplattformen, Learning Design, Künstliche Intelligenz in der betrieblichen Weiterbildung, Chatbots im B2B

17.06.2020 | Veranstaltungen

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

Der sechste Sinn der Tiere: Ein Frühwarnsystem für Erdbeben?

03.07.2020 | Biowissenschaften Chemie

Effizient, günstig und ästhetisch: 
Forscherteam baut Elektroden aus Laubblättern

03.07.2020 | Energie und Elektrotechnik

Ein neuer Weg zur superschnellen Bewegung von Flussschläuchen in Supraleitern entdeckt

03.07.2020 | Physik Astronomie

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