Optogenetik: Wichtiger molekularer Schalter durchleuchtet
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- Das erstellte Modell des Kanalrhodopsins ermöglichte den Bochumer Biochemikern genaue Aussagen über die Funktion des optogenetischen Schalterproteins. Quelle: RUB
01.03.2012 -
Nervenzellen mit Hilfe von Licht aktivieren oder wieder abschalten - auf solche Anwendungen hat es der boomende Forschungszweig der Optogenetik abgesehen. Hierbei konstruieren Biotechnologen lichtempfindliche molekulare Schalter, mit deren Hilfe sie mit bisher unerreichter räumlicher und zeitlicher Präzision das Verhalten von Zellen von außen steuern können. Für Neurobiologen ergeben sich damit völlig neue Möglichkeiten, um die komplexen Prozesse im Gehirn zu untersuchen. Ein Schlüsselwerkzeug der Optogenetik ist ein Molekül namens Kanalrhodopsin. Biophysiker aus Bochum und Berlin haben den Schaltmechanismus dieses Ionenkanals aufklären können. Ihre Ergebnisse präsentieren die Forscher im Journal of Biological Chemistry (2012, Bd. 287, S. 6904).
Die Optogenetik ist innerhalb weniger Jahre zu einem boomenden Forschungszweig geworden. Optogenetiker verwenden lichtempfindliche Schalter-Proteine, um mit ihrer Hilfe das Verhalten von Zellen präzise von außen zu steuern. Das Feld ist noch jung, doch schon jetzt zeichnet sich ab, dass dieser neue Ansatz die Neurowissenschaften und die Zellbiologie revolutionieren könnte. So kürte das Fachblatt Nature Methods die Technik zur Methode des Jahres 2010 (mehr…).
Wie sich der Kanal bei Lichteinfall öffnet
Bisher war wenig über die genaue Funktionsweise des Proteins Kanalrhodopsin bekannt – obwohl das Molekül wohl in keinem Optogenetik-Labor in der Werkzeugkiste fehlt.In dieser Folge der Kreidezeit erklären wir, wie sich Zellen mit Licht steuern lassen.Quelle: biotechnologie.de Es handelt sich bei diesem Eiweißmolekül um einen Ionenkanal, der in der Membran von Nervenzellen sitzt und sich gezielt öffnen und schließen lässt. Wie genau dieser Vorgang aber auf molekularer Ebene abläuft, war bisher unklar. 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 Biophysiker um Klaus Gerwert und ihre Berliner Kooperationspartner von der Humboldt-Universität und der Charité den Schaltmechanismus genau herausgearbeitet. Das Ergebnis: Die durch Licht ausgelöste 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.
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Ein Team um die Bochumer Biophysiker Jens Kuhne und Erik Freier konnte mittels zeitaufgelöster Infrarot-Spektroskopie erstmals zeigen, dass der Kanal sich dann öffnet, wenn die Aminosäure Glutamat 90 (E90) ein Wasserstoff-Ion verliert (Deprotonierung). Ergänzend bestätigten elektrophysiologische Experimente der Berliner Forscher, dass eine Mutation der Aminosäure zu einer veränderten Ionendurchlässigkeit des Proteins führt. Mit der Rechenpower von Hochleistungsrechnern gelang es den Forschern, zu simulieren, wie der Protonierungswechsel des Glutamats den Kanal öffnet und Wassermoleküle eindringen lässt.
Reges Interesse in der Forschergemeinde
Wie stark das weltweite Forscherinteresse an der 3D-Struktur des Kanalrhodopsins ist, zeigt sich an einer Häufung von hochkarätigen Veröffentlichungen zum Thema in den vergangenen Wochen. Kurz nach der Bochumer Vorab-Veröffentlichung haben etwa japanische Forscher die dreidimensionale Struktur eines Kanalrhodopsins in Fachjournal Nature (2012, Bd. 482, S. 369) veröffentlicht. „Die Strukturarbeit bestätigt eindrucksvoll unsere biomolekularen Simulationen und die Schlüsselrolle der Aminosäure E90 für das Schalten des Kanals“, sagt Klaus Gerwert. „Wir sind daher besonders stolz darauf, in diesem international sehr kompetitiven Feld die Nase vorn gehabt zu haben.“
