Optogenetik: Mit Algenprotein zur Erleuchtung

29. Januar 2016
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Um biologische Abläufe mittels Optogenetik zu kontrollieren, muss genau analysiert werden, wie ein Fotorezeptor auf Licht reagiert. Nur so kann die Kopplung des gewünschten Moleküls mit dem lichtempfindlichen Protein gelingen. Die Unteruschung der Kieselalge liefert Aufschluss.

In der Natur vorkommende lichtempfindliche Proteine, also Fotorezeptoren, bilden die Grundlage für optogenetische Verfahren. Sie erlauben es, Signalwege innerhalb von Zellen und Lebewesen zu kontrollieren. Einige Algen besitzen zum Beispiel in ihrer Zellmembran lichtaktivierbare Ionenkanäle, mit denen sie sich am Sonnenlicht orientieren können. Mit Hilfe dieser lichtaktivierbaren Ionenkanäle kann die Aktivität von Nervenzellen gesteuert werden. Dafür werden natürliche oder synthetisch erzeugte Fotorezeptoren auf genetischem Wege in Zellen eingefügt. Forscher des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung in Heidelberg haben nun aufgeklärt, wie der in der Kieselalge vorkommende Fotorezeptor Aureochrom 1a funktioniert. Diese Erkenntnis hilft den Wissenschaftlern bei der Entwicklung neuer synthetischer Fotorezeptoren.

Fotorezeptoren bestehen aus verschiedenen Bausteinen mit unterschiedlichen Domänen. Die Absorption von Licht durch den lichtsensitiven Teil verändert die Struktur des Proteins und reguliert so die biologische Aktivität eines anderen Molekülteils. Wissenschaftler koppeln den Bereich eines Fotorezeptors mit einem Teil eines anderen Proteins, der die gewünschte biologische Funktion besitzt. Diese Kopplung ist allerdings schwierig, da diese so miteinander verbundenen werden müssen, dass das Lichtsignal effektiv an den Bereich mit der gewünschten biologischen Aktivität weitergeleitet werden kann.

Aufklärung durch die Kieselalge

Nur wenn im Detail bekannt ist, wie ein Fotorezeptor auf Licht reagiert, können Forscher gezielt neue lichtempfindliche Moleküle für die Optogenetik konstruieren. Udo Heintz und Ilme Schlichting vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg haben deshalb den Fotorezeptor Aurechrom 1a erforscht. Er kommt natürlicherweise in der einzelligen Kieselalge „Phaeodactylum tricornutum“ vor und bindet an die DNA im Zellkern. Blaues Licht aktiviert den lichtsensitiven Bereich des Rezeptors, die LOV-Domäne, und beeinflusst dessen Bindung an DNA. Heintz und Schlichting haben die dreidimensionale Struktur der LOV-Domäne im inaktiven und im lichtaktivierten Zustand aufgeklärt und untersucht, wie sich die Veränderungen auf die Bindung an DNA auswirken. „Solche Studien an lichtaktivierten Fotorezeptoren sind besonders schwierig, da die meisten Rezeptoren nach ihrer Aktivierung schnell wieder in ihren inaktiven Zustand übergehen“, erklärt Heintz.

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Dreidimensionale Struktur der lichtsensitiven LOV-Domäne von Aureochrome 1a im inaktiven Dunkel- (links) und im aktivierten Lichtzustand (rechts). Belichtung mit blauem Licht verändert die LOV-Domäne, so dass sich zwei Moleküle zusammen lagern können. © MPI f. medizinsche Forschung/Heintz

Die beiden Forscher haben herausgefunden, dass die LOV-Domäne im inaktiven Zustand – also ohne Beleuchtung – direkt mit dem DNA-Bindebereich des Proteins interagiert, um die Bindung an DNA zu verhindern. Sobald der Fotorezeptor durch Licht aktiviert wird, gibt die LOV-Domäne den DNA-Bindebereich frei und lagert sich an die LOV-Domäne eines anderen Moleküls an. Auf diese Weise kann der Fotorezeptor lichtabhängig an einen spezifischen DNA-Abschnitt binden.

Originalpublikation:

Udo Heintz et al.; eLIFE, doi: 10.7554/eLife.11860; 2016
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