Optogenetik

Lichtschalter aktiviert zellulären Botenstoff

Die Optogenetik ist ein noch junges Forschungsgebiet, das die neuro- und zellbiologische Forschungslandschaft weltweit revolutioniert hat. Sie verwendet natürliche oder maßgeschneiderte lichtempfindliche Proteine, um Nervenzellen mit bisher nicht gekannter Genauigkeit zeitlich und räumlich elektrodenfrei an- und abzuschalten.

Der optogenetisch modifizierte Fadenwurm C. elegans exprimiert in seinen Körperwandmuskeln das Protein CyclOp (rot) zusammen mit einem cGMP-aktivierten Ionenkanal (grün).

Grundlegend war im Jahr 2002 die Entdeckung des Licht-aktivierbaren Ionenkanals Channelrhodopsin in Algen. Frankfurter Wissenschaftlern um Prof. Alexander Gottschalk gelang es 2005, das Protein in den durchsichtigen Fadenwurm C. elegans zu transferieren und so dessen Bewegungen mit Licht zu steuern. Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Würzburg hat Gottschalk den optogenetischen Baukasten jetzt um ein weiteres Werkzeug erweitert: Das Protein aus dem aquatischen Pilz Blastocladiella emersonii.

Wie die Arbeitsgruppe um Prof. Alexander Gottschalk in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Communications“ berichtet, bildet das vom dem im Wasser lebenden Schimmelpilz gebildete Protein CyclOp bei Belichtung den Botenstoff cGMP. Dieser wichtige zelluläre Botenstoff ist am Sehprozess, an der Regulation des Blutdrucks, am induzierten Zelltod, aber auch an der Regulation der männlichen Erektion beteiligt. So führt das Präparat Viagra zu einem Anstieg des cGMP Niveaus in den Zellen. Bringt man CyclOp in einen Organismus wie den Fadenwurm Caenorhabditis elegans ein, kann man Signalwege innerhalb der Zelle untersuchen. Die Optogenetik geht damit einen Schritt über die bisherige Forschung hinaus.

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„Das Licht-aktivierte Enzym CyclOp hat hervorragende molekulare Eigenschaften, die es als wertvolle Erweiterung des optogenetischen Werkzeugkastens für die Zell- und Neurobiologen qualifizieren“, erklärt Prof. Gottschalk vom Institut für Molekulare Zellbiologie und Neurobiochemie an der Goethe-Universität. Gemeinsam mit den Kollegen aus Würzburg hat seine Arbeitsgruppe das Protein in Sauerstoff-sensorische Zellen eingeschleust, um herauszufinden, welche Rolle der Botenstoff cGMP in diesen Zellen spielt. Dazu wird der durchsichtige Fadenwurm beleuchtet, so dass cGMP vermehrt ausgeschüttet wird. Die Zellen reagierten darauf, als ob sie einen Anstieg der Sauerstoff-Konzentration detektiert hätten. Somit konnten sie mithilfe von CyclOp besser verstehen, wie das natürliche Signal für diese Zellen in eine zelluläre Antwort umgesetzt wird.

Publikation:
S. Gao, J. Nagpal, M. Schneider, V. Kozjak-Pavlovic, G. Nagel, A. Gottschalk (2015) Optogenetic manipulation of cGMP in cells and animals by the tightly light-regulated guanylyl-cyclase opsin CyclOp. Nature Communications (8. September 2015), DOI: 10.1038/NCOMMS9046.
Informationen:
Prof. Alexander Gottschalk, Institut für Molekulare Zellbiologie und Neurobiochemie, Campus Riedberg, a.gottschalk@em.uni-frankfurt.de.

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