Optogenetik verbessern

Biologischer Lichtsensor in Aktion gefilmt

Ein Film zeigt erstmals, wie ein Protein die Reaktion eines eingebetteten chemischen Lichtsensors effizient steuert. 

Jörg Standfuss an dem Injektor, mit dem Proteinkristalle für die Experimente am kalifornischen Röntgenlaser LCLS getestet wurden. In naher Zukunft wird die Technologie auch am Röntgenlaser SwissFEL des PSI für Wissenschaftler aus aller Welt zur Verfügung stehen. (Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic)

Mithilfe eines Röntgenlasers hat ein Team unter Leitung von Forschenden des Paul Scherrer Instituts PSI einen der schnellsten Prozesse in der Biologie aufgezeichnet. Der dabei erzeugte molekulare Film enthüllt, wie der Lichtsensor Retinal in einem Proteinmolekül aktiviert wird. Solche Reaktionen kommen in zahlreichen Organismen vor, die den Informations- oder Energiegehalt von Licht nutzen – sie ermöglichen bestimmten Bakterien die Energiegewinnung durch Photosynthese, stehen bei Mensch und Tier am Anfang des Sehprozesses und steuern die Anpassung an den Tag-Nacht-Rhythmus.

Der Film zeigt erstmals, wie ein Protein die Reaktion des eingebetteten Lichtsensors effizient steuert. Die Aufnahmen gelangen am Freie-Elektronen-Röntgenlaser LCLS im kalifornischen Stanford. Nun sind weitere Untersuchungen am SwissFEL, dem neuen Freie-Elektronen-Röntgenlaser am PSI, geplant. Neben den Wissenschaftlern aus der Schweiz waren Forschende aus Japan, den USA, Deutschland, Israel und Schweden beteiligt.

Das Molekül Retinal ist eine Form von Vitamin A und von zentraler Bedeutung für Menschen, Tiere, bestimmte Algen und viele Bakterien. In der Netzhaut des menschlichen Auges stösst Retinal den Sehvorgang an, wenn es unter Lichteinfluss seine Form verändert. In ähnlicher Form nutzen auch bestimmte Bakterien diese Reaktion, um Protonen oder Ionen durch die Zellmembran zu pumpen. Wie in einem alpinen Speicherkraftwerk kann die Lichtenergie dabei gespeichert werden, sodass sie bei Bedarf als biologischer Treibstoff zur Verfügung steht.

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Für eine effiziente Nutzung des Lichtes ist das Retinal-Molekül in Proteine eingebettet, welche bei der Steuerung des Vorgangs eine entscheidende Rolle spielen. Die von den Proteinen gelenkte Reaktion des Retinals zählt zu den schnellsten biologischen Prozessen und geschieht innerhalb von 500 Femtosekunden (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstelsekunde). «Das ist ungefähr eine Billion Mal schneller als ein Wimpernschlag», sagt Jörg Standfuss, der die Gruppe für zeitaufgelöste Kristallografie im Bereich Biologie und Chemie am PSI leitet. Was dabei auf Ebene der Atome passiert, haben Forscher des PSI nun erstmals in 20 Schnappschüssen festgehalten und diese zu einem molekularen Film zusammengestellt. «So schnell und so genau hat noch niemand ein Retinalprotein gemessen. Das ist Weltrekord», sagt Jörg Standfuss, der die Studie geleitet hat.

Die Forscher untersuchten das Protein Bacteriorhodopsin, das in einfachen Mikroben vorkommt. Fängt das im Bacteriorhodopsin eingebettete Retinal-Molekül ein Lichtteilchen ein, so verändert es seine ursprünglich gestreckte in eine gekrümmte Form, «ähnlich wie wenn eine Katze einen Buckel macht», erklärt der PSI-Forscher. Solche Veränderungen lassen sich auch beobachten, wenn das Retinal in einer Lösung ohne Protein untersucht wird. Doch dort finden verschiedene Reaktionen statt, die zudem weniger ergiebig sind. «Proteine gleichen Fabriken, in denen chemische Reaktionen besonders effizient ablaufen», erklärt Jörg Standfuss. «Wir wollten schauen, wie dieses Zusammenspiel zwischen Protein und Molekül funktioniert.»

Überraschende Beobachtung
Die Forscher entdeckten, dass Wassermoleküle in der Nähe des Retinals eine entscheidende Rolle spielen. Sie konnten beobachten, wie sich die Wassermoleküle zur Seite bewegten und damit Platz schafften, damit das Retinal-Molekül seinen Katzenbuckel machen konnte – im Fachjargon eine «trans-cis-Isomerierung». Was zuvor noch niemand gesehen hatte, überraschte Jörg Standfuss, wie er anhand des Katzenvergleichs erklärt: «Man erwartet, dass eine Katze einen Buckel macht und damit eine andere in die Flucht schlägt. Doch hier läuft die zweite Katze weg, noch bevor die erste ihren Buckel gemacht hat.» Computersimulationen bestätigen die Messungen, die sich durch ultraschnelle Quantenprozesse erklären lassen.

Neben der Reaktion des Retinals konnten die Forscher zudem Protein-Beben nachweisen, die theoretisch vorhergesagt wurden. Denn nicht die gesamte Lichtenergie, die auf das Protein fällt, wird für den Katzenbuckel gebraucht. Überschüssige Energie wird offenbar nicht in Form von Wärme, sondern in Vibrationen des Proteins freigesetzt.

Neue Messungen am SwissFEL geplant
Für ihre Aufnahmen reisten die PSI-Forscher nach Kalifornien zum Freie-Elektronen-Röntgenlaser LCLS in Stanford. Künftig können sie solche Filme direkt am PSI mit der neu in Betrieb genommenen Anlage SwissFEL realisieren. Bei solchen Untersuchungen wird die Probe mit extrem kurzen und intensiven Blitzen aus Röntgenlicht in Laserqualität durchleuchtet. Die Röntgenstrahlen werden durch die Probe in verschiedene Richtungen abgelenkt und erzeugen Beugungsmuster, aus denen sich die ursprüngliche Struktur berechnen lässt.

Als Proben verwenden die Forscher winzige Kristalle, in denen das Bacteriorhodopsin in einem geordneten Zustand dicht gepackt ist. Angeregt wird der Lichtsensor im Bacteriorhodopsin durch einen kurzen Puls aus einem optischen Laser. Erst danach trifft der Röntgenblitz den Kristall und beleuchtet die Szene. Die Zeit zwischen optischem Signal und Röntgenblitz bestimmt, wie weit die Reaktion bereits fortgeschritten ist. Einzelne Schnappschüsse zu verschiedenen Zeitpunkten lassen sich dann zu einem Film zusammenfügen.

Nach der Untersuchung des Bacteriorhodopsins wollen die PSI-Forscher mit dem SwissFEL das Retinal im Rhodopsin in unseren Augen untersuchen. Ähnliche Retinalproteine lassen sich aber auch in Nervenzellen künstlich einbauen, sodass es möglich wird, Nervenzellen mit Licht gezielt zu aktivieren und deren Funktion zu erforschen. «Mit diesen Retinal-Proteinen kann man dann eine beliebige Region im Gehirn mit Hilfe von Licht aktivieren», erklärt Jörg Standfuss ein Ziel des neuen Fachgebiets, Optogenetik genannt. Messungen mit dem SwissFEL sollen dazu beitragen, Anwendungen der Optogenetik zu verbessern.

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