Lichtsensitive Proteine, auch optogenetische Werkzeuge genannt, können durch Lichtimpulse an- und ausgeschaltet werden und dadurch gezielt zelluläre Prozesse auslösen. Ein Forschungsteam der Ruhr-Universität Bochum (RUB) hat mit dem Protein Parapinopsin ein neues optogenetisches Werkzeug charakterisiert, das sich mit sehr schwachen und kurzen Lichtsignalen schalten lässt. Die dafür notwendigen Anregungswellenlängen unterscheiden sich stark von denen, die andere bekannte optogenetische Werkzeuge schalten. Hierdurch wird es möglich, zwei solcher Werkzeuge parallel zu nutzen. Davon berichten die Teams von Prof. Dr. Stefan Herlitze und Prof. Dr. Klaus Gerwert in der Titelgeschichte des Journals Chembiochem vom 2. März 2020.

Protein aus einem Fisch
Während die Forscherinnen und Forscher bisher hauptsächlich das Protein Melanopsin erforscht haben, nutzten sie nun Parapinopsin. „Auch das ist ein Opsin, das heißt ein G-Protein-gekoppelter, lichtsensitiver Rezeptor aus dem Pinealorgan des japanischen Neunauges“, erklärt Dennis Eickelbeck vom Lehrstuhl für Zoologie und Neurobiologie der RUB. Zur Untersuchung des Rezeptors nutzten die Forscher elektrophysiologische und optische Methoden. Im Zusammenspiel mit diesen experimentellen Methoden erstellten die Forscher am Lehrstuhl für Biophysik mit computergestützten Methoden ein erstes 3D-Strukturmodell des Parapinopsins. „Dieses Strukturmodell ermöglicht es, zukünftig Hypothesen über die Dynamik der komplexen molekularen Mechanismen von Parapinopsin mittels biomolekularer Simulationen zu formulieren“, erläutert Dr. Till Rudack.

Im Rahmen dieser RUB-Kollaboration wiesen die Forscher nach, dass das Neunaugen-Parapinopsin – von den Forschern „UV-Lamp“ genannt – benutzt werden kann, um gezielt einen bestimmten G-Protein-Signalweg mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen an- beziehungsweise abzuschalten. „Dabei nutzen wir UV-Licht zum Anschalten und Licht im blauen Wellenlängenbereich zum Abschalten“, sagt Dennis Eickelbeck.

Gleichzeitig mit anderen Werkzeugen nutzbar
Da der zum Anschalten genutzte Wellenlängenbereich weit im UV-Bereich liegt, kann UV-Lamp theoretisch auch gleichzeitig mit anderen optogenetischen Werkzeugen benutzt werden. „Wir könnten zum Beispiel im selben Experiment einen Signalweg über UV-Lamp mit UV- und Blaulicht steuern und ein anderes optogenetisches Werkzeug mit Grün- und Rotlicht für einen anderen Signalweg verwenden“, erklärt Dennis Eickelbeck. „Mithilfe des 3D-Modells wird es uns zukünftig möglich sein, die Wellenlängenabhängigkeit von Parapinopsin zu analysieren und zu manipulieren, um das Protein so für weitere optogenetische Anwendungen maßzuschneidern“, erklärt Klaus Gerwert.

Für die Forscher ebenso interessant ist, dass das Protein ausgesprochen lichtsensitiv ist. Daher reichen für eine kontinuierliche Kontrolle des entsprechenden Signalwegs extrem kurze Lichtpulse geringer Intensität im Bereich von Millisekunden. Das reduziert eventuelle schädliche Auswirkungen der Lichtstrahlung für die Zellen.

Förderung
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützte die Arbeiten finanziell im Rahmen der Projekte mit den Fördernummern He2471/23-1, He2471/21-1, He2471/19-1, GE 599/19-1 und GE 599/20-1, im Schwerpunktprogramm SPP1926 sowie im Rahmen der Sonderforschungsbereiche 874 (Projektnummer 122679504) und 1280 (Projektnummer 316803389). Weitere Förderung kam vom Land Nordrhein-Westfalen im Rahmen des Proteinforschungskonsortiums Pure, von der Deutschen Studienstiftung und der Friedrich-Ebert-Stiftung.

Originalveröffentlichung
Dennis Eickelbeck et al.: Lamprey Parapinopsin (“UVLamP”): a bistable UV‐sensitive optogenetic switch for ultrafast control of GPCR pathways, in Chembiochem 2019, DOI: 10.1002/cbic.201900485

Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB)