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Dipl.-Chem. Brigitte Holfelder
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Max-Planck-Institut für Biophysik, Frankfurt am Main

Auf den Punkt gebracht

● Neue Channelrhodopsin-Varianten mit verbesserten Eigenschaften sollen der Optogenetik weitere Anwendungsgebiete eröffnen. Forscher entwickeln deshalb maßgeschneiderte Rhodopsin-Varianten für die Grundlagenforschung in der Neurobiologie und mögliche biomedizinische Anwendung in der Neuroprothetik.

● Channelrhodopsine könnten eines Tages Menschen mit einer Schädigung der Netzhaut das Augenlicht zurückgeben.

Moleküle maßgeschneidert

Moleküle Maßgeschneidert

Die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii sieht nicht viel mit ihrem nur aus lichtempfindlichen Rhodopsin-Molekülen bestehenden Auge. Das Algenrhodopsin hat es aber trotzdem in sich. Es hat in den letzten Jahren eine Revolution in der Neurobiologie ausgelöst. Ernst Bamberg vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt hat mitgeholfen, es berühmt zu machen. Er erforscht nun die Moleküle und entwickelt neue Varianten für die Grundlagenforschung und die Medizin.
Channelrhodopsin-2-Molekül vor und nach Belichtung: Die Aminosäurekette des Proteins ist wie eine Spirale aufgerollt und durchmisst die Zellmembran siebenmal. Bei Lichteinfall dreht sich die Helix 2 (türkis) heraus (grün) und öffnet dadurch den Ionenkanal für Kalium- (grüne Kugeln) und Natrium-Ionen (türkise Kugeln). Im Zentrum des Kanals ist das kleine, lichtempfindliche Retinal (grün/türkis) an das Protein gebunden. Bild vergrößern
Channelrhodopsin-2-Molekül vor und nach Belichtung: Die Aminosäurekette des Proteins ist wie eine Spirale aufgerollt und durchmisst die Zellmembran siebenmal. Bei Lichteinfall dreht sich die Helix 2 (türkis) heraus (grün) und öffnet dadurch den Ionenkanal für Kalium- (grüne Kugeln) und Natrium-Ionen (türkise Kugeln). Im Zentrum des Kanals ist das kleine, lichtempfindliche Retinal (grün/türkis) an das Protein gebunden. [weniger]

TEXT CATARINA PIETSCHMANN

Zum Sehen braucht Chlamydomonas lediglich eine Ansammlung von Proteinen – den sogenannten Augenfleck. Unter dem Mikroskop erscheint er als gelber Punkt in der ansonsten grünen Algenzelle. Damit sieht Chlamydomonas, was sie sehen muss – Hell, Dunkel und ein paar Schattierungen dazwischen. So kann sie je nach Lichtverhältnissen auf- oder abtauchen. Der Augenfleck setzt sich aus rund 200 verschiedenen Proteinen zusammen, darunter lichtempfindliche Rhodopsin-Moleküle. Rhodopsine kommen in ähnlicher Form auch im menschlichen Auge vor, genauer gesagt: in den Lichtsinneszellen, und wandeln das einfallende Licht in ein elektrisches Signal um, das zur Weiterverarbeitung ins Gehirn geleitet wird.

Rhodopsine bestehen aus zwei Komponenten: dem Protein Opsin und einem lichtempfindlichen Molekül, dem Carotinoid Retinal. Das Sehen im Auge beginnt, wenn Licht die im Dunklen abgeknickte Form des Retinals in eine lang gestreckte Form umwandelt. Dies aktiviert beim Menschen und anderen Säugetieren das Rhodopsin und blockiert über einen mehrstufigen Prozess das Einströmen von positiven Ionen in die Zelle.

Lichtrezeptoren und Ionenkanal in einem

2002 haben Bamberg und Georg Nagel zusammen mit Peter Hegemann von der Humboldt-Universität zu Berlin herausgefunden, wie die Algenrhodopsine funktionieren. Die Forscher übertrugen das Rhodopsin-Gen auf Eizellen des Krallenfrosches und stellten fest, dass die Proteine Lichtrezeptor und Ionenkanal in einem einzigen Protein vereinen.

Das Algenrhodopsin funktioniert also anders als die Rhodopsine der Säugetiere: Das Opsin bildet selbst einen Ionenkanal, der durch Licht geöffnet werden kann und durch den dann die Ionen fließen können. Dadurch werden Lichtreize in der Algenzelle schneller in ein elektrisches Signal umgewandelt als im menschlichen Auge.

Die Forscher gaben dem Protein den Namen Channelrhodopsin bzw. Kanalrhodopsin. Schnell war ihnen klar, dass das Protein der Wissenschaft ungeahnte Möglichkeiten eröffnen würde. In einer umfangreichen Patentschrift nach ihrer Entdeckung haben sie bereits detailliert mögliche Anwendungen für die Neurobiologie und Biomedizin aufgezählt. „Aus jetziger Sicht war das damals beinahe etwas anmaßend, aber es hat sich mittlerweile fast alles bestätigt. Es gibt bis heute kaum eine Anwendung für die Channelrhodopsine, die nicht in unserem Patent enthalten ist“, sagt Ernst Bamberg. So wurde bereits eine Teillizenz zur Behandlung von Augenkrankheiten an einen großen Pharmakonzern vergeben.

Es klingt ganz einfach, und mit den Methoden der modernen Molekularbiologie ist es das auch: Wird das Gen für eines der verschiedenen Channelrhodopsine, das Channelrhodopsin-2, in eine Nervenzelle eingeschleust, produziert die Zelle fortan den Ionenkanal und baut ihn in ihre Zellmembran ein. Die Zelle kann nun durch blaues Licht angeschaltet werden und beginnt, elektrische Impulse zu produzieren „Bis dahin konnte man Nervenzellen nur durch Mikroelektroden aktivieren. Das Channelrhodopsin-2 macht diese vergleichsweise umständliche Prozedur bei vielen neurobiologischen Fragestellungen insbesondere im lebenden Tier überflüssig“, erklärt Bamberg. „Nun ist es beispielsweise möglich, die Aktivität von Nervenzellen im Gehirn einer Maus mit einem Laserstrahl zu verändern und das daraus resultierende Verhalten auf zellulärer Ebene zu analysieren.“

Fehlt eigentlich nur noch ein Knopf zum Ausschalten. Auch den liefert die Natur quasi frei Haus: Das Bakterium Natronomonas pharaonis, das in den 1980er-Jahren in einem ägyptischen Salzsee entdeckt wurde, kann der hohen Salzkonzentration in seinem Lebensraum nur trotzen, weil es in seinem Inneren noch mehr Salz anreichert.

 
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