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Lichtaktivierbare Proteine gezielt herstellen

Kettenwechsel bei Proteinen für bessere Steuerung

| Autor / Redakteur: Dr. Julia Weiler* / Christian Lüttmann

Raziye Karapinar (links) und Stefan Herlitze untersuchen eine neue Methode, um gezielt optogenetische Werkeuge zu synthetisieren.
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Raziye Karapinar (links) und Stefan Herlitze untersuchen eine neue Methode, um gezielt optogenetische Werkeuge zu synthetisieren. (Bild: RUB, Kramer)

Manche Proteine lassen sich mit Licht an- und ausschalten. Dies macht sie als so genannte optogenetische Werkzeuge für biochemische Prozesse interessant. Doch die Synthese solcher Werkzeuge gelingt bislang eher durch Zufall. Eine neue Methode soll nun zu gezielten Ergebnissen führen. Dabei testen Forscher der Ruhr-Universität Bochum zunächst Proteine in Modellrechnungen und erfahren so, welche Kettenteile des Proteins sie am besten auswechseln sollten.

Bochum – Eine neue Strategie für das Design lichtsensitiver Proteine haben Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) entwickelt. Solche Proteine, auch optogenetische Werkzeuge genannt, können durch Lichtimpulse an- und ausgeschaltet werden, wodurch sie gezielt zelluläre Prozesse auslösen. Mit ihrer Hilfe lässt sich beispielsweise in lebenden Organismen untersuchen und steuern, wie Nervenzellen Signale weiterleiten. Bislang mussten Forscher bei der Entwicklung optogenetischer Werkzeuge viel nach dem Versuch-und-Irrtum-Prozess vorgehen. Eine Kombination aus computergestützten und experimentellen Verfahren ermöglicht nun eine gezieltere Herangehensweise.

Proteine mit Licht an- und ausschalten

Ein Beispiel für ein optogenetisches Werkzeug ist das Protein Melanopsin. Es lässt sich durch zwei unterschiedlich farbige Lichtsignale an- und ausschalten. „Häufig wird mehr als nur ein optogenetisches Werkzeug benötigt, etwa wenn zwei verschiedene Prozesse in einer Zelle unabhängig voneinander gesteuert werden sollen“, erklärt Raziye Karapinar vom Lehrstuhl für Allgemeine Zoologie und Neurobiologie. „Daher müssen wir gewährleisten, dass sich die Farbsignale für die zwei Werkzeuge nicht überlagern“, ergänzt der Bochumer Biophysiker Dr. Till Rudack.

Das Forscherteam der RUB hat eine Hybridstrategie zum gezielten Protein-Engineering von Melanopsin und anderen optogenetischen Werkzeugen entwickelt: Die Wissenschaftler kombinierten computergestützte Berechnungsverfahren mit elektrophysiologischen Messungen.

Leuchtende Vorhersage per Computersimulation

Mit quantenchemischen Computersimulationen berechneten sie die spezifische Lichtfarbe, die für die Aktivierung eines Proteins notwendig ist. So konnten sie auch bestimmen, wie einzelne Proteinbausteine oder der Austausch einzelner Proteinbausteine die Lichtfarbe beeinflussen.

Die Computersimulation erzeugte eine Liste von Proteinvarianten, die als optogenetische Werkzeuge infrage kommen. Die vielversprechenden Kandidaten überprüften die Forscher anschließend mit elektrophysiologischen Messungen auf ihr optogenetisches Potenzial. Dies beinhaltet die Lichtsensitivität, also wie viel Licht benötigt wird, um das Protein an- oder auszuschalten, sowie die Geschwindigkeit und Selektivität, mit der Mechanismen nach Betätigen des Schalters ausgeführt oder beendet werden. Ein gutes optogenetisches Werkzeug kann mit geringer Lichtintensität möglichst schnell geschaltet werden.

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Modell und Experiment stimmen gut überein

Anhand des gut untersuchten optogenetischen Werkzeugs Channelrhodpsin-2 validierte das Team die neue Hybridstrategie. Für das Protein hatten die Wissenschaftler mit dem Computer simuliert, wie sich der Austausch von Proteinbausteinen auf die aktivierende Lichtfarbe auswirken würde. Die Vorhersagen deckten sich mit den experimentell gemessenen Werten. „Diese Übereinstimmung zeigt, wie zuverlässig unsere Strategie ist, und erlaubt die Anwendung auch für Proteine, über die nur wenig bekannt ist, wie Melanopsin “, sagt der RUB-Biophysiker Dr. Stefan Tennigkeit.

Neu designte Protein-Variante

Mit der entwickelten Strategie tauschte die Gruppe gezielt Proteinbausteine in Melanopsin aus und manipulierte so die Lichtfarbe zur Aktivierung des Moleküls, ohne die Proteinfunktion zu beeinträchtigen. Dabei überlappt die neue Lichtfarbe nicht mehr mit der von vielen anderen optogenetischen Werkzeugen – wie es bei der Aktivierung der normalen Version des Melanopsins der Fall ist. „Ich bin überzeugt, dass diese neue Melanopsin-Variante zukünftig mit anderen optogenetischen Werkzeugen kombiniert werden kann, um komplexe zelluläre Prozesse zu steuern“, sagt Prof. Dr. Stefan Herlitze vom Lehrstuhl für Allgemeine Zoologie und Neurobiologie der RUB.

„Gegenüber klassischen Verfahren des Protein-Engineerings wie Versuch-und-Irrtum besteht der Clou unserer Methode darin, dass wir durch automatische computergestützte Vorhersagen, die sich parallel auf mehreren Computerclustern zeitgleich berechnen lassen, eine enorme Zeitersparnis erzielen“, fasst Prof. Dr. Klaus Gerwert vom Lehrstuhl für Biophysik zusammen.

Originalpublikation: Stefan Alexander Tennigkeit, Raziye Karapinar, Till Rudack et al.: Design of an ultrafast G protein switch based on a mouse melanopsin variant, ChemBioChem, 2019; DOI: 10.1002/cbic.201900110

* Dr. J. Weiler, Ruhr-Universität Bochum, 44801 Bochum

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