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Fotorezeptoren Lichtempfindliche Proteine als Vorbild für künstliche Fotorezeptoren

Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Leben auf der Erde braucht Licht – viele biologische Prozesse können gezielt mit Licht kontrolliert werden. Im Rahmen der Optogenetik wollen Wissenschaftler nun die zugrunde liegenden Mechanismen näher untersuchen, um dann künstliche Fotorezeptoren zu entwickeln.

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Dreidimensionale Struktur der lichtsensitiven LOV-Domäne von Aureochrome 1a im inaktiven Dunkel- (links) und im aktivierten Lichtzustand (rechts). Belichtung mit blauem Licht verändert die LOV-Domäne, so dass sich zwei Moleküle zusammen lagern können.
Dreidimensionale Struktur der lichtsensitiven LOV-Domäne von Aureochrome 1a im inaktiven Dunkel- (links) und im aktivierten Lichtzustand (rechts). Belichtung mit blauem Licht verändert die LOV-Domäne, so dass sich zwei Moleküle zusammen lagern können.
(Bild: MPI f. medizinsche Forschung/ Heintz)

Heidelberg – Um Sonnenlicht wahrnehmen zu können, verfügen viele Organismen über Fotorezeptoren. Einige Algen besitzen zum Beispiel in ihrer Zellmembran lichtaktivierbare Ionenkanäle, mit deren Hilfe sie sich am Sonnenlicht orientieren können. Die Entdeckung, dass mithilfe dieser lichtaktivierbaren Ionenkanäle die Aktivität von Nervenzellen gesteuert werden kann, war der Startschuss für das Forschungsfeld der Optogenetik. Wissenschaftler können heute mit Fotorezeptoren nicht nur die Aktivität von Nervenzellen gezielt steuern, sondern auch viele andere biologische Vorgänge mithilfe von Licht kontrollieren. Dazu nutzen sie entweder in der Natur vorkommende oder synthetisch erzeugte Fotorezeptoren und bringen diese auf genetischem Wege in Zellen ein.

Licht verändert Proteinstruktur

Fotorezeptoren bestehen aus verschiedenen Bausteinen mit unterschiedlichen Funktionen, sogenannten Domänen. Die Absorption von Licht durch den lichtsensitiven Teil verändert die Struktur des Proteins und reguliert so die biologische Aktivität eines anderen Molekülteils. Wissenschaftler koppeln den Bereich eines Fotorezeptors, der für die Wahrnehmung des Lichts zuständig ist, mit einem Teil eines anderen Proteins, der die gewünschte biologische Funktion besitzt. Diese Kopplung ist allerdings schwierig, da diese so miteinander verbundenen werden müssen, dass das Lichtsignal effektiv an den Bereich mit der gewünschten biologischen Aktivität weitergeleitet werden kann.

Wie arbeitet der Fotorezeptor Aurechrom 1a?

Nur wenn im Detail bekannt ist, wie ein Fotorezeptor auf Licht reagiert, können Forscher gezielt neue lichtempfindliche Moleküle für die Optogenetik konstruieren. Udo Heintz und Ilme Schlichting vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg haben deshalb den Fotorezeptor Aurechrom 1a erforscht. Er kommt natürlicherweise in der einzelligen Kieselalge Phaeodactylum tricornutum vor und bindet an die DNA im Zellkern. Blaues Licht aktiviert den lichtsensitiven Bereich des Rezeptors, die sogenannte LOV-Domäne, und beeinflusst dessen Bindung an DNA.

Schwierigkeit: Prozesse laufen extrem schnell ab

Heintz und Schlichting haben die dreidimensionale Struktur der LOV-Domäne im inaktiven und im lichtaktivierten Zustand aufgeklärt und untersucht, wie sich die Veränderungen auf die Bindung an DNA auswirken. „Solche Studien an lichtaktivierten Fotorezeptoren sind besonders schwierig, da die meisten Rezeptoren nach ihrer Aktivierung schnell wieder in ihren inaktiven Zustand übergehen“, erklärt Heintz.

Die beiden Forscher haben herausgefunden, dass die LOV-Domäne im inaktiven Zustand – also ohne Beleuchtung – direkt mit dem DNA-Bindebereich des Proteins interagiert, um die Bindung an DNA zu verhindern. Sobald der Fotorezeptor durch Licht aktiviert wird, gibt die LOV-Domäne den DNA-Bindebereich frei und lagert sich an die LOV-Domäne eines anderen Moleküls an. Auf diese Weise kann der Fotorezeptor lichtabhängig an einen spezifischen DNA-Abschnitt binden.

Originalpublikation: Udo Heintz, Ilme Schlichting, Blue light-induced LOV domain dimerization enhances the affinity of Aureochrome 1a for its target DNA sequence, eLife 2016;5:e11860

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