Optogenetische Methoden erlauben die gezielte Beeinflussung biologischer Prozesse in einzelnen Zellen mit Licht. Dadurch kann das Verhalten von Zellen, Zellverbünden, Organen oder sogar von ganzen Organismen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung gesteuert werden. Für die Grundlagenforschung ist die Optogenetik von großer Bedeutung, da sie erlaubt, Zelltyp-spezifische Aufgaben im intakten Gewebe zu untersuchen. Das neue Werkzeug erlaubt darüberhinaus auch die Entwicklung neuartige Behandlungs­konzepte, da die Untersuchung fehlgeleiteter elektrischer Prozesse, zum Beispiel nach einem Herzinfarkt möglich ist. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler planen außderdem weitere Anwendungen zur Untersuchung neuronaler Netzwerke.

Zur Erforschung der elektrischen Steuerung komplexer Zellverbände werden zum Beispiel lichtempfindliche Ionenkanäle zum „Anschalten“ elektrisch erregbarer Zellen mittels Licht verwendet. Nützlich sind gleichermaßen optogenetische Werkzeuge zum „Ausschalten“ der elektrischen Zellaktivität. Allerdings waren die bisher dafür etablierten Proteine entweder nicht ausreichend effektiv oder hatten ungewollte Nebeneffekte.

Dr. Yinth Andrea Bernal Sierra von der Humboldt-Universität zu Berlin und Dr. Benjamin Rost von der Charité haben zusammen mit weiteren Kollegen aus Berlin, Bonn, Freiburg und Martinsried nun ein neues optogenetisches Werkzeug zur Hemmung erregbarer Zellen mit Licht entwickelt. Dieses Zwei-Komponenten-System basiert auf der gleichzeitigen Expression eines photoaktivierten Enzyms (PAC) und eines bakteriellen Kalium-Kanals (K). Wenn PAC und K gemeinsam vorliegen (PACK), genügt eine Belichtung mit einem kurzen Blaulichtblitz, um die Aktivität von Herzmuskelzellen und Nervenzellen für mehrere Sekunden zu unterdrücken. Durch PACK-Aktivierung können auch Bewegungsabläufe in Zebrafischen durch Licht angehalten werden.

Das Besondere an dem neuen optogenetischen System ist – neben der Funktion als Ausschalter – seine ausgesprochen hohe Lichtempfindlichkeit. Nach der Aktivierung des PACK- Systems durch wenige Photonen (Lichtquanten) wird das Membranpotenzial durch Kalium-Ionen vermittelte Ströme in Richtung des natürlichen Ruhemembranpotentials der Zelle verschoben. Diese Art des Ausschaltens ist energetisch sinnvoll und reduziert ungewollte Nebeneffekte durch weniger natürliche Ionenströme, die mit den bisherigen optogenetischen Proben unvermeidbar waren.

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Dr. Yinth-Andrea Bernal-Sierra
Institut für Biologie, Experimentelle Biophysik
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