Lichtschalter für Ionenkanäle
Neues optogenetisches Werkzeug kann Nervenzellen ausschalten.
Optogenetik ist ein modernes Verfahren, das es Wissenschaftlern ermöglicht, in neuronalen Schnitten oder in lebenden Organismen wie Drosophila, Zebrafisch oder Mäusen gezielt ausgewählte Zellen mit Licht zu aktivieren und ihre Rolle im Zellverbund zu untersuchen. Dazu benutzen sie lichtaktivierte Ionenkanäle aus Mikroorganismen, wie zum Beispiel Bakterien oder Algen, und schleusen diese gentechnisch in so genannte Wirtszellen anderer Lebewesen ein, um diese dann mit Licht stimulieren zu können.
Abb.: Strukturmodell der untersuchten Moleküle (Bild: J. Wietek et al.)
Biophysikern der Humboldt-Universität zusammen mit Wissenschaftlern des KIT in Karlsruhe und des Zentrums für Molekulare Neurobiologie in Hamburg ist es nun gelungen, ein weiteres optogenetisches Werkzeug zu entwickeln, das Nervenzellen nicht aktiviert, sondern sie stilllegt. Es dient ebenfalls dazu, die Funktionsweise von Zellen – beispielsweise im Gehirn – zu untersuchen. Diese neuen Ionenkanäle, die in der Lage sind, Chlorid zu leiten, nennen die Wissenschaftler ChloC.
„Wir haben lichtaktivierte Ionenkanäle, die sogenannten Kanalrhodopsine aus Mikroalgen, die wir seit 2005 in Berlin untersuchen, gentechnisch verändert“, berichtet Jonas Wietek. Nun ist es möglich, nicht nur positive Ladungen durch die Kanalrhodopsine zu transportieren, sondern auch negative Ladungen. Die Wissenschaftler haben dafür den Selektivitätsfilter der Kanalrhodopsine identifiziert und diesen so modifiziert, dass selektiv negative geladene Chloridionen geleitet werden können. „Man konnte zwar auch bisher Nervenzellen gezielt stilllegen, beispielsweise durch lichtaktivierte Protonenpumpen, aber eines der von uns entwickelten Kanalrhodopsine benötigt dafür circa 10.000 Mal weniger Licht als die bisher dafür genutzten Proteine“, erklärt Wietek. „Die Vorteile der neuen Methode liegen vor allem darin, dass man Nervenzellen oder Netzwerke auch über längere Zeiträume untersuchen kann, ohne sie zu schädigen, wie es zuvor durch den Einsatz der Protonenpumpen und deren Aktivierung mit Laser-Licht der Fall war.“
Welche therapeutischen Ansätze bietet die Optogenetik? Die Methode wird beispielsweise eingesetzt, um Behandlungsmethoden für Morbus Parkinson zu erforschen. Wissenschaftler versuchen im Tiermodell, im Zentralhirn, dem Hippocampus, kleine Lichtleiter hineinzulegen, um so die Zellen zu aktivieren. Ein weiterer Ansatz ist die so genannte Retinalprosthetik. Dabei versucht man, in Sekundärzellen der Retina im Auge lichtaktivierte Proteine einzubauen, um Augen die Sehfähigkeit wieder zu geben. Auch Therapien für Schizophrenie, Depressionen, Epilepsie oder Drogenabhängigkeit lassen sich mittels der Optogenetik erforschen.
HU Berlin / DE
