Wie aus Licht Information wird

Phytochrome sind Proteine, die für den Umwandlungs­prozess von Licht in zell­innere Informationen verantwortlich sind. Diese Photo­rezeptoren kommen in Pflanzen, Pilzen sowie Bakterien vor und nutzen Licht, um grund­legende physiologische Prozesse zu regulieren. Phyto­chrome beherbergen ein licht­empfindliches Molekül, den Chromo­phor. Wird dieser mit einer fest definierten Wellen­länge bestrahlt, formt er sich um. Dies wird von dem umgebenden Protein erkannt und weiter um­gesetzt. Im Zuge einer Aktivierung und De­aktivierung mit Licht durch­läuft das Phyto­chrom dann eine komplexe strukturelle Umwandlung.

Forscher vom Institut für Medizinische Physik und Bio­physik der Charité haben nun zur Auf­klärung dieser strukturellen Um­wandlung bei­getragen: Mit­hilfe der Röntgen­struktur­analyse bestimmten sie die 3D-Struktur eines Phyto­chroms im dunklen Zustand und verglichen sie mit der im belichteten Zustand. Dafür über­führten sie das Protein zunächst in eine kristalline Form und bestrahlten es anschließend mit Röntgen­strahlen. Auf diese Weise konnten sie die Atom­lagen des Phyto­chroms mit der Protein­struktur­analyse berechnen.

Die Ergebnisse zeigen, welche Rolle einzelne Amino­säuren bei der An- und Ab­schaltung der Proteine mit Licht spielen. „Unsere Erkenntnisse liefern grund­legende Strukturdaten, die zu einem besseren Verständnis von der Signal­über­tragung aus der Umwelt in einen Organismus beitragen. Dieses Wissen ist unter anderem wichtig, um Photo­rezeptoren in Zukunft für verschiedene medizinische Anwendungen nutzen zu können“, erklärt Patrick Scheerer, Leiter der Studie.

Beispielsweise könnten Photo­rezeptoren in der Onkologie für die Visualisierung von Tumor­gewebe ein­gesetzt werden. Grund­lage dafür ist ihre Eigen­schaft, Rot- bis Infra­rot­licht aufzunehmen und wieder abzugeben. Infra­rot­licht kann in tiefere Schichten des menschlichen Gewebes ein­dringen, so dass sich auch tiefer liegende Zellen nicht­invasiv und ohne Neben­wirkungen mit Phyto­chromen sicht­bar machen ließen.

Zusätzlich könnten sich Photo­rezeptoren als licht­gesteuertes Werkzeug eignen, um genetisch bedingte Krank­heiten auf molekularer Ebene therapieren zu können. Um diesen Anwendungen ein Stück näher zu kommen, möchte das Team um Scheerer mit den nächsten Forschungs­arbeiten die zusätzlich vorhandenen Fluoreszenz­eigenschaften von Phyto­chromen noch besser verstehen sowie weitere Details der Umwandlungs­prozesse von Phyto­chromen untersuchen.

Charité / DE