Optogenetik: Lichtaktivierbare Proteine verstehen und verbessern

Für die Optogenetik werden häufig Kanalrhodopsine verwendet. Ein universeller Funktionsmechanismus dieser Proteine entscheidet über ihre Effizienz als Kanal und als optogenetisches Werkzeug.

Proteine, die sich mit Licht steuern lassen, sind mittlerweile ein viel genutztes Werkzeug in der Forschung, um bestimmte Funktionen in lebenden Organismen gezielt an- und auszuschalten. Für die als Optogenetik bezeichnete Technik werden häufig Kanalrhodopsine verwendet: Diese Proteine öffnen bei Lichteinwirkung eine Pore in der Zellmembran, durch die Ionen einströmen können; so lassen sich Nervenzellen aktivieren.

Ein Team vom Zentrum für Proteindiagnostik (PRODI) der Ruhr-Universität Bochum entdeckte nun mittels Spektroskopie einen universellen Funktionsmechanismus der Kanalrhodopsine, der über ihre Effizienz als Kanal und somit als optogenetisches Werkzeug entscheidet. Die Forscherenden um Prof. Klaus Gerwert beschreiben die Ergebnisse in der Zeitschrift Communications Biology vom 14. Mai 2021. Sie gehen davon aus, dass die Erkenntnisse künftig helfen werden, effizientere optogenetische Werkzeuge maßzuschneidern.

Eigenschaften natürlicher Proteine nicht optimal für Optogenetik

„Das Einbringen von lichtempfindlichen Proteinen in Organismen zur gezielten Steuerung bestimmter Funktionen von außen bietet ein enormes Potenzial für die neurowissenschaftliche Forschung und deren therapeutische Anwendung“, sagt Gerwert. „Leider sind die Eigenschaften dieser natürlicherweise zum Beispiel in Grünalgen vorkommenden Proteine nicht immer optimal für die jeweilige optogenetische Anwendung.“

Daher müssen die Eigenschaften der Proteine angepasst werden, indem ihre Gensequenzen verändert werden. Aktuell erfolgt dies nach dem Trial-and-Error-Prinzip. „Um die Proteine für ihre möglichen Anwendungen gezielt zu optimieren, ist ein tiefgehendes Verständnis molekularer Reaktionen und der daraus resultierenden Ionenleitung notwendig“, erläutert Gerwert.

„Das nötige strukturdynamische Verständnis von Proteinmechanismen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung erhalten wir durch die Kombination von zeitaufgelöster Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie und biomolekularen Simulationen“, erklärt PRODI-Forscher Dr. Till Rudack.

Molekulare Mechanismen entscheiden über die Effizienz

Mit diesen Methoden hatte Gerwert mit seinem Team kürzlich den Mechanismus entdeckt, der bei dem optogenetisch viel genutzten Protein Channelrhodopsin 2 dafür verantwortlich ist, dass der Kanal mit der Zeit an Effizienz verliert. Zuvor waren Forschende davon ausgegangen, dass durch Lichtanregung eine bestimmte Strukturveränderung in dem Protein angeregt wird. Die Gruppe stellte jedoch fest, dass Lichteinfall zu zwei verschiedenen Strukturänderungen führen kann: Eine ist die gewünschte Kanalöffnung, die für die Optogenetik nützlich ist. Die zweite liefert nur einen schwachen Ionenstrom, gewinnt aber bei längerer Belichtung die Oberhand und unterdrückt die Kanalöffnung – ein Nachteil für die Optogenetik.

In der aktuellen Arbeit untersuchten die WissenschaftlerInnen mittels zeitaufgelöster Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie und biomolekularen Simulationen ein anderes Kanalrhodopsin, Anion-Channelrhodopsin-1 genannt. „Dieser Kanal weist kaum Effizienzverlust bei längerer Belichtung auf und besitzt auch keinen zweiten parallelen Weg der Strukturveränderung“, berichtet Dr. Max-Aylmer Dreier, Erstautor der Arbeit.

„Somit ist nachgewiesen, dass die Aufspaltung in zwei parallele Wege zu ineffizienten Kanälen führt. Bei effizienten Kanälen scheint es hingegen keinen zweiten parallelen Weg zu geben“, schlussfolgert Gerwert. „Die Einblicke in die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen der Kanaleffizienz werden wir in Zukunft nutzen, um durch gezieltes Proteindesign den ineffizienten zweiten Weg zu blockieren und so verbesserte optogenetische Werkzeuge zu entwerfen“, gibt Rudack einen Ausblick.

Förderung: Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte die Arbeiten im Rahmen des Projekts „Molecular mechanisms of cation and anion-conducting channelrhodopsins“ (GE 599/23-1) und des Schwerpunktprogramms SPP1926 (Förderkennzeichen GE 599/19-2 und GE 599/19-1). Weitere Unterstützung kam vom NRW-Ministerium für Kultur und Wissenschaft (Grant 111.08.03.05-133974) und vormals im Rahmen der Protein Research Unit Ruhr within Europe (PURE), die vom NRW-Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung gefördert wurde.

Originalpublikation:
Dreier M-A et al. Time-resolved spectroscopic and electrophysiological data reveal insights in the gating mechanism of anion channelrhodopsin. Communications Biology 2021.