Optogenetische Werkzeuge: Lichtaktivierbare Proteine gezielt herstellen

Eine neue Strategie für das Design lichtsensitiver Proteine haben Forscherinnen und Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) entwickelt.

Lichtsensitive Proteine, auch optogenetische Werkzeuge genannt, können durch Lichtimpulse an- und ausgeschaltet werden, wodurch sie gezielt zelluläre Prozesse auslösen. Mit ihrer Hilfe lässt sich beispielsweise in lebenden Organismen untersuchen und steuern, wie Nervenzellen Signale weiterleiten. Bislang mussten Forscher bei der Entwicklung optogenetischer Werkzeuge viel nach dem Versuch-und-Irrtum-Prozess vorgehen. Eine Kombination aus computergestützten und experimentellen Verfahren ermöglicht nun eine gezieltere Herangehensweise.
Das Team um Prof. Stefan Herlitze, Lehrstuhl für Allgemeine Zoologie und Neurobiologie der RUB, und Prof. Klaus Gerwert, Lehrstuhl für Biophysik der RUB, berichtet zusammen mit einem Kollegen aus Münster über das Verfahren in der Zeitschrift „Chembiochem“.

Proteine mit Licht an- und ausschalten
Ein Beispiel für ein optogenetisches Werkzeug ist das Protein Melanopsin. Es lässt sich durch zwei unterschiedlich farbige Lichtsignale an- und ausschalten. „Häufig wird mehr als nur ein optogenetisches Werkzeug benötigt, etwa wenn zwei verschiedene Prozesse in einer Zelle unabhängig voneinander gesteuert werden sollen“, erklärt Raziye Karapinar vom Lehrstuhl für Allgemeine Zoologie und Neurobiologie. „Daher müssen wir gewährleisten, dass sich die Farbsignale für die zwei Werkzeuge nicht überlagern“, ergänzt der Bochumer Biophysiker Dr. Till Rudack.
Das Forscherteam um Gerwert und Herlitze hat eine Hybridstrategie zum gezielten Protein-Engineering von Melanopsin und anderen optogenetischen Werkzeugen entwickelt. Die Wissenschaftler kombinierten computergestützte Berechnungsverfahren mit elektrophysiologischen Messungen.

Computersimulation bestimmt aktivierende Lichtfarbe
Mit quantenchemischen Computersimulationen berechneten sie die spezifische Lichtfarbe, die für die Aktivierung eines Proteins notwendig ist. So konnten sie auch bestimmen, wie einzelne Proteinbausteine oder der Austausch einzelner Proteinbausteine die Lichtfarbe beeinflussen. Die Computersimulation erzeugte eine Liste von Proteinvarianten, die als optogenetische Werkzeuge infrage kommen. Die vielversprechenden Kandidaten überprüften die Forscher anschließend mit elektrophysiologischen Messungen auf ihr optogenetisches Potenzial. Dies beinhaltet die Lichtsensitivität, also wie viel Licht benötigt wird, um das Protein an- oder auszuschalten, sowie die Geschwindigkeit und Selektivität, mit der Mechanismen nach Betätigen des Schalters ausgeführt oder beendet werden. Ein gutes optogenetisches Werkzeug kann mit geringer Lichtintensität möglichst schnell geschaltet werden.

Validierung mit gut untersuchtem optogenetischen Werkzeug
Anhand des gut untersuchten optogenetischen Werkzeuges Channelrhodpsin-2 validierte das Team die neue Hybridstrategie. Für das Protein hatten die Wissenschaftler mit dem Computer simuliert, wie sich der Austausch von Proteinbausteinen auf die aktivierende Lichtfarbe auswirken würde. Die Vorhersagen deckten sich mit den experimentell gemessenen Werten. „Diese Übereinstimmung zeigt, wie zuverlässig unsere Strategie ist, und erlaubt die Anwendung auch für Proteine, über die nur wenig bekannt ist, wie Melanopsin “, so Biophysiker Dr. Stefan Tennigkeit.

Neue Melanopsin-Varianten
Mit der entwickelten Strategie tauschte die Gruppe gezielt Proteinbausteine in Melanopsin aus und manipulierte so die Lichtfarbe zur Aktivierung des Moleküls, ohne die Proteinfunktion zu beeinträchtigen. Die Lichtfarbe, bei der die normale Version des Melanopsins aktiviert wird, überlappt mit der von vielen anderen optogenetischen Werkzeugen, sodass diese nicht kombiniert werden können. „Ich bin überzeugt, dass diese neue Melanopsin-Variante zukünftig mit anderen optogenetischen Werkzeugen kombiniert werden kann, um komplexe zelluläre Prozesse zu steuern“, sagt Herlitze.
„Gegenüber klassischen Verfahren des Protein-Engineerings wie Versuch-und-Irrtum besteht der Clou unserer Methode darin, dass wir durch automatische computergestützte Vorhersagen, die sich parallel auf mehreren Computerclustern zeitgleich berechnen lassen, eine enorme Zeitersparnis erzielen“, fasst Gerwert zusammen.

Originalpublikation:
Stefan Alexander Tennigkeit, Raziye Karapinar, Till Rudack et al. Design of an ultrafast G protein switch based on a mouse melanopsin variant. ChemBioChem 2019. DOI: 10.1002/cbic.201900110

Förderung:
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützte nach Angaben der RUB die Arbeiten finanziell im Rahmen der Projekte mit den Fördernummern He2471/23-1, He2471/21-1 und He2471/19-1, im Schwerpunktprogramm SPP1926 sowie im Rahmen der Sonderforschungsbereiche 874 (Projektnummer 122679504) und 1280 (Projektnummer 316803389). Weitere Förderung kam von der Deutschen Studienstiftung und der Friedrich-Ebert-Stiftung.

Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB)