Aktuelles: Ein Protein, zwei lichtaktivierbare Zust?nde

Forschende der Universit?t Regensburg (UR) und der Ruhr-Universit?t Bochum haben entdeckt, dass ein lichtempfindlicher Ionenkanal aus der Alge Guillardia theta zwei lichtaktivierbare Zust?nde besitzt. Der neu entdeckte zweite Zustand sorgt dafür, dass der Ionenkanal besonders schnell wieder ge?ffnet werden kann, nachdem er geschlossen war. Das macht ihn interessant für die Optogenetik, ein Verfahren, mit dem Forschende die Aktivit?t von Nervenzellen durch Licht gezielt steuern. Das Team um Dr. Kristin Labudda und Privatdozent Dr. Carsten K?tting vom Lehrstuhl für Biophysik der Ruhr-Universit?t Bochum sowie Prof. Dr. Till Rudack, Professur für Strukturelle Bioinformatik an der UR, berichtet über die Ergebnisse in der Zeitschrift Communications Biology, online (externer Link, ?ffnet neues Fenster)ver?ffentlicht am 8. August 2025.

Optogenetik mit Potenzial in der Therapie

Im Rahmen der Optogenetik werden bestimmte Nervenzellen genetisch so ver?ndert, dass sie lichtempfindliche Proteine aus anderen Organismen herstellen. Anschlie?end l?sst sich die Aktivit?t der modifizierten Nervenzellen über Licht steuern. ?Wird Licht auf diese Proteine gerichtet, ver?ndern sie ihre Struktur und aktivieren oder hemmen so die Zellen“, erkl?rt Till Rudack.

Seit einer Weile experimentieren Forschende mit der Optogenetik auch für die Therapie bestimmter Krankheiten. ?Die Optogenetik ist eine vielversprechende neue Methode, beispielsweise für die Behandlung der Parkinson-Krankheit“, so Carsten K?tting. ?Mit ihr k?nnten sich gesch?digte Nervenzellen im Gehirn wieder aktivieren und motorische F?higkeiten teilweise zurückgewinnen lassen.“ Bis sich das Verfahren m?glicherweise im klinischen Alltag etablieren kann, ist es allerdings noch ein weiter Weg. Daher arbeiten Teams weltweit daran, lichtempfindliche Proteine besser zu verstehen und optimale Kandidaten für die Optogenetik zu identifizieren.

Ein gut untersuchtes Protein ist der Ionenkanal GtACR1 aus der Alge Guillardia theta, ein sogenanntes Kanalrhodopsin, welches der Alge als Lichtsensor dient. Wird GtACR1 durch Lichteinfall aktiviert, so ?ffnet sich die Pore des Kanals und negativ geladene Ionen wie Chlorid str?men hindurch.

Besonders effizienter Ionenkanal

In der aktuellen Studie zeigten die Regensburger und Bochumer Forschenden, warum GtACR1 so effizient ist. Sie untersuchten den Ionenkanal mit der Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie, mit der sich strukturelle Zust?nde von Proteinen erfassen lassen. So wies die Gruppe nach, dass GtACR1 gleich zwei lichtaktivierbare Zust?nde besitzt: den bekannten Grundzustand und zus?tzlich ein Zwischenstadium namens O-Intermediat. Bei Dunkelheit liegt der Grundzustand vor, aus dem bei der ersten Aktivierung des Kanals durch Licht wie auch bei anderen Kanalrhodopsinen der normale Fotozyklus hervorgeht. Im Laufe dieses Zyklus werden verschiedene Zwischenstadien oder sogenannte Intermediate durchlaufen, die sich in ihrer Struktur und Ionenleitf?higkeit unterscheiden. Eines davon ist das O-Intermediat, welches dem Grundzustand mehrere Sekunden vorausgeht. Durch die im O-Intermediat vorliegende Konfiguration des Retinals – dem Baustein, der als direkter Lichtsensor dient, –ist dieses jedoch beim GtACR1 im Gegensatz zu anderen Kanalrhodopsinen lichtaktivierbar.

?Der von uns entdeckte zweite lichtaktivierbare Zustand sorgt dafür, dass der Kanal besonders schnell wieder ge?ffnet werden kann, was seine Ionenleitf?higkeit deutlich erh?ht“, erl?utert Kristin Labudda. Für die Anwendung in der Optogenetik bedeutet die h?here Ionenleitf?higkeit, dass sehr pr?zise auf Reize reagiert werden kann und die Zellen gezielter angesteuert werden k?nnen. Das er?ffnet neue M?glichkeiten für optogenetische Anwendungen. ?Mit unserer Arbeit haben wir zum ersten Mal ein Kanalrhodopsin mit mehreren lichtaktivierbaren Zust?nden entdeckt“, resümiert Carsten K?tting. ?Es sollte m?glich sein, auch bei anderen Kanalrhodopsinen durch Mutationen weitere lichtaktivierbare Zust?nde zu erzeugen und so ihre Wirksamkeit zu erh?hen. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e Erkenntnisse k?nnen den Weg zu noch effizienteren Werkzeugen in der Optogenetik ebnen – mit vielversprechenden Perspektiven für Forschung und Medizin.“