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    Optogenetik: Licht reguliert ein Enzym

    30.03.2021

    Neues Werkzeug für die Zellbiologie: Ein Würzburger Forschungsteam hat einen Lichtsensor mit Enzymfunktion entwickelt, die sich mit unterschiedlichen Lichtfarben an- und abschalten lässt.

    Violettes Licht stößt im Lichtsensor-Protein switch-Cyclop eine Signalkette an, blaues oder grünes Licht stoppt die Kette. Am Ende wird die Produktion des Signalmoleküls cGMP über das Enzym Guanylyl-Cyclase (GC) reguliert.
    Violettes Licht stößt im Lichtsensor-Protein switch-Cyclop eine Signalkette an, blaues oder grünes Licht stoppt die Kette. Am Ende wird die Produktion des Signalmoleküls cGMP über das Enzym Guanylyl-Cyclase (GC) reguliert. (Bild: Shiqiang Gao / Universität Würzburg)

    Die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii hat der Forschung schon einmal einen wuchtigen Impuls gegeben: Einer ihrer Lichtsensoren, das Channelrhodopsin-2, begründete vor rund 20 Jahren den Erfolg der Optogenetik.

    Bei dieser Technologie wird der Lichtsensor der Alge in Zellen oder kleine Lebewesen wie Fadenwürmer eingebaut. Danach lassen sich bestimmte physiologische Prozesse durch Licht anstoßen oder beenden. Das hat schon etliche neue wissenschaftliche Erkenntnisse gebracht, zum Beispiel zur Funktion von Nervenzellen.

    Jetzt setzt die Grünalge Chlamydomonas wieder einen Akzent. Erneut sind es ihre Lichtsensoren, die Rhodopsine, die den Werkzeugkasten der Zellbiologie um ein Instrument erweitern.

    Lichtsensor produziert den Botenstoff cGMP

    Aus zwei Rhodopsinen der Alge haben die Forscher Yuehui Tian, Georg Nagel und Shiqiang Gao von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg einen neuartigen Lichtsensor konstruiert. Er besitzt enzymatische Aktivität und kann durch zwei unterschiedliche Lichtfarben geschaltet werden. UV-Licht oder violettes Licht führt zur Produktion von cGMP, einem wichtigen Signalmolekül in der Zelle. Ein blauer oder grüner Lichtblitz dagegen stoppt die Produktion des Signalmoleküls.

    Im Journal BMC Biology stellen die Forscher den neuen Lichtsensor vor. Sie haben ihm den Namen switch-Cyclop gegeben.

    Weitere Rhodopsine der Algen im Blick

    Nagels Arbeitsgruppe forscht im Physiologischen Institut der JMU weiterhin daran, die Eigenschaften der verschiedenen Rhodopsine aus Chlamydomonas zu charakterisieren. Das Team des Professors kooperiert dabei eng mit Neurowissenschaftlerinnen und Neurowissenschaftlern. Ziel ist es, die Anwendungsmöglichkeiten der Lichtsensoren auszuloten.

    Team und Förderer

    Georg Nagel gehört zu den Pionieren der Optogenetik. Für seine Forschung auf diesem Gebiet wurde er mehrfach hochrangig ausgezeichnet. Dr. Yuehui Tian promovierte bei Nagel; er forscht seit Ende 2020 in China an der Sun Yat-sen University, Guangzhou. Dr. Shiqiang Gao promovierte ebenfalls bei Nagel, mit dem er schon seit über zehn Jahren an der JMU forscht.

    Die hier beschriebenen Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert, außerdem aus dem Prix Louis Jeantet (2013). Stipendien des Deutschen Akademischen Austauschdienstes DAAD und des China Scholarship Council CSC gingen an Yuehui Tian.

    Publikation

    An engineered membrane-bound guanylyl cyclase with light-switchable activity, Yuehui Tian, Georg Nagel, Shiqiang Gao, BMC Biology, 29. März 2021, DOI: 10.1186/s12915-021-00978-6

    https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-021-00978-6

    Kontakt

    Prof. Dr. Georg Nagel, Physiologisches Institut – Abteilung Neurophysiologie, Universität Würzburg, T +49 931 318 6143, nagel@uni-wuerzburg.de, oder Dr. Shiqiang Gao, gao.shiqiang@uni-wuerzburg.de

    Von Robert Emmerich

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