Licht als Ausschalter der elektrischen Zellaktivität

Neues optogentisches Werkzeug entwickelt

  • Die Entwickung eines neues optogenetischen Wekzeuges ermöglicht das gezielte Abschalten von Zellen. Durch Photonen wird das Membranpotential in Richtung des natürlichen Ruhemembranpotential verschoben. Bild: Steve Cukrov/Fotolia.Die Entwickung eines neues optogenetischen Wekzeuges ermöglicht das gezielte Abschalten von Zellen. Durch Photonen wird das Membranpotential in Richtung des natürlichen Ruhemembranpotential verschoben. Bild: Steve Cukrov/Fotolia.

Das neue Werkzeug erlaubt auch die Entwicklung neuartige Behandlungskonzepte, da die Untersuchung fehlgeleiteter elektrischer Prozesse, zum Beispiel nach einem Herzinfarkt möglich sind. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler planen darüber hinaus weitere Anwendungen zur Untersuchung neuronaler Netzwerke.

Optogenetische Methoden erlauben die gezielte Beeinflussung biologischer Prozesse in einzelnen Zellen mit Licht. Dadurch kann das Verhalten von Zellen, Zellverbünden, Organen oder sogar von ganzen Organismen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung gesteuert werden. Für die Grundlagenforschung ist die Optogenetik von großer Bedeutung, da sie erlaubt, zelltyp-spezifische Aufgaben im intakten Gewebe zu untersuchen.

Die Zellaktivität gezielt ausschalten

Zur Erforschung der elektrischen Steuerung komplexer Zellverbände werden z.B. lichtempfindliche Ionenkanäle zum „Anschalten“ elektrisch erregbarer Zellen mittels Licht verwendet. Nützlich sind gleichermaßen optogenetische Werkzeuge zum „Ausschalten“ der elektrischen Zellaktivität. Allerdings waren die bisher dafür etablierten Proteine entweder nicht ausreichend effektiv oder hatten ungewollte Nebeneffekte. 

Dr. Yinth Andrea Bernal Sierra von der Humboldt-Universität zu Berlin und Dr. Benjamin Rost von der Charité haben zusammen mit weiteren Kollegen aus Berlin, Bonn, Freiburg und Martinsried nun ein neues optogenetisches Werkzeug zur Hemmung erregbarer Zellen mit Licht entwickelt. Dieses Zwei-Komponenten-System basiert auf der gleichzeitigen Expression eines photoaktivierten Enzyms (PAC) und eines bakteriellen Kalium-Kanals (K).Wenn PAC und K gemeinsam vorliegen (PACK), genügt eine Belichtung mit einem kurzen Blaulichtblitz, um die Aktivität von Herzmuskelzellen und Nervenzellen für mehrere Sekunden zu unterdrücken. Durch PACK-Aktivierung können auch Bewegungsabläufe in Zebrafischen durch Licht angehalten werden. 

Wenige Photonen sind ausreichend

Das Besondere an dem neuen optogenetischen System ist – neben der Funktion als ‚Aus‘-Schalter – seine ausgesprochen hohe Lichtempfindlichkeit. Nach der Aktivierung des PACK- Systems durch wenige Photonen (Lichtquanten) wird das Membranpotenzial durch Kalium-Ionen vermittelte Ströme in Richtung des natürlichen Ruhemembranpotentials der Zelle verschoben.

Diese Art des Ausschaltens ist energetisch sinnvoll und reduziert ungewollte Nebeneffekte durch weniger natürliche Ionenströme, die mit den bisherigen optogenetischen Proben unvermeidbar waren.

Originalveröffentlichung:

Yinth Andrea Bernal Sierra, Benjamin R. Rost, Martin Pofahl, António Miguel Fernandes, Ramona A. Kopton, Sylvain Moser, Dominik Holtkamp, Nicola Masala, Prateep Beed, John J. Tukker, Silvia Oldani, Wolfgang Bönigk, Peter Kohl, Herwig Baier, Franziska Schneider-Warme, Peter Hegemann, Heinz Beck, Reinhard Seifert, Dietmar Schmitz: Potassium channel-based optogenetic silencing, Nature Communications (2018); DOI: [10.1038/s41467-018-07038-8].

Weitere Informationen:

Humboldt-Universität zu Berlin

 

 

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