HELMHOLTZ Extrem

Der empfindlichste Lichtschalter

Mithilfe optogenetischer Methoden haben Wissenschaftler der Goethe-Universität die Funktionsweise der Gene und Proteine erforscht, die am Schmerzempfinden bei Fadenwürmern beteiligt sind. Durch Lichtreize konnten sie die Fluchtreaktion des Wurms stimulieren. Das Bild zeigt einen Fadenwurm (<i>C. elegans</i>), dessen Nozizeptor Neuron PVD zwei fluoreszierende Proteine exprimiert: GFP (grün) und Kanalrhodopsin 2(ChR2)::mCherry (rot). Bild: Alexander Gottschalk

Ein Protein aus Grünalgen soll die Gehirnforschung revolutionieren? Vor wenigen Jahren war das für die meisten Forscher noch eine abwegige Vorstellung.

Die Grünalge nutzt ein lichtempfindliches Protein - das Kanalrhodopsin - um sich nach dem Sonnenlicht auszurichten. Kanalrhodopsine sind Ionenkanäle, also Poren in der Zellmembran, die positiv oder negativ geladene Ionen in die Zelle lassen. Bei Bestrahlung mit Licht öffnen sich diese Kanäle, Ionen wandern durch die Zellmembran und ändern somit die elektrische Ladung der Zelle. Dadurch wird die Zelle entweder aktiviert und bewegt sich oder aber sie wird gehemmt und verstummt.

Von den Lichtrezeptoren einzelliger Algen zur lichtgesteuerten Maus

Das Ziel der Forscher: Mittels der Kanalrhodopsine auch Zellen im Gehirn anderer Lebewesen zu steuern. Und tatsächlich gelingt es Biologen, die Baupläne für Kanalrhodopsine und andere „Lichtschalter“-Proteine in tierische Nervenzellen zu schleusen und dort in die Zellmembran einzubauen. Werden die Nervenzellen beleuchtet, aktiviert das Licht die Kanäle und die Zellen beginnen zu feuern, also Nervenimpulse weiterzuleiten. Da sich verschiedene Schalterproteine gezielt in unterschiedliche Arten von Neuronen einbauen lassen und außerdem auf verschiedene Farben des Lichts reagieren, können Neurowissenschaftler die Nervenzellen eines Lebewesens auf vielfältige Art steuern:
Bei der so genannten Parkinson-Maus sind die für Bewegungen zuständige Neuronen geschädigt, sie rührt sich kaum. Über Glasfasern kann Laserlicht in ihren Schädel geschickt werden. Schalten die Forscher das Licht im Kopf der Maus ein, so werden die Nervenzellen wieder aktiviert und die Maus läuft los.
Ein Fadenwurm, in dessen Bewegungsneuronen gleich mehrere Sorten von Lichtschaltern eingebaut sind, kriecht vorwärts oder rückwärts, entspannt oder rollt sich auf, je nachdem ob er mit blauem, grünem oder gelbem Licht beleuchtet wird.
Neuroforscher interessieren sich aber nicht nur für Bewegungssysteme – beim Modelltier Maus untersuchen sie mittels Optogenetik auch Schlafverhalten, Lernprozesse und Sucht- oder Fressverhalten.

Neue Lichtschalter werden designt

Für unterschiedliche Experimente benötigen die Forscher jeweils verschiedene Kanalproteine mit speziellen Eigenschaften. Eine Gruppe von Wissenschaftlern der Humboldt-Universität Berlin, des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Zentrums für Molekulare Neurobiologie Hamburg modifizierte beispielsweise ein schon bekanntes Kanalrhodopsin. Sie veränderten die Struktur des lichtempfindlichen Ionenkanals, um seine Funktion umzukehren: Statt positiver Ionen lässt der Kanal nun negative passieren. Die Nervenzelle wird durch das Lichtsignal nicht mehr erregtsondern gehemmt. Besonders aus medizinischer Sicht ist Hemmung von Gehirnaktivität wichtig. Denn Erkrankungen wie Epilepsie oder das Tourette-Syndrom werden genau von solchen Übererregungen in bestimmtenHirnbereichen verursacht.
Noch einen weiteren Wunsch der Forscher erfüllt die neue Kanalvariante - nach einem kurzen Lichtreiz öffnet sich der Proteinkanal sehr viel länger als andere und lässt eine Flut von Ionen in die Zelle. In der Anwendung erscheint das neue Kanalrhodopsin damit viel lichtempfindlicher – für die Steuerung einer Zelle braucht es nur noch ein Zehntausendstel der vorher benötigten Lichtmenge. Kleiner Reiz mit große Wirkung. So können mittels feinster Lichtleiterfasern oder montierter Leuchtdioden große Hirnbereiche angesprochen werden. Bei bestimmten Kanalrhodopsinen ist gar kein Schädelimplantat mehr nötig und es reicht, den Kopf der Maus zu rasieren und von außen zu beleuchten.

Die Optogenetik revolutioniert die Hirnforschung

Inzwischen arbeiten rund 1500 Labore weltweit mit Lichtschalter-Proteinen. Meist geht es um Grundlagenforschung; insbesondere die Funktionsweise von Nervenzellverbänden interessiert die Wissenschaftler. Langfristig hoffen sie auf Therapiemöglichkeiten bei neurologischen Erkrankungen, wie Epilepsie oder Parkinson. Schon deutlich früher sollen Versuche zur Reaktivierung erkrankter Sinneszellen im Auge oder Ohr des Menschen anlaufen.

Video: Peter Hegemann - Von den Lichtrezeptoren einzelliger Algen zur lichtgesteuerten Maus

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24.02.2015 , Till Maase
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