Einzeller bringen Licht in die Neurobiologie
(Artikel MaxPlanckForschung)

20. November 2014
Die Entdeckung eines Sehpigments in der Zellmembran eines Archaebakteriums Anfang der 1970er-Jahre ist ausschließlich der Neugier eines Wissenschaftlers zu verdanken: Drei Jahre lang wollte die Scientific Community Dieter Oesterhelt nicht glauben. 40 Jahre nach seinen bahnbrechenden Arbeiten am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried avancieren Bacteriorhodopsin und das aus einer einzelligen Grünalge stammende Channelrhodopsin zu neuen Werkzeugen in der Neurobiologie.

Text: Christina Beck

Die Photosynthese wurde gleich zweimal erfunden

Dieter Oesterhelt kehrte nach München zurück und blieb – trotz großer Zweifel seiner dortigen Kollegen – an Bacteriorhodopsin dran: „Es scheint mir doch eine ganz ungewöhnliche Sache, und das ist nicht umsonst da“, erklärte er den Skeptikern. Zu dem Mangel an Mitstreitern gesellte sich dann auch noch ein Mangel an Geräten. Denn das Max- Planck-Institut für Zellchemie zog raus nach Martinsried, Oesterhelt blieb in den ursprünglich gemeinsam genutzten Laboren am Institut für Biochemie der Universität München. „Mir blieben nur noch ein pH-Meter, ein Wasserbad und ein Projektor“, sagt er. Doch für das nun folgende Schlüsselexperiment erwies sich diese Situation als Segen, „weil ich gar nicht viel anderes machen konnte“.

Oesterhelt war der festen Überzeugung, dass der Farbwechsel mit einer Funktion verbunden ist, und arbeitete daher daran, diesen umzukehren: „Ich habe schlicht und einfach sämtliche Lösungsmittel der Welt probiert.“ Und dann kam auch hier wieder der Zufall dazu. Nahm man nämlich Ether, gab dann Salz hinzu und trat ans Fenster, wenn die Sonne schien, wurde der Extrakt auf einmal hellgelb; im Dunkeln kehrte sich die Farbe wieder um. Das war der erhoffte Farbwechsel, doch was steckte dahinter?

„Ich habe einfach eine pH-Elektrode reingehalten“, sagt Oesterhelt. Bei einem Farbumschlag von Violett nach Gelb wurden Protonen abgegeben, bei einem Farbumschlag von Gelb nach Violett wurden Protonen aufgenommen. Dementsprechend wurde der Extrakt in dem einen Fall sauer, im anderen alkalisch. Wenn eine solche Abgabe und Aufnahme von Protonen nun aber in einer dichten Schicht wie etwa einer Membran stattfinden, dann müsste eine Pumpwirkung entstehen. Der junge Biochemiker stellte sich eine Protonenpumpe vor – ein Molekül also, das Protonen von einer Richtung aufnimmt und nach der anderen abgibt.

Oesterhelt trug diese Idee seinem Doktorvater Feodor Lynen vor. Der sagte nur: „Ich glaube es nicht, aber ich wünsche Ihnen, dass Sie recht haben.“ Wenn das Molekül Protonen pumpt, dann sollte in einer Suspension von Bakterienzellen eine pH-Änderung zu messen sein. Dieter Oesterhelt baute sein pH-Meter im Dunkelraum auf, um zu schauen, was passierte, wenn er intakte Zellen belichtete. Er stellte das pH-Meter auf höchste Empfindlichkeit ein und schaltete dann das Licht an: „Der Schreiber machte einen Satz und knallte mit Vollausschlag oben an die Kante.“ In wenigen Tagen hatte er die entsprechenden Aufzeichnungen zusammen und damit den Nachweis, dass es sich bei Bacteriorhodopsin tatsächlich um eine lichtgetriebene Protonenpumpe handelt.

Indem es Protonen aus dem Innern der Bakterienzelle nach außen befördert, entsteht ein Gradient, ein Protonen- Konzentrationsgefälle zwischen innen und außen, und über die Membran hinweg wird ein elektrisches Potenzial aufgebaut. „Der Vorgang gleicht ganz dem Laden einer Batterie“, erklärt der Max-Planck-Forscher. Die Energie der zurückströmenden Protonen wird zur enzymatischen Synthese von ATP (Adenosintriphosphat) genutzt, der Energiewährung der Zelle.

Das entsprach der von Peter D. Mitchell schon 1961 aufgestellten – und 1978 mit dem Chemienobelpreis gewürdigten – chemiosmotischen Hypothese, für die das Bacteriorhodopsin damit auch einen ersten Beleg lieferte. Das Purpurmembransystem ist – neben dem Chlorophyllsystem der grünen Pflanzen – das zweite lichtenergiewandelnde Prinzip der belebten Natur. „Die Evolution hat den grundlegenden Prozess der Photosynthese also zweimal erfunden“, sagt Dieter Oesterhelt.

Noch mehr lichtgeschaltete Membranproteine

In den Folgejahren avancierte Bacteriorhodopsin zum Modellobjekt in der Bioenergetik, der Membranbiologie und der Strukturbiologie. Von der zweiten Hälfte der 1970er-Jahre an erschienen zu diesem Thema jährlich mehr als 100 Publikationen. 1977 entdeckten die beiden Japaner Matsuno-Yagi und Mukohata ein weiteres Pigment in der Purpurmembran von Halobacterium salinarum, das sich jedoch von Bacteriorhodopsin unterschied. Lange Zeit wurde spekuliert, dass es sich hierbei um eine durch Licht aktivierbare Natriumpumpe handelt.

Nach seiner Promotion am Institut für Biochemie der Universität München bei Feodor Lynen (rechts) und einer zweijährigen Postdoc-Phase am Max-Planck-Institut für Zellchemie ging der junge Biochemiker Dieter Oesterhelt (links) 1969 für ein Sabbatical zu Walther Stoeckenius an die University of California in San Francisco. Dort gelang ihm der überraschende Nachweis eines Rhodopsin-ähnlichen Proteins (Bacteriorhodopsin) in der Membran von Halobacterium salinarum. [weniger]

Oesterhelt war inzwischen Direktor am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried geworden, und einer seiner ersten Doktoranden dort war der Chemiker Peter Hegemann. Er sollte ursprünglich diese Halorhodopsin genannte Natriumpumpe isolieren. Doch dann zeigten Janos Lanyi und Brigitte Schobert von der University of California, dass dieses Membranprotein nicht Natriumionen aus der Zelle hinaus-, sondern Chloridionen in die Zelle hineinpumpt. Zu einem späteren Zeitpunkt sollte das eine ganz neue Bedeutung erlangen.

Hegemann leitete ab 1986 eine eigene Arbeitsgruppe in Oesterhelts Abteilung für Membranbiochemie und wandte sich Ende der 1980er-Jahre einem neuen Untersuchungsobjekt zu: der kleinen, einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. In MOLECULAR MEDICINE schrieben er und sein Ko-Autor Georg Nagel später: „Als wir unsere Experimente mehr als eine Dekade zuvor durchführten, hatten wir nicht erwartet, dass die Forschung über die molekularen Mechanismen der Phototaxis einzelliger Algen oder den lichtgetriebenen Ionentransport in Archaebakterien eines Tages die Leser eines medizinischen Journals interessieren könnte.“ Der Weg dahin war allerdings steinig und äußerst langwierig.

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