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

Der rote Augenfleck der Alge gibt Rätsel auf

Als Photosynthese treibender Organismus sucht Chlamydomonas Areale auf, an denen die Lichtverhältnisse für die Photosynthese besonders günstig sind. Dabei bewegt er sich mit seinen langen Flagellen wie ein kleiner Brustschwimmer fort. Der Photosynthese-Apparat der kleinen Grünalge muss somit nicht ständig an wechselnde Lichtbedingungen angepasst werden. Wissenschaftler bezeichnen derart lichtgesteuerte Orientierungsbewegungen als Phototaxis. Sie sind bereits seit dem 19. Jahrhundert bekannt. Der für die Phototaxis zuständige Lichtsensor befindet sich im roten Augenfleck der Alge.

Kenneth W. Foster, ein ehemaliger Student Max Delbrücks, untersuchte die phototaktischen Bewegungen von Chlamydomonas in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts, um Aufschluss über die Eigenschaften des Lichtsensors zu erhalten. Anhand dieser sogenannten Aktionsspektren postulierte er bereits 1980, dass es sich bei dem Lichtsensor um ein Rhodopsin handelt. Wenige Jahre später gelang es ihm darüber hinaus, die lichtgesteuerten Bewegungen bei „blinden“ Algen durch Zugabe von Retinal wiederherzustellen. „Aber das Feld der Photorezeptor-Forscher hat die Bedeutung dieser Ergebnisse damals nicht erkannt“, sagt Peter Hegemann.

Der Hinweis, dass eine kleine, einzellige Grünalge ein Sehpigment nutzt, das möglicherweise jenem im menschlichen Auge sehr ähnlich ist, weckte jedoch sein Interesse. Zusammen mit seinen Mitarbeitern mühte Hegemann sich über zehn Jahre, den Photorezeptor der Alge in ausreichendem Umfang und entsprechender Reinheit für proteinchemische Untersuchungen zu gewinnen. Die Versuche blieben jedoch ohne Erfolg: „Die radioaktiven Markierungen lieferten ein vollkommen undefiniertes Bild“, erzählt er. Heute wissen die Forscher, dass sich im Augenfleck von Chlamydomonas zehn verschiedene Rhodopsine befinden.

Lediglich die elektrophysiologischen Messungen führten damals zu vielversprechenden Ergebnissen: Die 1991 im Fachmagazin NATURE publizierten Photoströme zeigten nicht nur, dass es sich bei dem Photorezeptor tatsächlich um ein Rhodopsin handeln musste, sondern offenbarten noch etwas: Anders als im menschlichen Auge wurde der Strom ganz offensichtlich nicht über eine chemische Signalkaskade weitergeleitet und damit verstärkt. Vielmehr schien der Photorezeptor ganz unmittelbar an einen Ionenkanal gekoppelt zu sein – denn die Photoströme traten ultraschnell innerhalb von nur 30 Mikrosekunden (millionstel Sekunden) nach Belichtung auf.

Acht Jahre später wurde Hegemann, der inzwischen an die Universität Regensburg berufen worden war, in einer Publikation noch deutlicher: „Wir gehen davon aus, dass das Chlamyrhodopsin Teil eines Rhodopsin-Ionenkanal-Komplexes ist oder sogar selbst den Kanal bildet.“ Doch die Wissenschaftlergemeinde begegnete diesen Ausführungen mit ähnlicher Skepsis wie seinerzeit Oesterhelts Entdeckung des ersten mikrobiellen Rhodopsins.

Nach wie vor war es nicht möglich, die zentralen Eigenschaften dieses vermeintlichen Rhodopsinkanals zu erfassen. Alle elektrophysiologischen Ableitungen erfolgten mittels einer Saugpipette. Die Forscher konnten daher immer nur die Summe der Ionenströme über ein größeres Membranareal hinweg registrieren, nicht aber den Strom eines einzelnen Kanals.

Ein neuer Ansatz musste her. Im Jahr 2000 veröffentlichte das japanische Kazusa-DNA-Forschungsinstitut Tausende neu entschlüsselter Gensequenzen von Chlamydomonas reinhardtii in online frei zugänglichen Datenbanken. Beim Durchsehen dieser Sequenzen entdeckten die Regensburger Forscher zwei längere Abschnitte, die bakteriellen Rhodopsingenen ähnelten.

Hegemann bat Georg Nagel, damals Forschungsgruppenleiter am Frankfurter Max-Planck-Institut für Biophysik in der Abteilung von Ernst Bamberg, die Eigenschaften der von diesen Genabschnitten kodierten Proteine zu testen. In Bambergs Abteilung hatte man bereits über Jahre Erfahrungen gesammelt bei der elektrophysiologischen Charakterisierung mikrobieller Rhodopsine. Um die Transporteigenschaften von Bacteriorhodopsin und Halorhodopsin unter elektrisch kontrollierten Bedingungen zu erfassen, hatte man diese in die Eizellen von Krallenfröschen überführt.

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