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 Geburtsstunde der Optogenetik

Nagel und seine Kollegen testeten nun die elektrischen Eigenschaften der von Chlamydomonas stammenden Proteine ebenfalls in Froscheiern. Im Juni 2002 präsentierten sie die Ergebnisse im Fachmagazin SCIENCE. Es war der langersehnte Beleg, dass es sich bei dem Algen-Rhodopsin tatsächlich um das erste Beispiel eines direkt lichtgesteuerten Ionenkanals und damit um ein völlig neuartiges Membranprotein handelte.

Die kleine, einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii besitzt einen roten Augenfleck (links), der ihr die Orientierung nach dem Licht ermöglicht. Bei dem eigentlichen Lichtsensor handelt es sich – wie elektrophysiologische Messungen des Teams um Peter Hegemann Anfang der 1990er-Jahre zeigten – um ein Rhodopsin. Erst 2002 gelang jedoch der Nachweis, dass es ein vollkommen neuartiges Membranprotein ist, das erste Beispiel für einen direkt lichtgesteuerten Ionenkanal. Channelrhodopsin (rechts) hat viele strukturelle Gemeinsamkeiten mit den beiden Ionenpumpen Bacteriorhodopsin und Halorhodopsin. [weniger]

Channelrhodopsin-1 (ChR1), wie die Wissenschaftler ihr „Baby“ getauft hatten, leitet nach Aufnahme von Licht Protonen über die Membran ins Zellinnere; im Gegensatz zu der Protonenpumpe Bacteriorhodopsin benötigt es für den Ionentransport keine Energie.

Ein Jahr später publizierten die Wissenschaftler ihre Ergebnisse über den zweiten lichtaktivierten Ionenkanal, das Channelrhodopsin-2 (ChR2), das im Gegensatz zu Channelrhodopsin-1 auch andere positiv geladene Teilchen, etwa Natriumionen, leitet. Dabei war es ihnen gelungen, Channelrhodopsin- 2 nicht nur in Froscheier, sondern erstmals auch in menschliche Nierenzellen einzubauen.

Diese Publikation weckte das Interesse von Karl Deisseroth und Edward Boyden an der Universität Stanford. Die beiden Forscher diskutierten schon seit Längerem über Möglichkeiten, die elektrische Aktivität von Nervenzellen im intakten Gehirn zu kontrollieren. Im März 2004 schrieb Deisseroth eine E-Mail an Georg Nagel und fragte, ob er auf der Basis einer Kollaboration einen Klon von Channelrhodopsin-2 bekommen könne. Das Päckchen aus Deutschland kam wenige Wochen später.

Boyden, Deisseroth und der inzwischen dazugestoßene Feng Zhang überlegten, wie sie weiter vorgehen wollten. In den kommenden Monaten optimierten die Forscher ihren Versuchsaufbau. Mit einem harmlosen Virus als Genfähre gelang es ihnen, das Gen für Channelrhodopsin-2 in kultivierte Hippocampus-Neuronen einzuschleusen. Über den Promotor, einen genetischen Schalter, konnten sie steuern, welcher Neuronentyp Channelrhodopsin-2 herstellt. Das Experiment funktionierte, „und zwar erstaunlich gut“, wie Deisseroth schreibt. „Mit einfachen, unschädlichen Lichtblitzen konnten wir verlässlich und auf Millisekunden genau steuern, wann die Opsin produzierenden Nervenzellen Aktionspotenziale auslösten.“

Zusammen mit den Frankfurter Max-Planck-Forschern publizierten die drei US-Amerikaner die Ergebnisse 2005 in NATURE NEUROSCIENCE. Dieser Durchbruch lag quasi in der Luft. Denn parallel gelang es japanischen Forschern um Hiromu Yawo, Channelrhodopsin-2 in PC12-Zellen zu exprimieren. Und Stefan Herlitze (damals an der Case Western University in Cleveland) war sogar erfolgreich bei der Exprimierung von Channelrhodopsin-2 im Rückenmark von Wirbeltieren. Er konnte – ebenso wie übrigens Alexander Gottschalk bei dem Fadenwurm C. elegans – zeigen, dass lichtaktivierte Opsine tatsächlich geeignet sind, um neuronale Netzwerke im intakten Organismus zu regulieren. Das war der eigentliche Beginn des neuen Forschungsfelds der Optogenetik.

Nun war es also möglich, Nervenzellen innerhalb neuronaler Schaltkreise via Licht zu aktivieren. Im Jahr darauf kam Deisseroth zu einem Vortrag an das Frankfurter Max-Planck-Institut. Er fragte seine deutschen Kollegen nach einem optogenetischen Werkzeug, das es umgekehrt ermöglicht, Nervenzellen via Licht stumm zu schalten. Bamberg und Nagel erzählten ihm von ihren Versuchen mit Bacteriorhodopsin und Halorhodopsin Mitte der Neunzigerjahre in Froscheiern. Und sie empfahlen ihm, das Halorhodopsin aus Natronomonas pharaonis zu nehmen. Janos Lanyi hatte es 1999 entdeckt. Im Gegensatz zum Halorhodopsin aus Halobacterium salinarum funktioniert es auch bei niedrigen Chloridkonzentrationen, wie sie etwa im Säugerhirn vorherrschen.

Zhang synthetisierte in Stanford nun das entsprechende Gen und schleuste es in Nervenzellen ein; Alexander Gottschalk testete es zur gleichen Zeit erfolgreich in C. elegans. Im Frühjahr 2007 publizierten die Forscher aus Frankfurt und Stanford ihre Ergebnisse: Während Channelrhodopsin-2 wie ein „An“-Schalter funktioniert, lassen sich mit Halorhodopsin via Licht Aktionspotenziale in der Zelle unterdrücken, es funktioniert also wie ein „Aus“-Schalter. Drei Jahre später konnte Boyden mit seinem Team am MIT dann zeigen, dass auch die bereits zu Beginn der 1970er-Jahre von Dieter Oesterhelt entdeckte Protonenpumpe Bacteriorhodopsin in der Lage ist, Neuronen stumm zu schalten.

Und so schließt sich der Kreis nach fast einem halben Jahrhundert Grundlagenforschung. Was als Laune der Natur erschien – ein Retinal bindendes Protein in der Membran eines obskuren Archaebakteriums –, wird zu einem Paradigma für die Wechselwirkung von Licht und Leben. Heute untersuchen Tausende Forscher mit optogenetischen Methoden, wie Aktivitätsmuster spezifischer Neuronengruppen komplexe physiologische Vorgänge und Verhaltensweisen steuern. Pionierarbeiten wie die von Zhuo-Hua Pan von der Wayne State University zeigen dabei, dass die Optogenetik nicht nur ein Werkzeug für Neurobiologen ist. Pan ist es gelungen, Channelrhodopsin-2 in die Retinazellen von blinden Mäusen einzuführen und diesen somit wieder die Wahrnehmung von Licht zu ermöglichen. Andere Forscher haben diesen Ansatz inzwischen weiter ausgebaut – die Wiederherstellung der Sehfähigkeit bei degenerativen Netzhauterkrankungen könnte eine der vielversprechendsten klinischen Anwendungen der Optogenetik werden.

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