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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 r?umlicher Aufl?sung gesteuert werden. Für die Grundlagenforschung ist die Optogenetik von gro?er Bedeutung, da sie erlaubt, Zelltyp-spezifische Aufgaben im intakten Gewebe zu untersuchen. Das neue Werkzeug erlaubt darüberhinaus auch die Entwicklung neuartige Behandlungs?konzepte, da die Untersuchung fehlgeleiteter elektrischer Prozesse, zum Beispiel nach einem Herzinfarkt m?glich ist. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler planen au?derdem weitere Anwendungen zur Untersuchung neuronaler Netzwerke.

Zur Erforschung der elektrischen Steuerung komplexer Zellverb?nde werden zum Beispiel lichtempfindliche Ionenkan?le zum ?Anschalten“ elektrisch erregbarer Zellen mittels Licht verwendet. Nützlich sind gleicherma?en optogenetische Werkzeuge zum ?Ausschalten“ der elektrischen Zellaktivit?t. Allerdings waren die bisher dafür etablierten Proteine entweder nicht ausreichend effektiv oder hatten ungewollte Nebeneffekte.

Dr. Yinth Andrea Bernal Sierra von der Humboldt-Universit?t 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 Aktivit?t von Herzmuskelzellen und Nervenzellen für mehrere Sekunden zu unterdrücken. Durch PACK-Aktivierung k?nnen auch Bewegungsabl?ufe in Zebrafischen durch Licht angehalten werden.

Das Besondere an dem neuen optogenetischen System ist – neben der Funktion als Ausschalter – seine ausgesprochen hohe Lichtempfindlichkeit. Nach der Aktivierung des PACK- Systems durch wenige Photonen (Lichtquanten) wird das Membranpotenzial durch Kalium-Ionen vermittelte Str?me in Richtung des natürlichen Ruhemembranpotentials der Zelle verschoben. Diese Art des Ausschaltens ist energetisch sinnvoll und reduziert ungewollte Nebeneffekte durch weniger natürliche Ionenstr?me, die mit den bisherigen optogenetischen Proben unvermeidbar waren.

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Dr. Yinth-Andrea Bernal-Sierra
Institut für Biologie, Experimentelle Biophysik
Tel.: 2093-8897
besieray@hu-berlin.de