Forschung & Entwicklung

Mit Lichtimpulsen Herzzellen abschalten

Neu entwickelte Moleküle ermöglichen es, Zellen mittels Licht präzise abzuschalten.

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 räumlicher Auflösung gesteuert werden. Molekulare Werkzeuge zum Anschalten der elektrischen Zellaktivität gibt es schon länger. Nützlich sind gleichermaßen optogenetische Werkzeuge zum ‚Ausschalten‘ der elektrischen Zellaktivität. Allerdings waren die bisher dafür etablierten Proteine entweder nicht ausreichend effektiv oder hatten ungewollte Nebeneffekte. Nun ist es einem Forschungskonsortium unter Beteiligung des Universitäts-Herzzentrums Freiburg · Bad Krozingen (UHZ) gelungen, ein neues optogenetisches Werkzeug zu entwickeln, mit dem elektrisch erregbare Zellen mit Licht gehemmt werden. Das neue Werkzeug soll eingesetzt werden, um Vorgänge bei Herzinfarkt und neuronalen Prozessen besser zu verstehen.

Das neu entwickelte Zweikomponentensystem basiert auf der gleichzeitigen Herstellung eines fotoaktivierten Enzyms (PAC) und eines bakteriellen Kaliumkanals (K). „Wenn PAC und K gemeinsam vorliegen (PACK), genügt eine Belichtung mit einem kurzen Blaulichtblitz, um die Aktivität von Herzmuskelzellen und Nervenzellen für mehrere Sekunden zu unterdrücken“, erklärt Studienautorin Dr. Franziska Schneider-Warme, Forschungsgruppenleiterin am Institut für Experimentelle Kardiovaskuläre Medizin (IEKM) des UHZ. Durch PACK-Aktivierung können auch Bewegungsabläufe in Zebrafischen durch Licht angehalten werden.

„Das Besondere an dem neuen optogenetischen System ist – neben der Funktion als ‚Ausschalter‘ – seine ausgesprochen hohe Lichtempfindlichkeit“, sagt Professor Peter Kohl, Direktor des IEKM. Nach der Aktivierung des PACK-Systems durch wenige Photonen verschieben kaliumionenvermittelte Ströme das Membranpotenzial in Richtung des natürlichen Ruhemembranpotenzials der Zelle. Diese Art des Ausschaltens ist energetisch sinnvoll und reduziert ungewollte Nebeneffekte. In der Zukunft möchten die Wissenschaftler ihr neues Werkzeug einsetzen, um neuartige Behandlungskonzepte zur Untersuchung fehlgeleiteter elektrischer Prozesse zu entwickeln, zum Beispiel nach Herzinfarkt. Darüber hinaus planen sie weitere Anwendungen zur Untersuchung neuronaler Netzwerke.

An dem Forschungskonsortium sind neben dem UHZ die Humboldt-Universität zu Berlin, das Deutsche Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen in Berlin und die Charité Berlin, die Universität Bonn und das caesar (Center of advanced european studies and research) in Bonn, die Universität Freiburg sowie das Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried beteiligt.

von mn

Originalveröffentlichung:

[Y. A. Bernal Sierra et al., Potassium channel-based optogenetic silencing, Nat. Commun. 9 (2018), DOI: 10.1038/s41467-018-07038-8]

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