Forschung & Entwicklung

Strukturen lichtaktiver Biomoleküle

Wie sich der lichtsensitive Teil des Biomoleküls Phytochrom vom lichtadaptierten Zustand in den dunkeladaptierten Zustand umwandelt, zeigen neue Forschungsergebnisse.

Bislang sind nur für wenige lichtempfindliche Biomoleküle die Strukturen bekannt – und wenn dann nur für die Endzustände bei Licht und Dunkelheit, aber nicht für die Zwischenschritte. Mithilfe verschiedener Spektroskopiemethoden sind einem Team der Ruhr-Universität Bochum und der Philipps-Universität Marburg nun neue Einblicke in die dynamischen Strukturveränderungen gelungen.

Lichtsensitive Biomoleküle wie die Phytochrome aus Pflanzen seien für verschiedene Anwendungen interessant, etwa in der Landwirtschaft, wo eine Veränderung des Phytochroms die Wuchsform der Pflanzen optimieren könnte, oder für optogenetische Werkzeuge, die es ermöglichen, die Aktivität von genetisch veränderten Zellen im lebenden Körper mit Licht zu steuern, sagt Enrica Bordignon, Leiterin der Bochumer Arbeitsgruppe EPR-Spektroskopie. Einblicke, wie die Fotorezeptoren bei Lichteinfall ihre räumliche Struktur ändern, könnten diese Anwendungen voranbringen. Bislang ist es jedoch eine Herausforderung, diese Prozesse mit atomarer Auflösung zu entschlüsseln.

Die Forscher analysierten ein Phytochrom-Molekül aus Cyanobakterien mit einer speziellen Form der Massenspektrometrie und einer besonderen Spektroskopiemethode, der Elektronenspinresonanz. Im Gegensatz zu anderen Methoden konnten sie das Molekül mit diesen Verfahren in Lösung belichten und seine Strukturveränderungen verfolgen, ohne es kristallisieren zu müssen. Sie beobachteten mehrere charakteristische Strukturveränderungen in dem lichtempfindlichen Segment des Phytochroms und erstellten ein Modell, welches die zeitliche Reihenfolge der verschiedenen Umwandlungsschritte wiedergibt. Außerdem zeigte das Team, dass es für verschiedene Phytochrome einen universellen Mechanismus für die Umwandlung vom dunkel- in den lichtadaptierten Zustand gibt.

Die Arbeiten wurden von dem Loewe Center for Synthetic Microbiology sowie der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Projekts ES152/10, des Schwerpunktprogramms SPP1601 und des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation, kurz Resolv (EXC 1069) finanziell unterstützt.

von mn

Originalveröffentlichung:

[T. E. Assafa, K. Anders, U. Linne, L.-O. Essen, E. Bordignon, Light-Driven Domain Mechanics of a Minimal Phytochrome Photosensory Module Studied by EPR, Structure (2018), DOI: 10.1016/j.str.2018.08.003]

www.ruhr-uni-bochum.de

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