Forschung & Entwicklung

Zellen mit Licht steuern

Die Wirkung von Medikamenten mit Licht ein- und auszuschalten, damit beschäftigt sich die Photopharmakologie. Nun ist es erstmals gelungen, auf diesem Weg einen Bestandteil der Zellen zu steuern, der bislang als unerreichbar galt.

„Bisher gibt es keine einsetzbaren Wirkstoffe, die auf Aktin zielen, denn das Protein kommt überall im Körper vor, in großen Mengen zum Beispiel in den Muskeln“, erklärt Professor Hans-Dieter Arndt von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. „Eine entsprechende Substanz würde deshalb kaum je gezielt wirken. Unsere neuen Verbindungen entfalten ihre Wirkung gegenüber Aktin aber nur dort, wo die Zellen mit dem passenden Licht angeleuchtet werden“, erläutert Arndt.

Weil Aktin ein wesentlicher Bestandteil der Zellstruktur – genauer des Zytoskeletts – ist, können auf diese Weise auf bis auf 10 µm genau einzelne Zellen gezielt manipuliert werden. Ebenso lässt sich die Bewegung bestimmter Zellen mit dieser Technik steuern.

In ihrer Forschungsarbeit stellte die Gruppe eine Variante eines Naturstoffs her, der für sich genommen im Organismus das sehr dynamische Aktinzytoskelett versteift. Im Labor wurde das Molekül so weiterentwickelt, dass sich seine Struktur verändert, wenn violettes Licht darauf fällt. Die stabilisierende Wirkung des Moleküls nimmt dann zu. Nach einer bestimmten Zeit, oder aber durch grünes Licht, kehrt die Substanz wieder in ihre inaktive Grundstruktur zurück, und die natürliche Dynamik stellt sich wieder ein.

Nachdem diese Optojasp genannte Substanz in Laborversuchen von Zellen aufgenommen wurde, ließ sich durch Licht nun die Lebensfähigkeit und Beweglichkeit einzelner Zellen gezielt steuern – und ebenso die Kommunikation des Zytoskeletts. „Denkbar wäre, dass mit dieser Methode in Zukunft Krankheiten im Auge oder auf der Haut behandelt werden könnten, also von Organen, die sich einfach beleuchten lassen“, richtet Arndt den Blick in die Zukunft. Auch im Bereich der Neuroregeneration und bei sich stark bewegenden Immunzellen könnte diese Technik interessant werden.

Vor allem sollten sich biologische Systeme leichter untersuchen lassen als mithilfe von lichtempfindlichen Proteinen, wie sie etwa durch Gentechnik eingebracht werden können. Mit den Optojasps kann der Einfluss der Aktindynamik direkt untersucht werden – Substanzzugabe und Beleuchtung reichen aus. Nachdem nun gezeigt wurde, dass die Methode funktioniert, arbeiten Arndt und seine Kooperationspartner daran, diese Moleküle weiter zu optimieren und genauer zu erforschen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[M. Borowiak, F. Küllmer, F. Gegenfurtner, S. Peil, V. Nasufovic, S. Zahler, O. Thorn-Seshold, D. Trauner, H.-D. Arndt, Optical Manipulation of F-Actin with Photoswitchable Small Molecules, J. Am. Chem. Soc. (2020), DOI: 10.1021/jacs.9b12898]

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