Die Optogenetik hat sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen und äußerst aufschlussreichen Werkzeug der biologischen Forschung entwickelt. Dabei werden mithilfe von lichtsensitiven Proteinen Ionenkanäle gesteuert. Trifft Licht mit einer bestimmten Wellenlänge auf solche Photosensoren, öffnen oder schließen sich diese Kanäle und beeinflussen so die Signalübertragung von Zelle zu Zelle. In der Neurobiologie konnten auf diesem Weg bereits detaillierte Zusammenhänge zwischen der neuronalen Aktivität und bestimmten Verhaltensmustern geklärt werden. Die bisher verwendeten Rezeptoren wurden in der Grünalge unter anderem vom Würzburger Forscher Georg Nagel entdeckt. Jetzt haben Wissenschaftler der Universitäten Würzburg und Bielefeld einen weiteren Lichtsensor der Grünalgen aufgespürt, der ähnlich funktioniert wie die Lichtrezeptoren im menschlichen Auge.

Algen-Lichtrezeptor funktioniert wie bei Menschen

Auch Grünalgen orientieren sich am Licht. Um dieses überhaupt wahrzunehmen, haben sie spezielle Photorezeptoren entwickelt. Bereits im Jahr 2002 entdeckten und charakterisierten Forscher um Georg Nagel, damals am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt am Main, in Algen zwei sogenannte Channelrhodopsine. Im Fachjournal „BMC Biology“ berichten Wissenschaftler von der Universität Bielefeld und der Julius-Maximilians-Universität Würzburg nun von einem weiteren Lichtsensor der Algen. Das Besondere: Bei dem neuen Photorezeptor handelt es sich um eine sogenannte Guanylylcyclase, die durch Licht gehemmt wird. Dieses Enzym ist also nur im Dunkeln aktiv. Wenn es aktiv ist, synthetisiert es den wichtigen Botenstoff cGMP. Trifft nun Licht auf den Rezeptor, hemmt das die cGMP-Produktion – genau wie bei den Photorezeptoren im menschlichen Auge.

Reguliert wird der neu entdeckte Sensor außer durch Licht auch vom Molekül und Energieträger ATP. Solche „Zweikomponentensysteme“ sind bei Bakterien zwar bekannt, bisher aber nicht bei höher entwickelten Zellen wie den Grünalgen. Die Forscher um Armin Hallmann in Bielefeld und Nagel in Würzburg haben den neuen Photorezeptor „Two Component Cyclase Opsin“ getauft, kurz 2c-Cyclop. Entdeckt wurde er gleich bei zwei Grünalgen: der einzelligen Chlamydomonas reinhardtii und der mehrzelligen Volvox carteri.

Neuer Ansatz verhalf zu Durchbruch

„Seit vielen Jahren gibt es genetische Daten, aus denen wir schließen konnten, dass es in Grünalgen noch viel mehr Rhodopsine geben muss als die zwei bisher charakterisierten“, so Shiqiang Gao von der Universität Würzburg. „Bisher konnte aber niemand die Funktion dieser Lichtsensoren demonstrieren.“ Den Pflanzenphysiologen ist dies durch einen neuen Ansatz gelungen: Sie haben das neue Rhodopsin in Eizellen des Krallenfrosches Xenopus laevis und in die Kugelalge Volvox carteri eingebaut. So konnte in beiden Fällen seine Funktion nachgewiesen werden. Die Forschenden erhoffen sich durch ihre Ergebnisse neue Anwendungsmöglichkeiten für die Optogenetik.

jmr