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    Lehrstuhl für Botanik I - Pflanzenphysiologie und Biophysik

    Mikrobielle Rhodopsine: Channel-Rhodopsine und Pump-Rhodopsine

    Channelrhodopsine sind direkt durch Licht gesteuerte Ionenkanäle in der Membran von Mikroben (bisher in ein- und mehrzelligen Algen entdeckt), die wir erstmals 2002 als Kationenkanäle mit hoher Protonenleitfähigkeit identifizierten. Ihre Charakterisierung gelang durch heterologe Expression in Oozyten des Krallenfrosches Xenopus laevis. In 2003 beschrieben wir erstmals die Eigenschaften von Channelrhodopsin-2 (ChR2), einem Licht-gesteuerten Kationenkanal aus der einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. Wir zeigten relativ große Licht-gesteuerte Einwärtsströme von H+, Na+ und Ca2+ bei negativem Membranpotential in Oozyten und menschlichen kultivierten (HEK293) und anderen Zellen und regten seine Verwendung als "Werkzeug" in der Forschung an. Die Verwendung von ChR2 in den Neurowissenschaften (Auslösung von Aktionspotentialen durch Licht) wurde bald darauf Optogenetik genannt und führte zu einem neuartigen experimentellen Ansatz, der immer weitere Verbreitung findet. Obwohl wir das schon länger bekannte Bakteriorhodopsin (BR) aus dem Archaeum Halobacterium salinarum bereits 1995 in Oozyten exprimierten und Licht-induzierte Auswärtsströme zeigten, wurde seine Verwendung als optogenetisches Werkzeug erst nach der erfolgreichen Verwendung von ChR2 erwogen. Bereits vor unserer Expression in tierischen Zellen war bekannt, dass BR eine Licht-getriebene Protonenpumpe ist, d.h. BR absorbiert ein Photon und kann einen (geringen) Teil dieser Energie für den aktiven Transport eines H+ Ions aus der Zelle nutzen. Dieser Transport wird aktiv genannt, weil er auch gegen ein elektrochemisches Potential, also gegen das Membranpotential oder einen H+ Ionenkonz.-Gradient erfolgt. Im Gegensatz dazu ist der Ionentransport der Channelrhodopsine passiv, d.h. die Transportrichtung wird durch das elektrochemische Potential bestimmt. Das erste aktiv pumpende Rhodopsin, das als optogenetisches Werkzeug auf unsere Anregung hin benutzt wurde, ist das Halorhodopsin (HR), eine Licht-getriebene Chlorid-Pumpe. HR pumpt Chlorid in die Zelle, führt also zu einer Licht-induzierten Hyperpolarisation, und kann zur Licht-induzierten Verhinderung von Aktionspotentialen benutzt werden. Im Laufe der letzten Jahre seit unserer Entdeckung und Anwendung wurden immer mehr Licht-gesteuerte Kanäle und Pumpen in der Natur entdeckt und ihre Vorzüge bei der Anwendung in der Optogenetik beschrieben. Am interessantesten sind hierbei die neu entdeckten natürlichen Anionen Channelrhodopsine (ACR) aus Meeresalgen. Ausserdem wurden Rhodopsine durch Mutagenese in ihrer Expressionsstärke, Kinetik, Absorptionsmaximum und Ionenspezifizität verändert, darunter finden sich auch zu ACR mutierte ChR, die ein Jahr später gefundenen natürlichen ACR haben aber überlegene Eigenschaften.

    Schema einer Zellmembran mit Messelektrode und heterolog exprimiertem Channelopsin-2, sowie im Inset eine Licht-induzierte Depolarisation einer solchen Zellmembran
    Heterologe Expression von Channelopsin-2 (Chop2) erlaubt schnellen, Licht-induzierten Einwärtsstrom von Kationen in die Zelle und damit eine Licht-aktivierte Depolarisation von Chop2-exprimierenden Zellen. Das Schema verdeutlicht, dass Chop2-Expression eine Elektrode ersetzen kann, weil in Chop2-exprimierenden Zellen eine schnelle, reversible Depolarisation nicht-invasiv durch Belichtung ausgelöst werden kann, siehe Inset. (Grafik: G. Nagel, Universität Würzburg 2017)
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