Biophysik Zwei Proteine im Vergleich
Die Struktur des lichtaktivierbaren Ionenkanals Channelrhodopsin ist entschlüsselt – und erinnert an ein anderes Protein, wie Klaus Gerwert in einem Perspektiven-Artikel in Science beschreibt.
Die neu aufgeklärte Struktur des Proteins Channelrhodopsin – ein Schlüsselelement für die Optogenetik, die bestimmte Funktionen in Organismen mit Licht steuerbar macht – weist Ähnlichkeiten zu einem anderen Protein auf: Bakteriorhodopsin. Mit diesem hat Prof. Dr. Klaus Gerwert von der RUB intensiv gearbeitet. Die Fachzeitschrift Science hat die Ergebnisse zu der Struktur von Dr. Oleksandr Volkov und Kollegen vom Forschungszentrum Jülich am 24. November 2017 veröffentlicht. Auf Einladung von Science verfasste Klaus Gerwert für die gleiche Ausgabe einen Perspektiven-Artikel, der die beiden Proteine gegenüberstellt und die Bedeutung der neuen Ergebnisse von Volkov und Kollegen für die Optogenetik einordnet.
Ähnlicher Aufbau und Mechanismus
In seinem Artikel stellt Gerwert heraus, dass Channelrhodopsin eine ähnliche Struktur wie Bakteriorhodopsin hat. „Es ist wahrscheinlich, dass beide auf ein gemeinsames Vorläuferprotein zurückgehen“, folgert er. Die zwei Proteine besitzen vier vergleichbar angeordnete, mit Wasser gefüllte Hohlräume im Inneren. In Bakteriorhodopsin werden die Pforten zu diesen Hohlräumen bei Lichteinfall eine nach der anderen geöffnet und die Protonen so schrittweise auf die andere Seite der Membran gepumpt. Bei Channelrhodopsin läuft der Mechanismus ein wenig anders: Die jetzt entdeckten Pforten zu den Hohlräumen müssen sich alle gleichzeitig für den Ionentransfer öffnen.
Gezielte Modifikation für die Optogenetik
Die lichtempfindlichen Channelrhodopsine, die zum Beispiel in Grünalgen vorkommen, lassen sich in andere Organismen einbringen, sodass bestimmte Funktionen dann mit Licht steuerbar sind. Je nach Anwendung müssen die Eigenschaften des Proteins angepasst werden, indem die Gensequenz verändert wird. „Das erfolgt derzeit nach dem Trial-and-Error-Prinzip“, so Gerwert.
Mit dem neuen Wissen um die räumliche Struktur können Channelrhodopsine nun gezielter spektroskopisch und in biomolekularen Simulationen untersucht werden und künftige Mutationen zielgerichteter eingebaut werden.
