Biochemische Lichtschalter

Um die vielfältigen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts zu meistern, bedarf es auch neuer Technologien. Eine, die die biologische Forschung in den vergangenen Jahren bereits weltweit revolutioniert hat, ist die Optogenetik, die optische Technologien und Genetik vereint. So werden zum Beispiel lichtempfindliche Proteine mithilfe der Gentechnik in Nervenzellen eingebracht, die sie durch Licht an- und ausschalten. Auf diese Weise erhalten Wissenschaftler Informationen über Signalwege von Nervenzellen und ihre Funktionen im lebenden Organismus.

Diese biochemischen Lichtschalter stehen im Mittelpunkt des seit 2016 geförderten DFG-Schwerpunktprogramms „Optogenetik der nächsten Generation: Werkzeugentwicklung und Anwendungen“. 28 interdisziplinäre Arbeitsgruppen wollen unter der Federführung der Goethe-Universität Frankfurt in 13 Projekten die nächste Generation optogenetischer Werkzeuge entwickeln und ihre Anwendungen in der Grundlagenforschung und für medizinische Zwecke erweitern. Mit von der Partie: Chemiker, Photobiologen, Biophysiker, Zellbiologen und Mediziner.

„Wir verstehen uns als Pfadfinder, die ein wissenschaftliches Netzwerk für die Optogenetik in Deutschland aufbauen“, betont Alexander Gottschalk, Sprecher des Schwerpunktprogramms. Obwohl die Optogenetik bereits erfolgreiche und aussichtsreiche Anwendungen ermöglicht, steckt sie als Technologie noch in den Kinderschuhen. „Wir wollen bestehende optogenetische Werkzeuge effizienter machen und neue entwickeln, damit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Technologie deutlich breiter in der Zell- und Neurobiologie einsetzen können“, so Gottschalk.

Bisher nutzen Forscherinnen und Forscher vor allem die sogenannten Kanalrhodopsine – Proteine aus Einzellern, Pilzen und Algen – als „Lichtschalter“. Erstaunlicherweise bauen selbst Säugetierzellen diese Proteine in ihre Zellmembran ein; in der Zellhülle bilden sie Kanäle, die auf Licht reagieren. „Aber auch jenseits des Membranpotenzials, also im Zellinneren, ist die Lichtsteuerung von Interesse“, erklärt Gottschalk. „Passende Proteine sind jedoch in der Natur entweder nicht entstanden oder sie wurden noch nicht entdeckt.“ Photobiologen aus dem Schwerpunktprogramm suchen und entwickeln deshalb neue, maßgeschneiderte lichtempfindliche Proteine.

Eine andere Gruppe im Schwerpunktprogramm arbeitet an der Lichteffizienz optogenetischer Werkzeuge: „Eine höhere Lichtausbeute ist vor allem bei Anwendungen im Gewebe oder Organismus von großer Bedeutung, denn Licht ist auch immer eine Form von Energie“, sagt Gottschalk. Die Wechselwirkung zwischen Licht und Gewebe kann die Zellen schädigen. Einen solchen Effekt wolle man aber vor allem mit Blick auf mögliche Therapien vermeiden.

Am Ende des auf sechs Jahre angelegten Schwerpunktprogramms soll der optogenetische Werkzeugkasten größer und vielfältiger sein – auch um möglicherweise therapeutische Ansätze etwa für Sehbehinderte und Hörgeschädigte zu liefern. Um bei Betroffenen keine falschen Hoffnungen zu wecken, legen die Forscher großen Wert darauf, die Öffentlichkeit über Chancen und Risiken der Technologie in allgemein verständlichen Vorträgen oder über ihre Homepage zu informieren.

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