Steuerung des Verhaltens von Nematodenwürmern mithilfe von zwei verschiedenen lichtempfindlichen Proteinen, den sogenannten Opsinen

Kann man mit Licht das Verhalten eines Tieres oder einer Zelle steuern? In den letzten Jahren wurden bemerkenswerte Fortschritte in der Optogenetik erzielt, da die Forschungsmethoden diesem Ziel nahe kommen.

Eine Forschungsgruppe unter der Leitung der Professoren Mitsumasa Koyanagi und Akihisa Terakita von der Graduate School of Science und Professor Eriko Kage-Nakadai von der Graduate School of Human Life and Ecology der Osaka Metropolitan University hat ein neues System enthüllt, mit dem sie das Verhalten von Menschen steuern können der Nematodenwurm Caenorhabditis elegans, mit zwei verschiedenen lichtempfindlichen Proteinen, den sogenannten Opsinen.

Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ein aus Mücken isoliertes lichtempfindliches Opsin wurde in die Sinneszellen von C. elegans eingeführt, die für das Vermeidungsverhalten verantwortlich sind, das den Wurm dazu bringt, sich wegzubewegen, nachdem er einen chemischen oder physikalischen Reiz wahrgenommen hat. Die Gruppe fand heraus, dass die Exposition der Würmer mit weißem Licht dieses Vermeidungsverhalten auslöste, mit einer Empfindlichkeit, die etwa 7.000-mal höher war als die, die bei Channelrhodopsin-2, einem verbreiteten optogenetischen Protein, beobachtet wurde.

Ebenso wurde ein UV-empfindliches Opsin, das zuerst in der Zirbeldrüse von Neunaugen gefunden wurde, in Motoneuronen von C. elegans eingeführt. Danach hörten die Würmer auf, sich zu bewegen, wenn sie UV-Licht ausgesetzt wurden, und begannen sich wieder zu bewegen, wenn sie grünem Licht ausgesetzt wurden. Dieses Stopp-Start-Verhalten wurde viele Male wiederholt, wobei zwischen UV- und grünem Licht umgeschaltet wurde, was darauf hinweist, dass das Opsin ein- und ausgeschaltet werden konnte, ohne das Protein zu zerstören.

„Sowohl die Moskito- als auch die Neunauge-Opsine, die wir verwendet haben, sind Mitglieder der Familie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR) von Rezeptoren – die verwendet werden, um verschiedene Reize wie Geruch, Geschmack, Hormone und Neurotransmitter wahrzunehmen – was zeigt, dass dieses System Licht verwenden kann verwendet, um verschiedene GPCRs und ihre anschließende intrazelluläre Signalübertragung und physiologischen Reaktionen zu manipulieren“, sagte Professor Koyanagi.

Wichtig ist, dass beide getesteten Opsine bistabil sind, was bedeutet, dass sie ohne Photobleichung oder Abbau zwischen stabilen Formen wechseln können, wenn sie aktiv und inaktiv sind, sodass sie nach Absorption einer anderen Lichtwellenlänge wieder verwendet werden können. Der Unterschied zwischen den Wellenlängen von UV- und grünem Licht ist groß genug, dass sich inaktives UV-empfindliches Opsin erholen kann, was eine farbabhängige optogenetische Ein- und Aus-Steuerung der GPCR-Signalübertragung ermöglicht.

„Das hier beschriebene Hochleistungs-Optogenetik-Tool auf der Grundlage von bistabilen tierischen GPCR-Opsinen ist ein Durchbruch, nicht nur in einem breiten Spektrum der biologischen Forschung, sondern könnte auch zum Bereich der Arzneimittelforschung beitragen, wo es bereits beträchtliche Aufmerksamkeit erhalten hat“, schloss Professor Terakita .