Forscher beschreiben die ersten molekularen Prozesse im Auge, wenn Licht auf die Netzhaut trifft

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI haben die molekularen Prozesse entschlüsselt, die im Auge zuerst ablaufen, wenn Licht auf die Netzhaut trifft. Die Prozesse, die nur den Bruchteil einer Billionstel Sekunde dauern, sind für das menschliche Sehen unerlässlich. Die Studie wurde jetzt in der Fachzeitschrift veröffentlicht Natur.

Es handelt sich lediglich um eine mikroskopische Veränderung eines Proteins in unserer Netzhaut, und diese Veränderung erfolgt innerhalb eines unglaublich kurzen Zeitrahmens: Es ist der allererste Schritt in unserer Lichtwahrnehmung und Sehfähigkeit. Es ist auch der einzige lichtabhängige Schritt. Was genau nach der ersten Billionstelsekunde im Prozess der visuellen Wahrnehmung passiert, haben PSI-Forschende mit Hilfe des Freie-Elektronen-Röntgenlasers SwissFEL des PSI ermittelt.

Im Zentrum der Wirkung steht unser Lichtrezeptor, das Protein Rhodopsin. Im menschlichen Auge wird es von Sinneszellen, den Stäbchenzellen, produziert, die auf die Wahrnehmung von Licht spezialisiert sind. In der Mitte des Rhodopsins ist ein kleines geknicktes Molekül fixiert: Retinal, ein Derivat von Vitamin A. Trifft Licht auf das Protein, nimmt Retinal einen Teil der Energie auf. Blitzschnell ändert es dann seine dreidimensionale Form, sodass der Schalter im Auge von „aus“ auf „an“ gestellt wird. Dies löst eine Kaskade von Reaktionen aus, deren Gesamtwirkung die Wahrnehmung eines Lichtblitzes ist.

Gebunden und doch frei

Doch was passiert im Detail, wenn sich die Netzhaut von der sogenannten 11-cis-Form in die all-trans-Form umwandelt? „Wir kennen den Ausgangspunkt und das Endprodukt der Netzhautumwandlung schon länger, aber bisher konnte niemand in Echtzeit genau beobachten, wie die Veränderung im Sehfarbstoff Rhodopsin abläuft“, sagt Valérie Panneels, a Wissenschaftler im Forschungsbereich Biologie und Chemie des PSI.

Panneels vergleicht den Vorgang mit einer Katze, die mit dem Rücken voran von einem Baum fällt, aber irgendwie unverletzt auf ihren Füßen landet. „Die Frage ist: Welche Zustände nimmt die Katze während ihres Sturzes an, wenn sie sich aufrichtet, um auf ihren Füßen zu landen?“

Wie die PSI-Wissenschaftler herausfanden, dreht die «Netzhautkatze» zunächst ihre Körpermitte. Für Valerie Panneels kam der „Heureka-Moment“, als ihr klar wurde, dass etwas anderes passiert: Das Protein absorbiert einen Teil der Lichtenergie, um kurzzeitig eine winzige Menge aufzublähen – „wie unser Brustkorb, der sich beim Einatmen ausdehnt, nur um sich kurz darauf wieder zusammenzuziehen. “

Während dieser Phase des „Einatmens“ verliert das Protein vorübergehend den größten Teil seines Kontakts mit der Netzhaut, die in seiner Mitte sitzt. „Obwohl das Retinal an seinen Enden noch durch chemische Bindungen mit dem Protein verbunden ist, hat es jetzt Platz zum Rotieren.“ In diesem Moment ähnelt das Molekül einem Hund an einer lockeren Leine, der frei ruckeln kann.

Kurz darauf zieht sich das Protein wieder zusammen und hat die Netzhaut wieder fest im Griff, nur jetzt in einer anderen, länglicheren Form. „Auf diese Weise schafft es die Netzhaut, sich selbst zu drehen, unbeeinflusst von dem Protein, in dem sie gehalten wird.“

Einer der schnellsten natürlichen Prozesse

Die Umwandlung der Netzhaut von der geknickten 11-cis-Form in die all-trans-elongierte Form dauert nur eine Pikosekunde oder ein Billionstel (10-12) einer Sekunde und ist damit einer der schnellsten Prozesse in der gesamten Natur.

Solche schnellen biologischen Prozesse lassen sich nur mit einem Freie-Elektronen-Röntgenlaser wie dem SwissFEL aufzeichnen und analysieren. «Der SwissFEL ermöglicht es uns, die grundlegenden Prozesse des menschlichen Körpers wie das Sehen im Detail zu untersuchen», sagt Gebhard Schertler, Leiter des Forschungsbereichs Biologie und Chemie des PSI und gemeinsam mit Valérie Panneels Erstautor der Studie.

Um auf die Analogie der Katze zurückzukommen, wäre dies so, als würde man ihren Fall mit einer Hochgeschwindigkeitskamera filmen, aber mit einem großen Unterschied: Die Filmgeschwindigkeit der SwissFEL-Kamera ist millionenfach höher. Auch die Arbeit mit großen Forschungsanlagen ist viel mehr als nur das Drücken des Auslösers. Der Ph.D. Der Student Thomas Gruhl, der später als Postdoc am Institute for Structural and Molecular Biology in London arbeitete, hat Jahre damit verbracht, eine Methode zur Herstellung hochwertiger Rhodopsin-Kristalle zu entwickeln, die Daten mit ultrahoher Auflösung liefern können. Nur diese Daten ermöglichten letztlich die notwendigen Messungen am SwissFEL und – vor dem Bau des SwissFEL – am Freie-Elektronen-Röntgenlaser SACLA in Japan.

Dieses Experiment zeigt einmal mehr die wichtige Rolle des SwissFEL in der Schweizer Forschung. „Wahrscheinlich wird es uns in Zukunft zu vielen weiteren Lösungen verhelfen“, sagt Gebhard Schertler. „Unter anderem entwickeln wir auch Methoden, um dynamische Prozesse in Proteinen zu untersuchen, die normalerweise nicht durch Licht aktiviert werden.“ Solche Moleküle machen die Wissenschaftler mit künstlichen Mitteln lichtempfindlich: Entweder verändern sie die Bindungspartner entsprechend oder sie mischen Proteine ​​mit Bindungspartnern im Kristall so schnell, dass sie am SwissFEL untersucht werden können. Auf jeden Fall ist das Verfahren viel komplizierter, als einfach eine Kamera auf eine Katze zu richten, die von einem Baum fällt.