NEWOPTOGENETICSTOOLS - Neue licht-gesteuerte Kanäle und Transporter für optogenetische Anwendungen

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Fahlke; Professor Dr. Alexander Gottschalk
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 284082629

Die Optogenetik stellt einen der wichtigsten technologischen Fortschritte der Biologie der letzten Jahre dar. Das Verfahren beruht auf einer lichtgesteuerten Funktionsänderung von speziellen Proteinen und erlaubt damit das An- und Abschalten bestimmter Zellfunktionen mit hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung. Ein solcher Zugang verspricht nicht nur Durchbrüche in der Analyse zellulärer Netzwerke, sondern auch neue Ansätze in der Therapie verschiedener menschlicher Krankheiten. Damit die Optogenetik diese Versprechen erfüllen kann, sind allerdings neue lichtgesteuerte Proteine mit verbesserten funktionellen Eigenschaften notwendig, wie zum Beispiel lichtgesteuerte Ionenkanäle und -Transporter mit hoher Selektivität und optimierten Transporteigenschaften.Unser Projekt benutzt zwei verschiedene Ansätze, um diese Aufgabe zu erfüllen. (1) Wir werden neue licht-gesteuerte Ionenpumpen entwickeln. Diese Arbeiten beruhen auf Vorarbeiten unseres Konsortiums, das die hochauflösende Struktur der ersten licht-gesteuerten Na+-Pumpe im Grundzustand gelöst und diese Ergebnisse benutzt hat, um eine licht-gesteuerten K+-Pumpe zu konstruieren. Wir werden diese beiden Pumpen für optogenetische Ansätze optimieren. Darüber hinaus werden wir neue licht-gesteuerte Pumpen aus prokaroytischen Datenbasen identifizieren und diese funktionell charakterisieren. Wir werden hochauflösende Strukturen von intermediären Zuständen lösen und diese Informationen benutzen, um Na+- und K+-Pumpen mit neuen Eigenschaften und darüber hinaus licht-gesteuerte Ca2+-Pumpen zu generieren. Die Eignung dieser Pumpen für optogenetische Experimente werden in verschiedenen Expressionssystemen, von der Kulturzelle bis zu C. elegans, getestet und optimiert werden. Bislang ist es nicht gelungen, die Kationenselektität von Channelrhodopsin effektiv zu modifizieren. Ein Grund dafür ist das beschränkte Verständnis der molekularen Mechanismen der Ionenpermeation durch Channelrhodopsin. Wir werden strukturbiologische Methoden und Simulationstechniken kombinieren, um den Ionenpermeations- und Selektionsprozess zu verstehen und um licht-aktivierte Ionenkanäle mit verbesserten Eigenschaften zu konstruieren. Unser Konsortium aus drei französischen und drei deutschen Gruppen (zu denen ein Pionier auf dem der Gebiet lichtgesteuerter Ionenkanäle gehört) umfasst Experten auf allen für diese Projekte notwendigen Techniken: der Produktion, der Analyse von Struktur und Funktion und der computer-gestützten Analyse der Funktionsmechanismen licht-gesteuerter Proteine sowie der Anwendung optogenetischer Verfahren in kultivierten Neuronen und in dem Modellorganismus C.elegans. Wir glauben, dass wir in diesem Verbund in den nächsten Jahren optogenetische Werkzeuge mit verbesserten Eigenschaften identifizieren und damit einen wichtigen Beitrag zu neuen optogenetischen Ansätzen leisten können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Professor Dr. Valentin Gordeliy; Privatdozent Dr. Michel Vivaudou
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Ernst Bamberg