Photo/photoredox-schaltbare Liganden als chemische Werkzeuge für die Optogenetik

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Kathrin Lang; Dr. Martin Sumser; Dr. Oliver Thorn-Seshold
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426018126

Synthetisch hergestellte niedermolekulare Verbindungen, welche als lichtschaltbare Liganden für diverse Zielproteine fungieren haben die räumliche und zeitliche Präzision von pharmakologischen Anwendungen grundlegend verändert. Dies gilt im Besonderen für Transmembranrezeptoren welche durch genetische Manipulation dahingehend verändert wurden, dass sie über eine reaktive Aminosäure (z.B. ein extrazellulärer Cys) verfügen, so dass Liganden mit einer komplementären reaktiven Seitenkette daran andocken können. Die Nützlichkeit dieses Ansatzes für optogenetische Studien wurde bereits erfolgreich an reversibel lichtschaltbaren Ionenkanälen und GPCRs gezeigt ("Optochemischen Genetik"). Als lichtsensitive Einheit wurde hierbei ein Azobenzol in die lichtschaltbaren Liganden eingebaut. Dieser hat jedoch einen geringen „Photoschaltbarkeitsindex“ mit typischerweise etwa 5-fachen Umfang des Schaltens. Deswegen ist dieser Ansatz davon abhängig, geeignete Proteine zu identifizieren, welche sich durch eine stark ausgeprägte nichtlineare Antwort auf Änderungen der effektiven Ligandenkonzentration auszeichnen. Nicht nur deswegen hat diese Methode Schwierigkeiten, sich von rein zellulären Machbarkeitsstudien zu zellbiologischen bzw. in vivo Studien weiterzuentwickeln.In diesem Projekt zielen wir darauf ab ein neues molekulares Konzept zur Photopharmakologie und insbesondere auch der optochemischen Genetik zu etablieren. Ziel 1: Entwicklung molekularer Konstrukte, welche sich durch einen Photo/Photoredox Schaltmechanismus auszeichnen und dabei eine 100-fach erhöhte Photoschaltbarkeit gegenüber herkömmlichen Azobenzolen aufweisen. Ziel 2: Die deutlich erhöhte Photoschaltbarkeit ermöglicht es, diese neuartigen Schalter auf eine Vielzahl von genetisch manipulierten Transmembranrezeptoren anzuwenden und dabei im Vergleich zu herkömmlichen Methoden eine höhere Erfolgsrate zu erreichen. Ziel 3: Wir wollen diese Methode für die Anwendung bei intrazellulären Proteinen erweitern. Dieses bis dato sehr anspruchsvolle Unterfangen erfordert den Einbau von höchst spezifischen reaktiven Seitenketten in die Peptidkette des gewünschten Proteins. Dazu machen wir uns die sogenannte "genetic code Expansion" Methode zunutze. Hierbei wird in die Peptidkette eine bioorthogonale spezifische Andockstelle eingeführt, wodurch wenn überhaupt nur minimale funktionelle und strukturelle Veränderungen auftreten. In einem zweiten Schritt sollen dann die Photo/Photoredox-Schalter bioorthogonal an das Protein gekoppelt werden und sowohl Transmembran (Ziel 3) als auch intrazelluläre Zielproteine (Ziel 4) lichtschaltbar gemacht werden. Ziel 5: Ohne die Notwendigkeit von genetischen Veränderungen sollen frei diffundierende hochsensitive Photo/Photoredox-Schalter evaluiert werden, welche endogene Rezeptoren, bzw. Ionenkanäle retinaler Ganglionzellen lichtschaltbar machen. Bei erfolgreicher Anwendung haben diese Schalter das Potential visuelle Eindrücke in degenerierten Retinae wieder herzustellen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1926: Next Generation Optogenetics: Tool Development and Application
• Internationaler Bezug: Schweiz