Virale Channelrhodopsine 1: Einzigartige Kanäle für neuartige Optogenetik und die Aufklärung molekularer Mechanismen der Ionenpermeabilität

• Antragsteller: Taras Balandin, Ph.D.; Professor Dr. Josef Wachtveitl
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 568715301

Das OPTOVCR-Projekt zielt darauf ab, den molekularen Mechanismus der Ionenpermeabilität von viralen Channelrhodopsinen (VCR1) in noch nie dagewesener Genauigkeit aufzuklären und dieses Wissen für die rationale Entwicklung einzigartiger optogenetischer Werkzeuge auf der Grundlage von VCR1 zu nutzen. Diese lichtabhängigen Ionenkanäle können Calcium-Signale auslösen, ohne die elektrischen Eigenschaften der Plasmamembran zu verändern. Kürzlich haben wir gezeigt, dass ein Vertreter der VCR1 Familie, OLPVR1, der im EPR exprimiert wird, Calcium-Signale auslösen und die Muskelkontraktion in Kaulquappen steuern kann (Eria-Oliveira et al., 2024). Wir haben auch gezeigt, dass OLPVR1 gut geordnete Kristalle bildet, die eine atomare Auflösung von bis zu 1,1 Å ermöglichen, was es zu einem einzigartigen System für die Ziele des Projekts macht. Ergänzende XFEL- und zeitaufgelöste Synchrotron-Röntgenkristallographie (TRX) sowie zeitaufgelöste (TR) Spektroskopie (UV-Vis und FTIR) werden durchgeführt, um die Mechanismen der Ionenpermeabilität aufzuklären. Anschließend werden verbesserte VCR1-Varianten mit hoher Lichtempfindlichkeit, Calciumpermeabilität und verbesserter Photokinetik entwickelt. Diese VCR1-Varianten werden in Zellen und Tiermodellen getestet, um die empfindlichsten Werkzeuge für die grundlegende und medizinisch relevante optogenetische Forschung auszuwählen. Die Gruppe von V. Gordeliy wird VCR1s kristallisieren und TRX-Studien über das Öffnen und Schließen von VCR1s durchführen, während die Gruppe von G. Sandoz elektrophysiologische Studien mit ausgewählten verbesserten VCR1s durchführen wird. Die Gruppe von J. Wachtveitl wird die Photodynamik von VCR1s analysieren, die wesentlich für die Planung von TRX-Studien und für die Durchführung von Studien mit intakten VCR1s notwendig ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Valentin Gordeliy; Privatdozent Dr. Guillaume Sandoz