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Begründer der Optogenetik ausgezeichnet

31.08.2012
Proteinstruktur von Rhodopsin. Foto: Leonid Andronov - Fotolia.com

Die Optogenetik eignet sich zur Untersuchung neurologischer Erkrankungen. Darüber hinaus könnte sie in Zukunft medizinische Bedeutung für die Gentherapie von Netzhaut-Erkrankungen haben.

Forscher können heute Nervenzellen mit Genen für lichtempfindliche Proteinkanäle versehen und die Zellen so untersuchen. Die Gertrud Reemtsma-Stiftung zeichnet nun vier Wissenschaftler mit dem K. J. Zülch-Preis 2012 aus, die das noch junge Forschungsgebiet der Optogenetik maßgeblich befördert haben. Zu ihnen gehört auch der Biophysiker Peter Hegemann von der Humboldt-Universität. Ausgezeichnet werden außerdem Ernst Bamberg vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt, Karl Deisseroth von der Stanford University, USA, Berlin, und Georg Nagel von der Universität Würzburg. Mit der Auszeichnung würdigt die Gertrud Reemtsma-Stiftung die große Bedeutung der Optogenetik, die das Forschungsfeld insbesondere für die Neurowissenschaften erlangt hat. Denn mithilfe optogenetischer Methoden können Wissenschaftler wichtige Erkenntnisse über neurologische Erkrankungen gewinnen.



Manchmal sind es gerade die unscheinbaren Organismen, die die Wissenschaft voranbringen. Die einzellige Süßwasseralge Chlamydomonas reinhardtii und das Salzsee-Archaebakterium Natronomonas pharaonis sind dafür Paradebeispiele. Sie besitzen Lichtsinnesproteine zur Orientierung und Energiegewinnung, sogenannte Rhodopsine. Diese lichtempfindlichen Proteine nutzen Wissenschaftler seit einigen Jahren, um die Funktionsweise von Zellen zu untersuchen. Rhodopsine werden mit Hilfe von Gentechnik in Nervenzellen eingeschleust und lassen sich dort beispielsweise mithilfe von Licht aktivieren und wieder deaktivieren. Damit lassen sich Funktionen von einzelnen Zellen oder Zelltypen und die Verknüpfung dieser Zellen studieren.



Peter Hegemann gelang es 2002 an der Universität Regensburg mit den beiden Max-Planck-Wissenschaftlern Georg Nagel und Ernst Bamberg die außergewöhnliche Funktion der Algen-Rhodopsine zweifelsfrei nachzuweisen: Durch die Übertragung des Rhodopsin-Gens auf Eizellen des Krallenfrosches sowie humane Nierenzelllinien konnten sie beweisen, dass die Algenproteine Lichtrezeptor und Ionenkanal in einem einzigen Protein vereinen. Bei Lichteinfall einer bestimmten Wellenlänge wird der Proteinkanal durchlässig für positive Kalium- und Natrium-Ionen sowie Protonen – das Zellpotenzial wird also ins Positive verschoben (Depolarisation). Die Algen-Rhodopsine unterscheiden sich damit von den meisten anderen lichtempfindlichen Proteinen wie beispielsweise den Rhodopsinen im menschlichen Auge, die keinen eigenen Ionenkanal besitzen.



Nach ihrer Entdeckung begannen die Forscher, die von ihnen als Channelrhodopsine bezeichneten Proteine als Werkzeuge zur Untersuchung von Zellen einzusetzen und weiterzuentwickeln. Denn ausgestattet mit dem Gen für das Channelrhodopsin-2-Protein lassen sich ganz unterschiedliche Zelltypen mit einem Lichtschalter versehen und die Auswirkungen von Änderungen der Ionenzusammensetzung oder des pH-Werts analysieren.



Die Optogenetik eignet sich zur Untersuchung neurologischer Erkrankungen. Wichtiges Hilfsmittel sind dabei genetisch veränderte Tiere mit Krankheitsbildern, die menschlichen Erkrankungen ähneln und mit Channelrhodopsin-Genen ausgestattet sind. Ein Ziel könnte sein, im Gehirn von Epilepsie- oder Parkinson-Patienten Nervenzellen mithilfe von lichtleitenden Glasfasern nach Bedarf kontrolliert an- oder abzuschalten, um die entsprechenden Krankheitsphänomene aufzuheben.



Auch darüber hinaus könnte die Optogenetik in Zukunft medizinischen Nutzen haben. So haben Forscher bereits 2006 und 2008 blinde Mäuse wieder sehend gemacht. Dazu brachten sie Channelrhodopsin in Nervenzellen der Netzhaut von Mäusen ein, die aufgrund eines Gendefekts keine Lichtsinneszellen ausbilden können. Die Tiere konnten nach dieser Behandlung zumindest wieder zwischen hell und dunkel unterscheiden. Möglicherweise können auch Menschen mit einer Erkrankung der Netzhaut - der so genannten Makula-Degeneration - durch eine Gentherapie mit Channelrhodopsinen zumindest einen Teil ihrer Sehkraft wieder erlangen.



Die Verleihung des K. J. Zülch-Preises findet am 7. September im Hansasaal des Historischen Rathauses zu Köln statt.


Prof. Peter Hegemann ist außerdem einer der Organisatoren der nächsten Dahlem-Konferenz, bei der sich die Pioniere der Optogenetik aus Biophysik, Biochemie, Neurowissenschaften, Genetik und klinischer Neurologie an der Freien Universität treffen, um über realistische Chancen und mögliche Risiken dieses sich rasant entwickelnden Forschungsgebietes zu diskutieren. Die Fachtagung wird von der VolkswagenStiftung finanziert. 

 

 

Proteinstruktur von Rhodopsin. Foto: Leonid Andronov - Fotolia.com