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Von der Ostsee zur Optogenetik: Über die wundersamen Wege der Grundlagenforschung
Was ist Optogenetik?
Der diesjährige Medizin-Nobelpreis wurde an drei Wissenschaftler für die Entwicklung einer Methode entwickelt, die die Neurowissenschaften revolutioniert hat: die Optogenetik. Das ist ein Verfahren, das es ermöglicht, mit Licht die Kontrolle über einzelne Zellen in einem Gewebe zu übernehmen. Lichtempfindliche Elemente, sogenannte Photorezeptoren, werden in Zellen eingebracht, woraufhin diese durch Licht gezielt an- und ausgeschaltet werden können. Man kann damit einzelne Nervenzellen, etwa im Hirn von Tieren, steuern.
So können Forschende beispielsweise untersuchen, wie Nervenzellen kommunizieren oder wie die Nervenaktivität mit dem Verhalten zusammenhängt. Aber auch ein aktiver Eingriff ins Verhalten ist möglich. Forschende brachten etwa Fruchtfliegen dazu, sitzen zu bleiben, Mäuse dazu, mit den Schnurrhaaren zu wackeln, und verursachten bei Ratten eine Erektion. Es wird nun daran gearbeitet, die Optogenetik auch therapeutisch beim Menschen einzusetzen – beispielsweise bei Sehstörungen und Taubheit.
Ein Bakterium als Nobelpreisbaustein
Was hat jetzt die Optogenetik mit mariner Mikrobiologie in Bremen zu tun? Tatsächlich kommt aus Mikroorganismen im Meer ein kleiner Baustein zur Nobelpreisforschung.
Vor etwa 20 Jahren sammelten Forschende des Bremer Max-Planck-Instituts in der Eckernförder Bucht Proben vom schlammigen Meeresboden, um die darin lebenden Bakterien zu untersuchen. Besonders ins Auge fiel ihnen dabei ein fadenförmiges Bakterium, das bei genauem Hinsehen mit bloßem Auge sichtbar war. Dieses Bakterium namens Beggiatoa setzt eigentlich Schwefelverbindungen am Meeresboden um und bildet auffällige Zellketten. Weil es nicht möglich war, diese Bakterienim Labor zu züchten, war ihre Erforschung schwierig. „Wir kamen nun auf die Idee, einen einzelnen Bakterienfaden mit der damals sehr neuen Technik der Whole Genome Amplification zu entschlüsseln”, erklärt Marc Mußmann, damals PostDoc am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie.
Unter all den Genen, die Mußmann und seine Mitforschendenin Beggiatoa fanden, 2007 veröffentlichten und in einer frei zugänglichen Datenbank hinterlegten, war auch eines, das die nun ausgezeichneten Nobelpreisträger interessierte. Es handelt sich dabei um ein sogenanntes BLUF-AC-Gen, das die Bauanleitung für einen winzigen Schalter enthält, der mit Blaulicht an-und ausgeschaltet werden kann: ein Enzym namens bPAC. „Uns hat das Gen damals nicht weiter interessiert; und bis heute weiß man nicht wirklich, wozu es den Bakterien dient.”, so Mußmann.
Kleiner, empfindlicher, besser: bPAC statt euPAC
Doch anderen Forschenden stach dieses Gen beim routinemäßigen Durchsuchen der Datenbanken durchaus ins Auge. Gesucht, gefunden: Wenige Jahre nach Mußmanns Genomanalyse erschien aus der Arbeitsgruppe des diesjährigen Nobelpreisträgers Peter Hegemann eine Veröffentlichung, die beschreibt, warum das Schalterenzym bPAC ein optimales Werkzeug für die Optogenetik ist. Denn um die Nervenzellen mit Licht steuern zu können, muss ihnen zunächst ein Gen eingeschleust werden, das sie lichtempfindlich macht. Hegemanns Gruppe experimentierte zunächst mit einem Lichtschalter-Gen aus dem Augentierchen Euglena: Das sind einzellige Süßwasserbewohner, die sich am Licht orientieren können.
DasbPAC-Gen aus dem Bakterium Beggiatoa stellte sich schnell als viel praktischer heraus. Es ist merklich kleiner als jenes des bisher benutzten euPAC-Gens aus dem Augentierchen Euglena. Dadurch ist es deutlich einfacher in Nervenzellen einzubauen. Außerdem kann bPAC mit viel weniger Licht angeknipst werden. Schon ein Tausendstel der Lichtmenge, die euPAC braucht, genügt. „Diese und einige weitere Vorteile haben die Forschenden dazu bewogen, ‘unser’ Beggiatoa-Gen zu nutzen, um Nervenzellen mit einem Lichtschalter zu versehen”, erklärt Rudolf Amann, in dessen Forschungsgruppe Mußmann beschäftigt war. In ihrer Veröffentlichung bezeichnen Hegemann und sein Team bPAC als ‘das perfekte optogenetische Werkzeug für die lichtgesteuerte Veränderung von cAMP [ein Stoff zur Signalübertragung] in Nervenzellen und -geweben’. “Und so rutsche eine kleines Stück Bremer Meeresbiologie in die spätere Nobelpreisforschung”, schmunzelt Amann.
Grundlagenforschung als Basis großer Erkenntnisse
Die Max-Planck-Gesellschaft, der unser Institut angehört und bei der auch zwei der drei diesjährigen Medizin-Nobelpreisträger früher tätig waren, hat sich der Grundlagenforschung verpflichtet. Grundlagenforschung will die Welt, in der wir leben, erklären und verstehen, getrieben von der Neugier und dem Wissensdurst der Forschenden, ohne auf eine konkrete Anwendung zu zielen.
„Große Entdeckungen in der Grundlagenforschung können nicht geplant und vorhergesagt werden”, betont Amann. „Das überraschende Zusammenwirken von Optogenetik und Meeresbiologie ist dafür ein schönes Beispiel – aus dem Schlamm der Ostsee ins Labor des Nobelpreisträgers. Es zeigt wie ein kleines und unscheinbares Stück Wissen zum Baustein einer bahnbrechenden Entdeckung werden kann.”
Relevante Veröffentlichungen
Mußmann M., Hu F.Z., Richter M., de Beer D., Preisler A., et al. (2007): Insights into the genome of large sulfur bacteria revealed by analysis of single filaments. PLoS Biol 5(9): e230. DOI:10.1371/journal.pbio.0050230
Stierl, M., Stumpf, P., Udwari, D., Gueta, R., Hagedorn, R., Losi, A., Gärtner, W., Petereit, L., Efetova, M., Schwarzel, M., Oertner, T.G., Nagel, G., Hegemann, P. (2011): Light modulation of cellular cAMP by a small bacterial photoactivated adenylyl cyclase, bPAC, of the soil bacterium Beggiatoa. J Biol Chem 2011 Jan 14;286(2):1181-8. DOI: 10.1074/jbc.M110.185496
Kim, T., Folcher, M., Baba, M.D.-E. and Fussenegger, M. (2015), A Synthetic Erectile Optogenetic Stimulator Enabling Blue-Light-Inducible Penile Erection†. Angew. Chem. Int. Ed., 54: 5933-5938. DOI: 10.1002/anie.201412204
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