Optogenetik

In Nervenzellen eingebrachte, lichtempfindliche Proteine können per Licht aktiviert oder deaktiviert werden. Die Fotomontage zeigt, dass Forscher mit Hilfe der Optogenetik zum Beispiel in jungen, nahezu durchsichtigen Zebrafischen Zusammenhänge zwischen Nervenzellaktivität und Verhalten (hier Schwanzschlägen) untersuchen können.

Kaum eine andere Methode hat die Neurowissenschaften seit Anfang der 2000er Jahre so beeinflusst wie die Optogenetik. Sie erlaubt es, einzelne Nervenzellen oder Nervenzell-Netzwerke im Gehirn von lebenden Tieren per Licht ein- und auszuschalten. Damit können Forschende das Kommunikationsverhalten von Nervenzellen untersuchen und zum Beispiel Zusammenhänge zwischen neuronaler Aktivität und Verhalten herstellen.

Den Grundstein für die Methode lieferten Dieter Oesterhelt, vom heutigen Max-Planck-Institut für Biochemie, und sein Kollege Walter Stoeckenius in den 1970er Jahren [1]. Die Forscher untersuchten Lichtsensoren in einem Bakterium und wiesen nach, dass ein lichtempfindliches Protein, das Bacteriorhodopsin, bei Lichteinfall einen Ionenfluss ermöglicht und so zu einer Polarisierung der Zelle führt.

Mit neuen molekularbiologischen Methoden gelang es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern dann Anfang der 2000er Jahre lichtempfindliche Proteine in die Zellmembranen von Nervenzellen einzuschleusen. Proteine wie das Channelrhodopsin reagieren auf blaues Licht, indem sie positiv geladene Ionen in die Zelle einströmen lassen. Dadurch ändert sich die Spannung über die Membran und in der Nervenzelle entsteht ein Aktionspotential – sie wird aktiv. Ein anderes Protein, das Halorhodopsin, schleust bei orangenem Licht negative Ionen in die Zelle ein. So wird die Aktivität der Zelle gehemmt.

Wissenschaftler können die Proteine zudem mit einem Regulationselement versehen, sodass die "Lichtschalter-Proteine" nur in bestimmte Nervenzellen gelangen. Auf diese Weise ist es heute tatsächlich möglich, gezielt die Aktivität ausgewählter Nervenzellen durch einen entsprechenden Lichtimpuls zu manipulieren.

Die Optogenetik entwickelt sich rasant. Inzwischen können Forscher nicht nur einzelne Nervenzellen, sondern auch einzelne Strukturen innerhalb einer Zelle gezielt aktivieren. Erste Studien untersuchen zudem bereits die Möglichkeit, erblindete oder taube Menschen mit Hilfe der Optogenetik zu unterstützen. Bislang ist die Optogenetik jedoch vor allem ein wichtiges Instrument der Grundlagenforschung, um das Gehirn besser kennenzulernen.

Nervenzellen und Muskeln nur mit Licht an- und ausschalten? Mit der neuen Technik der Optogenetik wird das möglich. Der Film beschreibt die Methode der Optogenetik und ihren Einsatz in der Forschung und vielleicht auch in der Medizin.

Optogenetik: Licht geht auf die Nerven

Nervenzellen und Muskeln nur mit Licht an- und ausschalten? Mit der neuen Technik der Optogenetik wird das möglich. Der Film beschreibt die Methode der Optogenetik und ihren Einsatz in der Forschung und vielleicht auch in der Medizin.
Rhodopsine, eine Verbindung aus Protein und Farbstoff, können Licht in zelluläre Signale umwandeln - etwa im Sehfleck von Grünalgen oder im menschlichen Auge. Die Optogenetik nutzt diesen Effekt, um Nerven- oder Muskelzellen durch Licht zu aktivieren.

Channelrhodopsin:
Ein Lichtsensor der besonderen Art

Rhodopsine, eine Verbindung aus Protein und Farbstoff, können Licht in zelluläre Signale umwandeln - etwa im Sehfleck von Grünalgen oder im menschlichen Auge. Die Optogenetik nutzt diesen Effekt, um Nerven- oder Muskelzellen durch Licht zu aktivieren.
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