Universität Bielefeld Fakultät für Chemie Biophysikalische Chemie und Photochemie english


Lichtsensoren und Optogenetik

Wenn Tiere, Pflanzen, Pilze und Bakterien auf Licht reagieren, so wird dies oft durch blaues Licht ausgelöst. Beispiele sind das Wachstum von Pflanzen zum Licht hin (Phototropismus) und das Einstellen der biologischen Uhr in Tieren (Circadianer Rhythmus).

Blaulichtrezeptoren sind Proteine, mit denen der Organismus die Lichtbedingungen in der Umgebung bestimmt. Wir untersuchen die Mechanismen der Signalübertragung innerhalb der Proteine von Nanosekunden bis Minuten mit Hilfe der zeitaufgelösten Schwingungsspektroskopie und der elektronischen Spektroskopie.
Für einen Überblick siehe Nachr. Chem. 2011.

Alle Blaulichtrezeptoren werden inzwischen als Werkzeuge in der Optogenetik eingesetzt, um biologische Prozesse künstlich lichtabhängig zu machen. Für die Entwicklung und Anwendung der Werkzeuge ist ein Verständnis der Mechanismen essentiell.

Cryptochrome

Cryptochrome kommen in allen Organismen zum Einsatz, unterscheiden sich aber untereinander stark in Funktion und Mechanismus. Sie spielen eine Schlüsselrolle im Einhalten des Tagesrhythmus von Pflanzen und Tieren, wie auch im Menschen. Cryptochrome steuern lichtabhängige Prozesse wie das Einstellen der Uhr in Insekten und die Entwicklung von Pflanzen (Photomorphogenese). Auch eine Funktion als Magnetfeldrezeptor wurde nachgewiesen.

Alle Cryptochrome beinhalten ein ein Derivat des Vitamin B2 (Flavin Adenin Dinucleotid) als lichtsensitives Molekül. Unser Ziel ist es, die lichtgetriebenen Abläufe in den Cryptochromen mit Hilfe der zeitaufgelösten Spektroskopie aufzuklären.
(siehe JACS 2009, J. Phys. Chem. B 2010, JACS 2012, JACS 2015)

Überraschenderweise gibt es ein Tier-ähnliches Cryptochrom (aCRY), das in Grünalgen nicht nur blaues sondern auch rotes Licht detektieren kann. Damit haben wir das erste Flavin-haltige Protein identifiziert und charakterisiert, das durch rotes Licht aktiviert wird (siehe Plant Cell 2012, J. Biol. Chem. 2017).

Phototropin

Pflanzen nutzen den Blaulichtrezeptor Phototropin, um ihre Photosynthese zu optimieren und schädliche Strahlung zu vermeiden (siehe Nature 2016).

Phototropine beinhalten zwei so genannte LOV-Domänen, in denen ein Flavin Mononucleotid als lichtsensitives Molekül gebunden ist. Blaues Licht bewirkt die Bildung einer kovalenten Verknüpfung zwischen dem Flavin und der Proteinhülle. Nach vielen Sekunden bricht diese Bindung wieder und der Sensor ist wieder empfangsbereit.

Die einzelnen Stufen in diesem Photozyklus und ihre Kinetik wurden bereits von uns im Detail untersucht (siehe Biophys. J. 2003). Nun beschäftigen wir uns mit der Frage, wie das Signal innerhalb des Proteins vom Sensor zum Effektor (einer Kinase) weitergeleitet wird. Für unser Modell siehe Biochemistry 2010.

Aureochrom

Einige Algen besitzen statt dem Phototropin ein Aureochrom als Blaulichtsensor. Aureochrome besitzen ebenfalls eine sensorische LOV-Domäne, aber der Effektor ist eine DNA-Bindedomäne (bZIP-Domäne). Demnach funktionieren Aureochrome wahrscheinlich als lichtgesteuerte Transkriptionsfaktoren, was auch von hohem Interesse für die Biotechnologie ist.

Die Anordnung von Sensor und Effektor ist im Vergleich zum Phototropin invertiert. Wir untersuchen, wie in dieser Anordnung ein Signal zur bZIP-Domäne weitergeleitet werden kann und wie dadurch die DNA-Bindung verändert wird (siehe Biochemistry 2013, Biochemistry 2015, Nucleic Acids Research 2017).


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