Universität Bielefeld Fakultät für Chemie Physikalische und Biophysikalische Chemie english


Biologische Lichtrezeptoren

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 sensorische Proteine, mit deren Hilfe der Organismus die Lichtbedingungen in der Umgebung bestimmt. Wir untersuchen die molekularen Mechanismen der Signalübertragung innerhalb der Proteine mit Hilfe der elektronischen Spektroskopie und der zeitaufgelösten Schwingungsspektroskopie. Für einen Überblick siehe Nachr. Chem. 2011.

Phototropin

Pflanzen nutzen den Blaulichtrezeptor Phototropin, um ihre Photosynthese zu optimieren und schädliche Strahlung zu vermeiden. Phototropine beinhalten zwei so genannte LOV-Domänen, in denen ein Derivat des Vitamin B2 (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 derzeitiges 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 weitergeleitet werden kann und wie die bZIP-Domäne aktiviert wird (siehe Biochemistry 2013).

Cryptochrome

Cryptochrome werden von allen Organismen verwendet, 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 Flavin Adenin Dinucleotid als lichtsensitives Molekül. Unser Ziel ist es, die lichtgetriebenen Abläufe in den Cryptochromen mit Hilfe der zeitaufgelösten Spektroskopie aufzuklären. Für erste Ergebnisse siehe JACS 2009, J. Phys. Chem. B 2010, JACS 2012.

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, das durch rotes Licht aktiviert wird (siehe Plant Cell 2012).


Zurück zur Hauptseite