Wissenschaftler steuern Zellen über eingebaute „Lichtschalter“

„Dahlem Konferenzen“ beschäftigen sich mit dem neuen Forschungszweig Optogenetik: öffentliche Sitzung am 4. September an der Freien Universität.

27.08.2012

Werden Blinde ihr Augenlicht in Zukunft mithilfe von Genen aus lichtempfindlichen Algen wiedergewinnen können? Wird man eines Tages einen epileptischen Anfall beenden können, indem man den Patienten einfach mit Licht anstrahlt? Ein neues Forschungsfeld verführt manche Wissenschaftler bereits zu visionären Hoffnungen: Optogenetik heißt das noch junge Fachgebiet, das Methoden der Optik und der Genetik kombiniert – mit dem Ziel, genetisch modifizierte Zellen mithilfe von Licht zu steuern. Der sich rasant entwickelnde moderne Forschungszweig steht im Mittelpunkt der nächsten Veranstaltung aus der Reihe „Dahlem Konferenzen“, die die Freie Universität in diesem Jahr zusammen mit einem der Pioniere dieser neuen Technologie, Professor Peter Hegemann von der Humboldt-Universität, organisiert.

Die Konferenz wird von der VolkswagenStiftung finanziert.

Zu der Konferenz mit dem Titel „Optogenetics Challenges and Perspectives“ treffen sich vom 2. bis 5. September weltweit führende Experten der Optogenetik aus Biophysik, Biochemie, Neurowissenschaften, Genetik und klinischer Neurologie in Dahlem, um über realistische Chancen und mögliche Risiken des Forschungszweiges zu diskutieren. Zu den weltweit renommierten Teilnehmern der Fachtagung zählt unter anderem Roger Tsien, Chemienobelpreisträger aus dem Jahr 2008.

Optogenetiker bauen – vereinfacht gesagt – gentechnisch „Lichtschalter“ für Zellen. Oder anders ausgedrückt: Bisher lichtunempfindliche Zellen werden in lichtempfindliche umgewandelt. Um das zu erreichen, fügen die Wissenschaftler Gene für die Produktion lichtreaktiver Proteine – wie etwa Kanalrhodopsin, das in Mikroalgen vorkommt – in lichtunempfindliche Zellen ein. Um das Gen in die Zelle zu schleusen, bedienen sich die Forscher eines Virus als Transportmittel.

Das Algengen, das den Bauplan für die Produktion der lichtempfindlichen Kanalrhodopsine in der Zelle liefert, wird zuerst mithilfe von Bakterien vervielfältigt und dann in das Erbgut eines Virus eingebaut. Denn Viren haben eine Eigenschaft, die sich die Forscher zunutze machen: Sie können in fremde Zellen eindringen und werden damit praktisch zu „Gen-Schleusern“. Obwohl die Viren alle Zellen eines Organismus infizieren, beginnen die darin enthaltenen Algengene nur in ausgewählten Zellen mit der Proteinproduktion. Grund ist eine Art Steuerelement, mit dem die Wissenschaftler das Algengen vor dem Einbau in das Virus präpariert haben. Es sorgt dafür, dass das Gen nur am erwünschten Zielort aktiv wird.

Einmal dort angekommen, verrichtet das importierte Gen dann die erwartete Arbeit und liefert – wie vorher in der Alge – den Bauplan für die Produktion lichtsensibler Proteine, die in der Zelle bestimmte Prozesse auslösen, sobald diese mit Licht bestrahlt wird. Auf diese Weise können die Wissenschaftler die Zellaktivität von außen durch Licht steuern.

Die Arbeit mit Licht hat entscheidende Vorteile: Licht ist räumlich und zeitlich sehr genau kontrollierbar. Mit Licht sind die Forscher in der Lage, punktgenau in lebendes Gewebe einzudringen, ohne dieses verletzen zu müssen. Anders als beim Einsatz von Medikamenten werden zudem die benachbarten Zellen nicht mitbehandelt. Unerwünschte Nebenwirkungen können somit vermieden werden.

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Schon heute werden mithilfe von lichtempfindlichen Genen aus Algen versuchsweise Nervenzellen von Mäusen, Würmern und Zebrafischen „ferngesteuert". Die Chancen, aber auch die möglichen Risiken dieses neuen Forschungsgebietes lassen sich noch nicht genau abschätzen. Trotzdem machen in Fachkreisen bereits atemberaubende Zukunftsvisionen die Runde: Die Hoffnung ist, mit optogenetischen Methoden eines Tages Epilepsie heilen oder zumindest epileptische Anfälle verhindern zu können und sogar Blinde wieder sehend zu machen. Auch an der Wiederherstellung des menschlichen Gehörs mithilfe der Optogenetik wird bereits gearbeitet.

Der Grund für solche aus heutiger Sicht überaus optimistischen Vorstellungen liegt darin, dass die Pioniere der Optogenetik ein geradezu universales biologisches Prinzip entdeckt und technisch nutzbar gemacht haben. Lichtempfindliche Proteine können gentechnisch in „blinde“ Zellen eingeschleust werden. „Auch Pflanzen verfügen über Photorezeptoren, wie sie in Augen von Tieren anzutreffen sind“, sagt Professor Peter Hegemann, Biophysiker und Leiter der diesjährigen Dahlem Konferenz.

Die Optogenetik und ihre Möglichkeiten sorgen für großes Interesse unter Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern. Das Gebiet entwickelt sich rasant, es wird bereits über erste klinische Anwendungen am Menschen nachgedacht.

Vor allem aber bietet die neue Technologie große Möglichkeiten für die weitere Grundlagenforschung, etwa in der Neurologie, sagt Hegemann: „Endlich kann man in neuronalen Netzwerken einzelne Zelltypen sehr spezifisch anregen und die Reaktionen darauf exakt beschreiben.“

Geradezu ins Schwärmen geriet die einflussreiche Fachzeitschrift Nature Methods, die Optogenetik schon 2010 zur „Methode des Jahres“ erklärte: „Indem wir durch Licht das Verhalten von Zellen kontrollieren, können wir Schritt für Schritt fast alle neuronalen Prozesse beschreiben und verstehen: Wir könnten lernen, wie wir aufwachen und sogar lernen, wie wir lernen.“ Triftige Gründe also für die Organisatoren der Dahlem Konferenzen 2012, das Thema auf die Agenda zu setzen. michael brückner

Interessierte können am Dienstag, den 4. September 2012, um 20.00 Uhr an einer öffentlichen Sitzung der 45 Expertinnen und Experten im Henry-Ford-Bau der Freien Universität teilnehmen.

 

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