Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Charité – Universitätsmedizin Berlin haben auf molekularer Ebene gezeigt, wie sich Licht mithilfe eines Proteins in eine zellinnere Information umwandelt.
Damit erweitern sie das Verständnis darüber,
wie sich Bakterien oder Pflanzen an verschiedene Lichtverhältnisse anpassen und
essentielle Prozesse wie die Photosynthese steuern können. Die Erkenntnisse
sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Communications*
erschienen.
Phytochrome
sind Proteine, die für den Umwandlungsprozess von Licht in zellinnere
Informationen verantwortlich sind. Diese Photorezeptoren kommen in Pflanzen,
Pilzen sowie Bakterien vor und nutzen Licht, um grundlegende physiologische
Prozesse zu regulieren. Phytochrome beherbergen ein lichtempfindliches Molekül,
den Chromophor. Wird dieser mit einer fest definierten Wellenlänge des Lichtes
bestrahlt, formt er sich um. Dies wird von dem umgebenden Protein erkannt und
weiter umgesetzt. Im Zuge einer Aktivierung und Deaktivierung mit Licht
durchläuft das Phytochrom dann eine komplexe strukturelle Umwandlung.
Die
Forscherinnen und Forscher vom Institut für Medizinische Physik und Biophysik der
Charité haben nun zur Aufklärung dieser strukturellen Umwandlung beigetragen:
Mithilfe der Röntgenstrukturanalyse bestimmten sie die 3D-Struktur eines
Phytochroms im dunklen Zustand und verglichen sie mit der im belichteten
Zustand. Dafür überführten sie das Protein zunächst in eine kristalline Form
und bestrahlten es anschließend mit Röntgenstrahlen. Auf diese Weise konnten
sie die Atomlagen des Phytochroms mit der Proteinstrukturanalyse berechnen. Die
Ergebnisse zeigen, welche Rolle einzelne Aminosäuren bei der An- und
Abschaltung der Proteine mit Licht spielen. „Unsere Erkenntnisse liefern
grundlegende Strukturdaten, die zu einem besseren Verständnis von der
Signalübertragung aus der Umwelt in einen Organismus beitragen. Dieses Wissen
ist unter anderem wichtig, um Photorezeptoren in Zukunft für verschiedene
medizinische Anwendungen nutzen zu können“, erklärt Dr. Patrick Scheerer,
Leiter der Studie.
Beispielsweise
könnten Photorezeptoren in der Onkologie für die Visualisierung von Tumorgewebe
eingesetzt werden. Grundlage dafür ist ihre Eigenschaft, Rot- bis Infrarotlicht
aufzunehmen und wieder abzugeben. Infrarotlicht kann in tiefere Schichten des
menschlichen Gewebes eindringen, so dass auch tieferliegende Zellen
nichtinvasiv und ohne Nebenwirkungen mit Phytochromen sichtbar gemacht werden
könnten. Zusätzlich könnten sich Photorezeptoren als lichtgesteuertes Werkzeug
eignen, um genetisch bedingte Krankheiten auf molekularer Ebene therapieren zu
können. Um diesen Anwendungen ein Stück näher zu kommen, möchte das Team um Dr.
Scheerer mit den nächsten Forschungsarbeiten die zusätzlich vorhandenen
Fluoreszenzeigenschaften von Phytochromen noch besser verstehen sowie weitere
Details der Umwandlungsprozesse von Phytochromen untersuchen.
Text
und Abbildung: Charité Berlin