ERA-Net: Verbundprojekt: Identifizierung und Entwicklung neuer Moleküle für die Optogenetik, basierend auf lichtgetriebenen Ionenpumpen und lichtgesteuerten Ionenkanälen; Teilprojekt: Forschungszentrum Jülich (NEWOPTOGENTOOLS)

Optogenetik ist eine der wichtigsten und jüngsten technologischen Entwicklungen in der Biologie. Die wichtigsten Werkzeuge auf dem Gebiet der Optogenetik sind lichtgetriebene Retinal-Membranproteine. Ein wesentlicher Aspekt für die weitere Entwicklung ist es neue lichtgetriebene Proteine zu identifizieren und/oder herzustellen. Dies könnten Kanäle oder Transporter mit einer hohen Selektivität und Konduktivität für bestimmte Ionen sein. Vor allem eine nach außen gerichtete K+-Pumpe wäre in höchstem Maße wünschenswert, da K+ das entscheidende Ion für die Vermittlung natürlicher neuronaler Re- und Hyperpolarisation ist. Eine geringe operative Lichtkraft ist ein beispielloser Vorteil von Kanälen. Das Vorhaben wird sich mit beiden Retinalprotein Gruppen auseinandersetzen und ändern deren Eigenschaften, so dass sie für die Optogenetik nutzbar sind. Ein Erfolg bei der rationalen Identifikation und/oder Entwicklung neuer lichtgetriebener Proteine mit definierten Eigenschaften ist beinahe ausgeschlossen, aufgrund der sehr limitierten Anzahl zur Verfügung stehender Strukturmodelle von Retinalproteinen mit hoher Auflösung, die sich in ihrem Expressionsverhalten, ihrer Richtung, Art und Geschwindigkeit unterscheiden. Im Vorhaben werden strukturelle und funktionale Studien an Rhodopsinen entwickelt, die vielversprechend für die Optogenetik erscheinen. Diese umfassen die K+-selektive Mutante von K.eikastus Rhodopsin KR2, die zuvor entwickelt wurden, farbadaptierte Mutanten von KR2, phylogenetisch enge und entfernte KR2 Homologe, die als K+ oder Ca2+-Pumpen in Frage kommen, sowie Channel Rhodopsin 2 von C. reinhardtii und seine Mutanten. Die produzierten Rhodopsine werden in Bezug auf ihre in vivo photoaktivierte Ionentranslokationsselektivität charakterisiert, ihr Photozyklus wird mittels Blitzphotolyse in Lipidmembranen und mimetischen Membranen bestimmt.