Arktische Mikroben könnten Neurologie verändern

Eisige Lichtschalter: Wie Arktische Mikroben die Neurowissenschaft revolutionieren könnten Stellen Sie sich die majestätischen Gletscher Grönlands, den ewigen Schnee der tibetanischen Hochgebirge und das stets eiskalte Grundwasser Finnlands vor. Diese Orte sind nicht nur kalt und schön, sondern auch die Heimat ungewöhnlicher Moleküle, die von dem Strukturbiologen Kirill Kovalev als potenzielle Steuerungsmittel für die Aktivität von Hirnzellen untersucht werden. Kovalev, ein Postdoktorand bei der Schneider-Gruppe am EMBL Hamburg und der Bateman-Gruppe am EMBL-EBI, ist Physiker mit Leidenschaft für biologische Probleme. Er beschäftigt sich insbesondere mit Rhodopsinen, einer Gruppe farbiger Proteine, die Wasserlebewesen ermöglichen, Sonnenlicht zur Energiegewinnung zu nutzen. „In meiner Arbeit suche ich nach ungewöhnlichen Rhodopsinen und versuche zu verstehen, was sie tun“, sagte Kovalev. „Solche Moleküle könnten unbekannte Funktionen haben, von denen wir profitieren könnten.“ Einige Rhodopsine wurden bereits modifiziert, um als Lichtgeschaltete Schalter für elektrische Aktivitäten in Zellen zu dienen. Diese Technik, bekannt als Optogenetik, wird von Neurowissenschaftlern benutzt, um die Neuronenaktivität während Experimenten selektiv zu steuern. Rhodopsine mit anderen Fähigkeiten, wie enzymatischer Aktivität, könnten dazu verwendet werden, chemische Reaktionen mit Licht zu kontrollieren. Nach Jahren der Rhodopsinforschung glaubte Kovalev, sie in- und auswendig zu kennen – bis er eine neue, geheimnisvolle Gruppe von Rhodopsinen entdeckte, die ganz anders war als alles, was er bisher gesehen hatte. Dieses Ereignis begann zufällig, als er Online-Proteindatenbanken durchstöberte und eine ungewöhnliche Eigenschaft bei mikrobiellen Rhodopsinen entdeckte, die ausschließlich in sehr kalten Umgebungen wie Gletschern und Gebirgen vorkommen. „Das ist seltsam“, dachte er, denn Rhodopsine findet man normalerweise in Meeren und Seen. Diese kalteklimatischen Rhodopsine waren fast identisch, obwohl sie Tausende von Kilometern voneinander entfernt entstanden. Dies konnte kein Zufall sein. Sie müssen für das Überleben in der Kälte essentiell sein, schloss Kovalev. Um dies zu würdigen, nannte er sie „Cryorhodopsine“. Rhodopsine aus dem Nichts Kovalev wollte mehr erfahren: Was diese Rhodopsine aussehen, wie sie funktionieren und insbesondere, welche Farbe sie haben. Die Farbe ist die Schlüsselfunktion jedes Rhodopsins. Die meisten sind rosa-orange – sie reflektieren rosa und orangefarbenes Licht und absorbieren grünes und blaues Licht, das sie aktiviert. Wissenschaftler streben danach, eine Palette verschiedener farbiger Rhodopsine zu schaffen, um die Neuronenaktivität präziser steuern zu können. Blaue Rhodopsine sind besonders begehrt, da sie durch rotes Licht aktiviert werden, das tiefer in Gewebe eindringt und weniger invasiv ist. Zu Kovalevs Überraschung zeigten die Cryorhodopsine, die er im Labor untersuchte, eine überraschende Vielfalt an Farben und – vor allem – einige waren blau. Die Farbe eines jeden Rhodopsins wird durch seine molekulare Struktur bestimmt, die die Wellenlängen des Lichts, das es absorbiert und reflektiert, diktiert. Jede Veränderung in dieser Struktur kann die Farbe ändern. „Ich kann tatsächlich erkennen, was mit Cryorhodopsinen passiert, indem ich einfach ihre Farbe betrachte“, lachte Kovalev. Mit fortgeschrittenen Strukturbiologie-Techniken stellte er fest, dass das Geheimnis der blauen Farbe dieselte seltene strukturelle Eigenschaft ist, die er ursprünglich in den Proteindatenbanken entdeckt hatte. „Da wir nun verstehen, was sie blau macht, können wir synthetische blaue Rhodopsine für verschiedene Anwendungen entwickeln“, sagte Kovalev. Als Nächstes untersuchten Kovalevs Kollegen Cryorhodopsine in kultivierten Gehirnzellen. Wenn Zellen, die Cryorhodopsine exprimieren, mit UV-Licht beleuchtet wurden, wurden innerhalb der Zellen elektrische Ströme induziert. Interessanterweise veränderte die anschließende Beleuchtung mit grünem Licht die Zellen, sodass sie empfindlicher wurden, während UV/rot Licht ihre Empfindlichkeit reduzierte. „Neue Optogenetik-Werkzeuge, die die elektrische Aktivität der Zellen sowohl ‚an‘ als auch ‚aus‘ schalten können, wären in Forschung, Biotechnologie und Medizin unglaublich nützlich“, sagte Tobias Moser, Gruppenleiter am Universitätsmedizin Göttingen, der an der Studie beteiligt war. „In meiner Gruppe entwickeln wir beispielsweise neue optische Cochlea-Implantate für Patienten, die optogenetisch das Gehör wiederherstellen können. Die Entwicklung solcher vielseitigen Rhodopsine für zukünftige Anwendungen ist eine wichtige Aufgabe für weitere Studien.“ „Unsere Cryorhodopsine sind noch nicht bereit, als Werkzeuge verwendet zu werden, aber sie sind ein exzellentes Prototyp. Sie verfügen über alle wesentlichen Eigenschaften, die, basierend auf unseren Ergebnissen, so optimiert werden können, dass sie effektiver für die Optogenetik werden“, sagte Kovalev. Die UV-Lichtschutzfunktion der Evolution Cryorhodopsine können sogar bei trübem Wintertag in Hamburg UV-Licht wahrnehmen, wie Kovalevs Kollegen vom Goethe-Universität Frankfurt unter der Leitung von Josef Wachtveitl mittels fortschrittlicher Spektroskopie zeigten. Das Team von Wachtveitl stellte fest, dass Cryorhodopsine tatsächlich die langsamsten unter allen Rhodopsinen in ihrer Lichtreaktion sind. Dies ließ die Wissenschaftler vermuten, dass Cryorhodopsine möglicherweise als Lichtsensor fungieren und den Mikroben helfen, UV-Licht zu „sehen“ – eine Eigenschaft, die bei anderen Rhodopsinen bisher unbekannt war. „Können sie das wirklich?“, fragte sich Kovalev immer wieder. Ein typischer Sensorprotein komplexiert mit einer Botenmolekül, das Informationen von der Zellmembran ins Innere der Zelle weiterträgt. Kovalev wurde selbstbewusster, als er zusammen mit seinen Kollegen aus Alicante, Spanien, und seinem EIPOD-Mitbetreuer Alex Bateman vom EMBL-EBI feststellte, dass das Gene, das Cryorhodopsine kodiert, stets von einem Gen begleitet wird, das ein kleines Protein von unbekannter Funktion kodiert – möglicherweise funktional verbunden. Mit Hilfe des KI-Tools AlphaFold konnten sie zeigen, dass fünf Kopien des kleinen Proteins einen Ring bilden und mit dem Cryorhodopsin interagieren. Laut ihren Vorhersagen sitzt das kleine Protein direkt gegenüber dem Cryorhodopsin im Inneren der Zelle. Sie glauben, dass, wenn das Cryorhodopsin UV-Licht wahrnimmt, das kleine Protein abgehen könnte, um diese Information in die Zelle weiterzutragen. „Es war faszinierend, ein neues Mechanismus zu entdecken, durch den das lichtempfindliche Signal von Cryorhodopsinen an andere Teile der Zelle weitergegeben werden kann. Es ist immer spannend, die Funktionen unbekannter Proteine zu erforschen. Tatsächlich finden wir diese Proteine auch in Organismen, die keine Cryorhodopsine enthalten, was darauf hindeutet, dass sie möglicherweise eine viel breitere Palette von Aufgaben erfüllen.“ Warum Cryorhodopsine ihre erstaunliche Doppelfunktion entwickelt haben – und warum nur in kalten Umgebungen – bleibt ein Rätsel. „Wir vermuten, dass Cryorhodopsine ihre einzigartigen Eigenschaften nicht wegen der Kälte, sondern eher, um Mikroben UV-Licht wahrzunehmen, entwickelt haben, das ihnen schaden kann“, sagte Kovalev. „In kalten Umgebungen, wie zum Beispiel auf dem Gipfel eines Berges, sind Bakterien UV-Bestrahlung ausgesetzt. Cryorhodopsine könnten ihnen helfen, dies zu erkennen und sich zu schützen. Diese Hypothese stimmt gut mit unseren Befunden überein.“ „Die Entdeckung außergewöhnlicher Moleküle wie diesen wäre ohne wissenschaftliche Expeditionen in oft abgelegene Regionen, um die Anpassungen der dort lebenden Organismen zu studieren, nicht möglich gewesen“, fügte Kovalev hinzu. „Wir können so viel daraus lernen!“ Einzigartiger Ansatz für einzigartige Moleküle Um die faszinierende Biologie der Cryorhodopsine zu enthüllen, mussten Kovalev und seine Kollegen mehrere technische Herausforderungen meistern. Eine davon war, dass Cryorhodopsine nahezu identisch in ihrer Struktur sind und selbst eine winzige Verschiebung eines einzelnen Atoms zu unterschiedlichen Eigenschaften führen kann. Das Studium von Molekülen auf diesem Detailgrad erfordert Methoden, die über die Standardverfahren hinausgehen. Kovalev wendete einen 4D-Strukturbiologie-Ansatz an, der Röntgenstrahlengitteranalyse am EMBL Hamburg Strahlfeld P14 und cryo-Elektronenmikroskopie (cryo-EM) in der Gruppe von Albert Guskov in Groningen, Niederlande, mit Lichtaktivierung des Proteins kombinierte. „Ich habe mich entschieden, mein Postdoc am EMBL Hamburg zu machen, weil die einzigartige Strahlfeldkonfiguration mein Projekt möglich machte“, sagte Kovalev. „Das gesamte P14-Strahlfeld-Team arbeitete zusammen, um das Setup meinen Experimenten anzupassen – ich bin sehr dankbar für ihre Unterstützung.“ Eine weitere Herausforderung war, dass Cryorhodopsine extrem lichtempfindlich sind. Aus diesem Grund mussten Kovalevs Kollegen lernen, mit den Proben fast im Dunkeln zu arbeiten. Die Entdeckung dieser neuen Rhodopsine-Gruppe zeigt, wie viel Potential es in der Erforschung wenig bekannten Lebens in extremen Umgebungen gibt. Die Cryorhodopsine könnten in der Zukunft als zentrale Bestandteile in der Neuro- und Biotechnologie eingesetzt werden, was wiederum neue Behandlungsmöglichkeiten und Forschungsmethoden eröffnet. Die Fähigkeit, mit Licht tiefer in Gewebe einzudringen und Zellen präzise zu steuern, könnte zur Entwicklung innovativer Therapien beitragen, wie z.B. der Restauration des Gehörs bei Patienten. Kovalev und seine Teamkollegen sind optimistisch, dass ihre weiteren Untersuchungen wichtige Fortschritte in diesem Bereich bringen werden.