Neorhodopsine, auf nahes Infrarot ansprechende Rhodopsinzyklasen

• Antragsteller: Professor Dr. Franz Bartl; Dr. Matthias Broser
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Biochemie ; Biologie des Verhaltens und der Sinne ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509731234

Mikrobielle Rhodopsine sind Schlüsselproteine in der Optogenetik, da sie es ermöglichen die zelluläre Aktivität durch externes Licht zu kontrollieren. Bislang sind optogenetische Experimente oder daraus abgeleitete Therapien in Lebewesen nur sehr eingeschränkt möglich, weil das aktivierende Licht stark vom umgebenen Gewebe absorbiert wird. Die Verwendung von Licht im nahen infraroten Bereich (NIR) ist für dieses Problem eine potentielle Lösung, doch bislang konnten Rhodopsine diesen Absorptionsbereich nicht erreichen. Das kürzlich von uns entdeckte Neorhodopsin (NeoR), eine neuartige Rhodopsin-Zyklase aus Pilzen, ist erstmalig in der Lage NIR Licht zu absorbieren und dient daher als Modell um diesen Spektralbereich für andere Rhodopsine nutzbar zu machen. Neben der ungewöhnlichen NIR Absorption weist NeoR die Besonderheiten auf, dass es stark fluoreszierend ist und funktionelle Heterodimere bildet. Diese Rhodopsin-Zyklase-Komplexe beinhalten neben NeoR noch ein konventionelles Rhodopsin, welches blaues oder grünes Licht absorbiert und dadurch die Zyklase aktiviert. Homodimere Rhodopsin-Zyklasen mit Sensitivität im grünen Spektralbereich sind bereits beschrieben worden, wohingegen heterodimere Rhodopsin-Komplexe bislang völlig unbekannt sind. NeoR ist ein bistabiler Fotorezeptor und zwischen einem NIR- und einem UV-absorbierenden Zustand fotoschaltbar, wodurch es auf noch unbekannte Art die Enzym-Aktivität beeinflusst. Ziel des beantragten Projekts ist es die Funktionsweise von NeoR im heterodimeren Fotorezeptor aufzuklären, wobei sich folgende Fragstellungen ergeben: Was sind die strukturellen Ursachen dafür, dass diese neuartigen Rhodopsin-Zyklasen nur als Heterodimere funktionieren? Wie beeinflusst der Licht-induzierte Zustand der NeoR Untereinheit die Aktivität der Zyklase? Darüber hinaus wollen wir die Fotochemie des NeoR untersuchen, um zu verstehen wie diese sich von herkömmlichen Rhodopsinen unterscheidet. Für diese Untersuchungen verfolgen wir verschiedene experimentelle Ansätze, wie beispielsweise die Bestimmung der Enzymkinetik, sowie die Aufklärung von Licht induzierten strukturellen Änderungen mittels statischer und zeitaufgelöster Spektroskopie. Des Weiteren wollen wir homologe Proteine aus verwandten Pilzen untersuchen, um hierbei für optogenetische Anwendungen geeignete heterodimere Rhodopsin-Zyklasen zu identifizieren und NeoR-Varianten zu finden, die noch weiter rotverschoben absorbieren. Um die physiologische Rolle dieser heterodimeren Fotorezeptoren und speziell von NeoR zu verstehen, beabsichtigen wir, in Analogie zur beschriebenen Funktion von homodimeren Rhodopsin-Zyklasen, die Orientierung der beweglichen Pilz-Zoosporen im Licht zu untersuchen. Die genaue Kenntnis der Struktur und Funktionsweise des NIR-aktiven Chromophores in NeoR ermöglicht es Strategien zu entwickeln, diesen Spektralbereich der Optogenetik zugänglich zu machen, was völlig neue Anwendungen erlauben würde.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen