Enzyme, die mit blauem Licht gesteuert werden können

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Licht wirkt sich auf vielfältige Weise auf lebende Organismen aus: Beispielsweise richten Pflanzen ihre Wachstumsrichtung nach der Sonne aus, während der zirkadiane Rhythmus beim Menschen durch das Tageslicht gesteuert wird. An diesen Prozessen sind immer Photorezeptoren beteiligt, das sind Proteine, die unterschiedliche Farben und Intensitäten des Lichts wahrnehmen können.

Jetzt haben Forscher der Technischen Universität Graz (TU Graz) die Funktion eines hocheffizienten Photorezeptors entschlüsselt. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht. Das Forscherteam untersuchte ein Diguanylatcyclase-Protein, das in vielen Bakterien vorkommt. Seine enzymatische Funktion reguliert die Produktion eines zentralen Botenstoffs, der die Lebensweise von Bakterien steuert. Bei Dunkelheit ist das Protein nahezu vollständig inaktiv, doch sobald es blauen Anteilen des Tageslichts ausgesetzt wird, steigt seine enzymatische Aktivität rasant an. „Die enzymatische Aktivität des Proteins ist bei Lichteinwirkung etwa 10.000-mal höher als im Dunkeln“, sagt Andreas Winkler, Leiter der Arbeitsgruppe Photobiochemie am Institut für Biochemie der TU Graz. Bei den meisten Photorezeptoren erhöht sich die Aktivität um einen Faktor „Im Gegensatz dazu reagiert das Protein, das wir charakterisiert haben, sehr stark, es funktioniert also tatsächlich wie ein Ein-Aus-Schalter“, erklärt Winkler. Ein effizienter Proteinschalter wie dieser könnte dies bewirken künftig zur Weiterentwicklung und Optimierung optogenetischer Werkzeuge eingesetzt werden.

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Die Forscher haben nun die Architektur und Funktion des Proteinschalters entschlüsselt. Das Protein besteht aus zwei funktionellen Teilen: Der eine ist für die Wahrnehmung von blauem Licht verantwortlich, der andere für die eigentliche enzymatische Aktivität und dient als Katalysator für eine chemische Reaktion. Wird es blauem Licht ausgesetzt, verändert das Protein seine Struktur. Wenn es inaktiv ist, liegt das gesamte Protein in kompakter Form vor, aber wenn es mit Licht in Kontakt kommt, dehnt sich das Protein und verbindet die zuvor getrennten enzymatischen Teile. Anschließend produziert das Protein spezifische Botenmoleküle, die dem Bakterium signalisieren, dass sich die Umweltbedingungen ändern. Wenn möglich, passt sich das Bakterium an diese neuen Bedingungen an. „Ein Beispiel hierfür ist die Bildung von Aggregaten, sogenannten Biofilmen, die Bakterien resistenter gegen Umwelteinflüsse machen“, erklärt Andreas Winkler.

„Ich freue mich sehr, dass unsere Forschung wertvolle Einblicke in den Mechanismus dieses faszinierenden Proteins gewonnen hat“, kommentierte Uršula Vide, Erstautorin der Studie und Doktorandin am Institut für Biochemie der TU Graz. „Den Mechanismus hinter diesem Licht verstehen.“ -aktivierter Enzymschalter öffnet die Tür zu möglichen Anwendungen in einer Reihe unterschiedlicher Disziplinen.“ Eine davon sind optogenetische Behandlungsmethoden, die in der Medizin eingesetzt werden. Medikamente, die an einen lichtregulierten Proteinschalter gekoppelt sind, könnten zu einem bestimmten Zeitpunkt und nur in einem sehr begrenzten Bereich des Körpers ihre Wirkung entfalten, was mögliche Nebenwirkungen reduzieren würde Auch für die zellbiologische Forschung würde ein Proteinschalter Vorteile bringen, da dadurch gezielt spezifische Veränderungen auf molekularer Ebene ausgelöst werden könnten, die dann besser analysiert werden könnten. „Aber von einer solchen praktischen Anwendung dieses Schalters sind wir noch weit entfernt.“ „, betonte Winkler. Er ist jedoch davon überzeugt, dass die Forschung seines Teams einige wichtige und grundlegende Erkenntnisse hervorgebracht hat.

Für ihre Experimente isolierten die Forscher das Protein nicht aus den ursprünglichen Bakterien, sondern stellten es mithilfe der Gentechnik im Labor her. Mithilfe von Röntgenbeugung analysierten sie die Molekülstruktur und bildeten die Grundlage für ein dreidimensionales Modell. In Kombination mit ergänzenden Experimenten ermöglichte dieses Modell den Forschern, Rückschlüsse auf die Veränderungen in der Proteinstruktur bei Einwirkung von blauem Licht zu ziehen, die sich in konkreten Rückschlüssen auf die molekulare Funktion des biologischen Schalters niederschlugen.

Referenz: Vide U, Kasapović D, Fuchs M, et al. Aufklärung des Innenlebens eines natürlichen Proteinschalters: Blaulichterkennung in LOV-aktivierten Diguanylatcyclasen. Sci Adv. 2023;9(31):eadh4721. doi: 10.1126/sciadv.adh4721

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