Forscher der Berliner Charité haben auf molekularer Ebene gezeigt, wie Bakterien oder Pflanzen essentielle Prozesse wie die Photosynthese steuern können – indem Sie sich an verschiedene Lichtverhältnisse anpassen und Licht mithilfe von Phytochromen in eine zellinnere Information umwandeln.
Phytochrome sind Photorezeptoren, die für den Umwandlungsprozess von Licht in zellinnere Informationen verantwortlich sind. Diese Proteine kommen in Pflanzen, Pilzen und Bakterien vor und nutzen Licht, um grundlegende physiologische Prozesse zu regulieren. Phytochrome lichtempfindlich im roten und feuerroten Bereich des sichtbaren Spektrums und beherbergen ein lichtempfindliches Molekül, den Chromophor. Bestrahlt man den mit einer fest definierten Wellenlänge des Lichts im roten oder feuerroten Bereich, formt er sich um. Das Protein erkennt diese Veränderung und setzt sie weiter um. Da die Phytochrome auch als Temperatursensoren wirken, wird ihre Deaktivierung durch wärmere Temperaturen verstärkt. Im Zuge dieser Aktivierung und Deaktivierung mit Licht erfährt das Phytochrom eine komplexe strukturelle Umwandlung.
Die Wissenschaftler vom Institut für Medizinische Physik und Biophysik der Charité haben nun mithilfe der Röntgenstrukturanalyse die 3D-Struktur eines Phytochroms im dunklen Zustand bestimmt und es mit seiner Struktur im belichteten Zustand verglichen. Dafür überführten sie das Protein zunächst in eine kristalline Form und bestrahlten es anschließend mit Röntgenstrahlen. So konnten sie dann mit der Proteinstrukturanalyse die Atomlagen des Phytochroms berechnen.
Praktische Anwendungen in der Medizin
Die Ergebnisse der Studie 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 der Leiter der Studie, Dr. Patrick Scheerer.
Im klinischen Alltag könnte man dank dieser neuen Erkenntnisse beispielsweise in der Onkologie Photorezeptoren – aufgrund ihrer Eigenschaft, Rot- bis Infrarotlicht aufzunehmen und wieder abzugeben – für die Visualisierung von Tumorgewebe einsetzen. Infrarotlicht kann in tiefere Schichten des menschlichen Gewebes eindringen und könnte mit Phytochromen auch tieferliegende Zellen nichtinvasiv und ohne Nebenwirkungen sichtbar machen. Das ist aber noch nicht alles. Photorezeptoren könnten auch als lichtgesteuertes Werkzeug eingesetzt werden, um so genetisch bedingte Krankheiten auf molekularer Ebene therapieren zu können.
Noch sind die Forschungen aber nicht soweit fortgeschritten und daher wollen Dr. Scheerer und sein Team mit den nächsten Forschungsarbeiten die zusätzlich vorhandenen Fluoreszenzeigenschaften von Phytochromen noch besser verstehen sowie weitere Details der Umwandlungsprozesse von Phytochromen untersuchen.
Fotos: Charité, Berlin
Auch interessant: Molekularer Motor funktioniert mit Licht und wärmeunabhängig