Jahresempfang der Leopoldina Optogenetik: Mit Licht Körperzellen fernsteuern

Bei der Leopoldina- Jahresversammlung in Halle diskutieren die Forscher eine neue Technik, die Optogenetik. Der Begriff ist eine Kombination von Optik und Genetik. Ziel ist, mit Licht in das Leben von Körperzellen einzugreifen.

Optogenetik
Die Maus trägt ein kleines Implantat, das mit Licht die Nerven in den Hinterbeinchen stimuliert. Das Implantat kann sogar drahtlos mit Energie versorgt werden. Bildrechte: Austin Yee/Stanforduniversity

Professor Peter Hegemann aus Berlin ist Optogenetiker. Er findet den Begriff aber total irreführend, sagt er: "Optogenetik suggeriert eine Genetik, die optisch durchgeführt wird. Das ist überhaupt nicht der Fall." Was aber ist es dann, wenn nicht Genetik durch Licht?

Um das zu klären, muss man wissen, dass Hegemanns Forschungsgegenstand Algen sind. Algen reagieren extrem sensibel auf Licht, nur das perfekte Licht garantiert optimale Photosynthese. Deshalb haben sie eine spezielle Fähigkeit. "In einem Brandenburger See kann man sich das so vorstellen: Die schwimmen bei schlechtem Wetter nach oben und wenn die Sonne zu stark ist, schwimmen sie nach unten", erklärt er.

Zellen mit Licht steuerbar machen

Doch wie machen die Algen das? In der Zellmembran der Algen fand Hegemann ein Protein, das extrem schnell und effektiv auf Licht reagiert. Man kann sich das wie einen Kanal vorstellen, der sich öffnet, wenn Licht scheint und sich schließt, wenn es dunkel ist.

Dieses Protein, das die Zellwand der Algen so lichtempfindlich macht, können Wissenschaftler in alle möglichen Zellwände einbauen. Auch in Zellen, die sonst nicht auf Licht reagieren. Beispielsweise in Hirnzellen, die nur Dunkelheit gewöhnt sind. Das wäre der genetische Teil der Optogenetik. "Und dann geht der Lichtprozess eigentlich los. Ich belichte diese Zellen und diese lichtaktivierbaren Proteine, die da hergestellt werden, die aktivieren diese Zellen oder inaktiveren diese Zellen", sagt der Forscher.

Die Maus mit dem Kabel im Kopf

Das Bild einer Maus, die ein Lichtleiterkabel im Kopf hatte, brachte vor Jahren die Optogenetik ins Gespräch. Denn es zeigte: Mit Licht-Impulsen kann man Nervenzellen aktivieren und mit Dunkelheit wieder stilllegen. Wissenschaftler haben seither Methoden entwickelt, nur genau die Zelltypen lichtempfindlich zu machen, deren Funktion sie untersuchen wollen. Damit können komplexe Zellsysteme und deren Funktionen nun viel präziser erforscht werden.

Professor Peter Hegemann, Humboldt-Universität Berlin
Peter Hegemann von der Berliner HU. Bildrechte: Prusowski/HU-Berlin

Wir wollen verstehen, wie die einzelnen Bereiche einer Synapse funktionieren. Wir wollen auch verstehen, wie die Verschaltung eines Neurons mit der gesamten Umgebung ist. Ich kann natürlich auch in die Nähe von Zellen, die ich jetzt optogenetisch kontrollieren will, einen Lichtleiter bringen, in die lebende Maus. Und dann kann ich das Verhalten der Mäuse studieren und vergleichen: nach Belichtung und ohne Belichtung. Dabei bekomme ich raus, welche Zellen sind verantwortlich für das Fressverhalten, für die sexuelle Interaktion, welche Zellen sind für Autismus zuständig.

Professor Peter Hegemann, Biophysiker an der Humboldt-Universität Berlin

Fernsteuerung von Zellen

Optogenetik ist besonders für die Grundlagenforschung wichtig. Anwendungen, um Zellen bei Parkinsonpatienten oder Blinden zu aktivieren, werden getestet. Bei Herzmuskelzellen funktionieren regelmäßige Lichtimpulse wie ein Schrittmacher. Hörgeschädigten oder tauben Menschen könnten Nano-LEDs eingesetzt werden, um die Hörfähigkeit zu verbessern. "Da könnte man sich vorstellen, die lichtaktivierten Proteine in den normalerweise mechanisch aktivierten Zellen zu implementieren und sie dann mit Hilfe von sogenannten Nano-LEDs zu belichten. Die Umsetzung von akustischen Signalen in optische Signale ist heute kein Problem mehr", sagt Hegemann.

Zellen mit Licht an- und abzuschalten, ist das eine. Wünschenswert wäre es, Zellen auch dazu zu bringen, eine bestimmte Menge von Proteinen zu produzieren. Aber das klappt mit Lichtimpulsen noch nicht. Vielleicht ist ja Licht nur der Anfang, nur ein Medium, um Zellen zu steuern, überlegt Hegemann. Vielleicht wird es in Zukunft möglich sein, Zellen ganz anders zu steuern, beispielsweise mit Magnetismus.

Dieses Thema im Programm: MDR AKTUELL Radio | 06. April 2018 | 15:25 Uhr