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Zülch-Preis 2012

Zülch-Preis 2012 für Begründer der Optogenetik

Gertrud Reemtsma Stiftung würdigt Bedeutung des jungen Forschungsgebiets für die Neurowissenschaften

29. August 2012

Forscher können heute Nervenzellen mit lichtempfindlichen Proteinkanälen und Ionenpumpen versehen und dadurch mit Licht gezielt steuern. Die Gertrud Reemtsma Stiftung zeichnet nun vier Wissenschaftler mit dem K. J. Zülch-Preis 2012 aus, die das noch junge Forschungsgebiet der Optogenetik initiiert und maßgeblich befördert haben: Ernst Bamberg vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt, Karl Deisseroth von der Universität Stanford, USA, Peter Hegemann von der Humboldt Universität Berlin und Georg Nagel von der Universität Würzburg. Mit der Auszeichnung würdigt die Gertrud Reemtsma Stiftung die große Bedeutung der Optogenetik, die in den Neurowissenschaften eine Revolution ausgelöst hat. Optogenetische Methoden eröffnen völlig neue Untersuchungsmöglichkeiten in der neurowissenschaftlichen Grundlagenforschung bis hin zu biomedizinischen Anwendungen. Dies hat innerhalb kurzer Zeit weltweit zu einer Fülle von herausragenden Forschungsergebnissen geführt. Der K. J. Zülch-Preis 2012 wird am 7. September in Köln verliehen.
K. J. Zülch-Preisträger 2012: Peter Hegemann, Humboldt Universität Berlin (oben links), Georg Nagel, Universität Würzburg (oben rechts), Ernst Bamberg, MPI für Biophysik (unten links), und Karl Deisseroth, Universität Stanford (unten rechts). Bild vergrößern
K. J. Zülch-Preisträger 2012: Peter Hegemann, Humboldt Universität Berlin (oben links), Georg Nagel, Universität Würzburg (oben rechts), Ernst Bamberg, MPI für Biophysik (unten links), und Karl Deisseroth, Universität Stanford (unten rechts). [weniger]

Manchmal sind es gerade die unscheinbaren Organismen, die die Wissenschaft einen großen Schritt voranbringen. Die einzellige Süßwasseralge Chlamydomonas reinhardtii und das Salzsee-Archaebakterium Natronomonas pharaonis sind dafür Paradebeispiele. Sie besitzen Lichtsinnesproteine zur Orientierung und Energiegewinnung, sogenannte Rhodopsine. Diese Proteine nutzen Wissenschaftler seit einigen Jahren, um Nerven- und Muskelzellen mit hoher zeitlicher und räumlicher Genauigkeit elekrodenfrei mit Licht zu aktivieren oder still zu legen.

Peter Hegemann hatte bereits 1985 am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried mit der Forschung über die Lichtwahrnehmung von Algen begonnen. Von 1995 an gelang es Georg Nagel und Ernst Bamberg am Max-Planck-Institut für Biophysik, verschiedene bakterielle Rhodopsine auf Froscheier und menschliche Nierenzellen zu übertragen und ihre elektrophysiologischen Eigenschaften zu beschreiben. In den Jahren 2002 und 2003 konnten Peter Hegemann, nun an der Universität Regensburg, Georg Nagel und Ernst Bamberg die außergewöhnliche Funktion der Algen-Rhodopsine beweisen: Durch die Übertragung des Rhodopsin-Gens auf Eizellen des Krallenfrosches stellten sie fest, dass die Algen-Rhodopsine Lichtrezeptor und Ionenkanal in einem einzigen Protein vereinen. Bei Einfall von blauem Licht wird der Proteinkanal durchlässig für Protonen und positive Kalium- und Natrium-Ionen. Das Zellpotenzial wird also ins Positive verschoben. Die von den Forschern als Channelrhodopsine bezeichneten Algen-Rhodopsine unterscheiden sich damit von den meisten anderen lichtempfindlichen Proteinen wie beispielsweise den Rhodopsinen im menschlichen Auge, die keine eigene Ionenleitfähigkeit besitzen.

Auf diesen Ergebnissen aufbauend setzten nun weltweit verschiedene Forschergruppen die Channelrhodopsine als Werkzeuge zur Untersuchung von Zellen ein. So aktivierten Wissenschaftler mit den drei Pionieren Channelrhodopsine in den Nervenzellen des Fadenwurms Caenorhabditis elegans (zusammen mit Alexander Gottschalk, Universität Frankfurt) sowie in Hühnerembryos und Mäusen (zusammen mit Stefan Herlitze, Universität Bochum). Mit Channelrhodopsin-2 und Halorhodopsin ließ sich beispielsweise die Bewegungsfähigkeit des Fadenwurms steuern, denn  Halorhodopsin „pumpt“ nach Aktivierung mit gelbem Licht negativ geladene Chlorid-Ionen in die Nervenzelle. Es verschiebt somit das Zellpotenzial weiter ins Negative und hemmt die Zelle. Damit war es möglich, Nervenzellen des Wurms mit blauem Licht an- und mit gelbem Licht abzuschalten.

Karl Deisseroth von der Universität Stanford erkannte ebenfalls frühzeitig das enorme Potenzial der Channelrhodopsine für die Neurowissenschaften, denn die Aktivität von Nervenzellen beruht auf dem Einstrom von Natrium-Ionen – also den Ionen, die auch durch Channelrhodopsin fließen. 2005 übertrug er zusammen mit Georg Nagel und Ernst Bamberg Channelrhodopsin-2 in Nervenzellen des Gehirns von Ratten und konnte so erstmals mithilfe der Optogenetik Aktionspotenziale auslösen. Darüber hinaus gelang es ihm, Channelrhodopsine im Gehirn sich frei bewegender Ratten zu aktivieren. Dazu leitete er das Licht durch Glasfaserkabel direkt ins Gehirn. Auf diese Weise konnte er in unterschiedlichen Tierarten untersuchen, wie Nervenzellen Verhaltensweisen wie Bewegung, Furcht oder soziales Verhalten erzeugen und wie Lern- und Gedächtnisvorgänge ablaufen.

Die Optogenetik eignet sich zur Untersuchung neurologischer Erkrankungen wie Epilepsie, Parkinson, Depression oder Altersblindheit. Wichtiges Hilfsmittel sind dabei genetisch veränderte Tiere mit Krankheitsbildern, die menschlichen Erkrankungen ähneln und die mit Channelrhodopsin- oder Halorhodopsin-Genen ausgestattet sind. Ziel ist es, im Gehirn oder im Auge der Tiere Nervenzellen mit Licht kontrolliert an- oder abzuschalten. Dadurch sollen die entsprechenden Krankheitsphänomene aufgehoben, beziehungsweise durch einen Gendefekt erblindeten Mäusen das Sehvermögen zurückgegeben werden. Die erfolgreichen Tierversuche eröffnen eine Perspektive für biomedizinische Anwendungen. Im September 2011 hat beispielsweise ein großes Pharma-Unternehmen eine Lizenzvereinbarung des Patents von Bamberg, Hegemann und Nagel zur Nutzung der Channelrhodopsine für die Gentherapie der Altersblindheit unterzeichnet.  

Die von der Gertrud Reemtsma Stiftung ausgezeichneten Forscher arbeiten darüber hinaus daran, die Channelrhodopsine für die Optogenetik zu verbessern. Dazu sind biophysikalische und biochemische Untersuchungen zum genaueren Verständnis des molekularen Mechanismus der Kanäle notwendig. So gibt es inzwischen Varianten, die mit weniger Licht auskommen, schneller reagieren und für verschiedene Lichtwellenlängen empfindlich sind.

Die Verleihung des K. J. Zülch-Preises 2012 findet am 7. September 2012 von 10:00 bis 12:00 Uhr im Hansasaal des Historischen Rathauses zu Köln statt. Die Laudatio auf Ernst Bamberg, Peter Hegemann und Georg Nagel hält Benjamin Kaupp vom Forschungszentrum caesar. Jens Brüning vom Max-Planck-Institut für neurologische Forschung hält die Laudatio auf Karl Deisseroth. Im Anschluss an die Laudationes werden Georg Nagel und Karl Deisseroth über die Entwicklung der Optogenetik und künftige Anwendungen berichten.

HR

 
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