Optische Manipulation der Struktur und Funktion von Ionenkanälen

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Ionenkanäle stellen eine große Klasse von Membranproteinen dar, die in nahezu allen Zelltypen vorkommen. Diese gesteuerte Poren kontrollieren den Fluss von Ionen durch biologische Membranen und sind von besonderer physiologischer Bedeutung, z.B. in der Anregung von Nerven und Muskeln, in der Signalübermittlung und in Lern- und Gedächtnisprozessen. Wie andere Proteine ändern Ionenkanäle ihre funktionellen Zustände wenn sie strukturelle Veränderung durchlaufen oder mit anderen Proteinen oder Liganden interagieren. Unser Ziel ist die Entwicklung einer neuen Methode zur Kontrolle der Struktur und Funktion von Ionenkanälen. Unsere Ansatz beruht auf elektrophysiologischen Techniken und neuen optisch-chemischen Elementen. Diese Molekülen können durch Licht zwischen verschiedenen Konformationen mit verschiedenen molekularen Längen hin- und hergeschaltet werden. Es ist unser Ziel diese Moleküle zwischen Aminosäuren zu verankern, deren Abstand in ruhenden (geschlossenen), aktiven (offenen) und inaktivierten Ionenkanälen unterschiedlich ist. So können diese „Nano-Pinzetten“ Kräfte auf die verbundenen Regionen des Proteins ausüben und das Protein licht-abhängig EIN- und AUS-schalten. Unsere Experimente fokussieren auf Glutamat-aktivierte Ionenkanäle (iGluRs). Die Möglichkeit funktionell-relevante Konformationsänderungen in Proteinen hervorzurufen erlaubt die „Fernsteuerung“ zellulärer Funktionen und, im Fall der iGluRs, eine neuartige Untersuchung von Nervensystem und Verhalten. Aus biophysikalischer Sicht ermöglicht das Ersetzen bio-chemischer Energie durch Lichtenergie neue Wege zur Untersuchung der Energetik fundamentaler molekularer Mechanismen, z.B. der Aktivierung von Ionenkanälen.