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Laufende Forschungsprojekte – Entwicklung und Anwendung optogenetischer Werkzeuge

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Natürlich vorkommende Photorezeptoren aus Pflanzen und Mikroorganismen sind in den letzten Jahren zu wichtigen Werkzeugen für die synthetische Biologie geworden. Photorezeptoren sind Teil optogenetischer Werkzeuge und ermöglichen die Entwicklung zellulärer Schalter, die auf Lichtreize reagieren. Die funktionelle Kopplung von Photorezeptoren mit verschiedensten Effektordomänen hat zur Steuerung von grundsätzlichen Prozessen wie der Genexpression und der Proteinstabilität geführt, ermöglicht aber auch die Kontrolle der Proteinlokalisation, der Wechselwirkung zwischen Proteinen oder die Regulation einzelner Proteinaktivitäten. Diese optogenetischen Werkzeuge können in vielen Bereichen der Zellbiologie oder Biotechnologie gewinnbringend eingesetzt werden und nutzen dabei die Vorteile von Licht als Signal zur Steuerung zellulärer Vorgänge aus.

Die erste Abbildung zeigt die optogenetische Kontrolle der Proteinstabilität mit dem photosensitiven Degradationsmodul in Hefezellen. Das codierende Gen des photosensitiven Degrons wird direkt an das 3’-Ende des Zielgens unter Erhaltung des Leserasters fusioniert. Die Biosynthesemaschinerie übersetzt das Gen in ein Fusionsprotein aus Zielprotein und Degradationsdomäne (Degron); Letztere befindet sich im inaktiven Zustand. Durch blaues Licht wird eine Strukturänderung ausgelöst und das Degron aktiviert. Dies induziert den Abbau des Zielproteins durch das Proteasom und die nahezu vollständige Entfernung des Zielproteins aus der Zelle. Derzeitige Weiterentwicklungen zielen auf eine Kombination verschiedener optogenetischer Werkzeuge ab, um eine Verbesserung der Schaltbarkeit zu erreichen.

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Die Licht-gesteuerte Protein-degradation kann zur Erzeugung einer lebenden Hefefotografie verwendet werden. Hierzu wird über das photosensitive Degron die Aktivität des Enzyms Phospho-ribosylaminoimidazol-Carboxylase (Ade2) beeinflusst, welches einen Zwischenschritt in der Purin-biosynthese katalysiert. Hefezellen mit einem Defekt in Ade2 bilden ein rotes Pigment. Die Hefefotografie visualisiert exemplarisch die vielfältigen Möglichkeiten zur Steuerung der Enzymaktivität durch die Licht-gesteuerte Proteindegradation.

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Der Einsatz von optogenetischen Werkzeugen in der Biotechnologie und zum Metabolic Engineering von Mikroorganismen ist ein sehr interessantes Anwendungsgebiet. Hierbei wird der Metabolismus des Wirtsorganismus durch Lichtkontrolle der Aktivität von Schlüsselenzyme so beeinflusst, dass eine optimale Biosynthese des Zielmoleküls erreicht wird. Optogenetische Werkzeuge sind sehr geeignet, um die Aktivität von Enzymen essentieller Stoffwechselwege dynamisch zu verändern. Dies ist wichtig, um Metabolitenflüsse zu steuern sowie die Synthese bioaktiver Stoffe mit toxischer Wirkung auf den Wirtsorganismus zeitlich regulieren zu können. Licht als Regulator für zelluläre Vorgänge hat den Vorteil, dass es nicht vom Organismus selbst verstoffwechselt wird und keine Reaktionen mit dem Wachstumsmedium eingeht, wie das bei klassisch-verwendeten Regulatoren der Fall sein kann. Relativiert wird dieser Vorteil nur beim Einsatz von Organismen, die selbst stark auf Lichtsignale reagieren, wie z.B. bei pflanzlichen Zellen. Die Hefe Saccharomyces cerevisiae ist ein sehr wichtiger Organismus für die Biotechnologie und die Forschung im Allgemeinen und bietet als Organismus ohne spezifische Lichtreaktion einen optimalen Organismus, um optogenetische Werkzeuge zur Steuerung von heterologen Biosynthesen zu entwickeln und zu etablieren.

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Ein weiteres Projekt beschäftigt sich mit dem Einsatz von optogenetischen Schaltern zur Aufklärung proteasomaler Abbauwege in Eukaryoten. Durch die gesteuerte Präsentation von Degradationssignalen kann eine effektive Induktion der Proteolyse erreicht werden. Dies ergibt viele Vorteile bei der Charakterisierung der Proteolyse und Abbaukinetik. Variation der Degradationssignale ist eine zusätzliche Möglichkeit Informationen über Degradationsmechanismen zu erhalten. Weiterhin können essentielle Komponenten der Abbaumaschinerie dynamisch in ihrer Aktivität verändert werden, dies ist bei klassischer Vorgehensweise mittels Deletionsmutanten nicht möglich. Der Einsatz optogenetischer Schalter zur Charakterisierung proteasomaler Abbauwege bietet spannende Möglichkeiten neue Erkenntnisse zu gewinnen.