Prisma

„Fremdartiges“ Rhodopsin

Xenorhodopsin pumpt Protonen in die Zelle

cae | Das elektrische Potenzial einer Zelle ist die Voraussetzung für deren Lebens- und Funktionsfähigkeit. Auswärts gerichtete Protonenpumpen in der Membran sorgen dafür, dass die Zelle nicht „versauert“. Nun wurde bei einem Prokaryonten erstmals eine einwärts gerichtete Protonenpumpe bezüglich ihrer Struktur und Funktion beschrieben.

Rhodopsin ist ein Carotinoid-haltiges Protein in der Netzhaut des Auges, das Photonen „einfängt“ und den empfangenen elektrischen Reiz an den Sehnerv weitergibt. Das in einigen urtüm­lichen Archäen (keine Bakterien!) enthaltene Bacteriorhodopsin ist ähnlich gebaut; es liegt als Ionenkanal in der Membran und dient als Protonenpumpe für die ATP-Synthese. Diese Art der Energiegewinnung ist quasi ein Gegenstück zur grünen Photosynthese der Pflanzen (s. DAZ 2017, Nr. 5, S. 6). Nun haben Biochemiker in Jülich und Biophysiker in Frankfurt das in dem salzliebenden Archäon (Nanosalina sp.) vorkommende Xenorhodopsin NsXeR erforscht, das Photonen aus seiner Umgebung in sich hineinpumpt.

Foto: Felicitas Pfeifer
Zahlreiche Archäen (hier: Halobacterium salinarum) leben in hochgradigen Salzlösungen. Ihre Farbe stammt von carotinhaltigen Rhodopsinen, mit deren Hilfe sie eine Art Photosynthese treiben.

Da sich Nanosalina nur schlecht kultivieren lässt, haben die Forscher das NsXeR in verschiedenen anderen Zellen exprimiert – so in E. coli, in humanen embryonalen Leberzellen und Neuroblastomzellen und in Hippokampus-Neuronen von Ratten – und u. a. dessen pH-Wert-abhängige Aktivität (5 – 9) sowie Pumpleistung getestet. Pro Sekunde sind 160 Photozyklen, die die Aufnahme und Freisetzung eines einzelnen Photons umfassen, möglich. Bei einer Frequenz bis 40 Hertz (Neuronen „feuern“ mit maximal 60 Hz) verwertet NsXeR alle Photonen. Die Forscher sehen NsXeR als mögliche Alternative für das Channelrhodopsin 2 (ChR2), das ebenfalls opto­genetische Aktionspotenziale aufbaut und in Zukunft therapeutisch zum Einsatz kommen könnte (s. DAZ 2016, Nr. 39, S. 6). |

Quelle

Shevchenko V et al. Inward H+ pump xenorhodopsin: Mechanism and alternative optogenetic approach. Sci Adv 2017;3(9):e1603187

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