Für Augen und Haut: Zellen mit Licht steuern

Für Augen und Haut: Zellen mit Licht steuern

Die Wirkung von Medika­menten mit Licht ein- und auszu­schalten, damit beschäftigt sich die Photophar­ma­ko­logie. Nun ist es Wissen­schafts­teams aus Jena, München und New York erstmals gelungen, auf diesem Weg einen Bestandteil der Zellen zu steuern, der bislang als unerreichbar galt.

„Bisher gibt es keine einsetz­baren Wirkstoffe, die auf Aktin zielen, denn das Protein kommt überall im Körper vor, in großen Mengen z.B. in den Muskeln“, erklärt Prof. Dr. Hans-Dieter Arndt von der Friedrich-Schiller-Univer­sität Jena. „Eine entspre­chende Substanz würde deshalb kaum je gezielt wirken. Unsere neuen Verbin­dungen entfalten ihre Wirkung gegenüber Aktin aber nur dort, wo die Zellen mit dem passenden Licht angeleuchtet werden“, erläutert der Organische Chemiker.

Weil Aktin ein wesent­licher Bestandteil der Zellstruktur – genauer des Zytoske­letts – ist, können auf diese Weise auf bis auf zehn Mikro­meter genau einzelne Zellen gezielt manipu­liert werden. Ebenso lässt sich die Bewegung bestimmter Zellen mit dieser Technik steuern. Das berichtet das inter­na­tionale Forschungsteam um Arndt im renom­mierten Fachma­gazin „Journal of the American Chemical Society“.

Violettes Licht schaltet ein, grünes Licht schaltet aus

In ihrer Forschungs­arbeit stellte die Gruppe eine Variante eines Natur­stoffs her, der für sich genommen im Organismus das sehr dynamische Aktin-Zytoskelett versteift. In der Labor-Variante wurde das Molekül so weiter­ent­wi­ckelt, dass sich seine Struktur verändert, wenn violettes Licht darauf fällt. Die stabi­li­sie­rende Wirkung des Moleküls nimmt dann zu. Nach einer bestimmten Zeit, oder aber durch grünes Licht, kehrt die Substanz wieder in ihre inaktive Grund­struktur zurück, und die natür­liche Dynamik stellt sich wieder ein.

Nachdem diese Optojasp genannte Substanz in Labor­ver­suchen von Zellen aufge­nommen wurde, ließ sich durch Licht nun die Lebens­fä­higkeit und Beweg­lichkeit einzelner Zellen gezielt steuern – und ebenso die Kommu­ni­kation des Zytoske­letts. „Denkbar wäre, dass mit dieser Methode in Zukunft Krank­heiten im Auge oder auf der Haut behandelt werden könnten, also von Organen, die sich einfach beleuchten lassen“, richtet Arndt den Blick in die Zukunft. „Auch im Bereich der Neuro­re­ge­ne­ration könnte diese Technik inter­essant werden. Denn hier geht es oft darum, bestimmte Nerven­zellen bevorzugt wachsen zu lassen, andere jedoch nicht.“ Auch bei sich stark bewegenden Immun­zellen sieht Arndt ein mögliches Einsatz­gebiet seiner Methode.

„Ein neues Werkzeug für die Biologie“

„Vor allem aber sehe ich hier ein neues, spannendes Werkzeug für die Biologie“, sagt der Jenaer Chemiker. „Mit diesen Molekülen sollten sich biolo­gische Systeme leichter unter­suchen lassen als mithilfe von licht­emp­find­lichen Proteinen, wie sie etwa durch Gentechnik einge­bracht werden können. Mit den Optojasps kann der Einfluss der Aktin­dy­namik direkt unter­sucht werden – Substanz­zugabe und Beleuchtung reichen aus!“ Nachdem nun gezeigt wurde, dass die Methode funktio­niert, arbeiten Arndt und seine Koope­ra­ti­ons­partner daran, diese Moleküle weiter zu optimieren und genauer zu erforschen.

Origi­nal­pu­bli­kation: M. Borowiak, F. Küllmer, F. Gegen­furtner, S. Peil, V. Nasufovic, S. Zahler, O. Thorn-Seshold, D. Trauner, H.-D. Arndt: Optical Manipu­lation of F‑Actin with Photos­wit­chable Small Molecules, Journal of the American Chemical Society (2020). doi: 10.1021/jacs.9b12898

Weitere Infor­ma­tionen: https://doi.org/10.1021/jacs.9b12898 – die Original-Publikation

Textquelle: Marco Körner, Friedrich-Schiller-Univer­sität Jena

Bildquelle: Florian Küllmer (v.l.n.r.), Prof. Dr. Hans-Dieter Arndt und Veselin Nasufovic im Labor der Univer­sität Jena. Foto: Jürgen Scheere / FSU