Mit Licht biologische Prozesse stimulieren

Forschende der Universität Leipzig und der TU Dresden haben biologische Schalter entwickelt, mit denen sich Ionenkanäle präzise durch Lichtimpulse steuern lassen. Diese Kanäle fungieren als selektive Tore in der Zellmembran und regulieren den Transport wichtiger Ionen wie Natrium, Kalium und Calcium. Normalerweise reagieren sie auf elektrische Signale oder chemische Botenstoffe, doch die neue Methode nutzt Licht als Auslöser.

Im Fokus der Untersuchung standen die Kanäle TRPC4 und TRPC5 aus der TRP-Familie. Die zentrale Entdeckung der Studie ist ein neuartiger Wirkstoff, der als sogenannter „Efficacy Switch“ fungiert. Während violettes Licht den Wirkstoff in einen Kanal-Aktivator verwandelt, schaltet blaues Licht ihn in einen Hemmstoff um.

Diese Technologie eröffnet weitreichende Möglichkeiten in der Medizin und Biologie. Erste Anwendungen belegen bereits, dass sich durch gezielte Lichtreize nicht nur Nervenzellen im Gehirn stimulieren lassen, sondern auch komplexe organische Prozesse steuerbar werden – dazu gehören etwa die Ausschüttung von Adrenalin aus der Nebenniere oder die Bewegungsabläufe im Dünndarm.

Durch die Kombination spezieller Wirkstoffe mit chemischen Photoschaltern ist es dem Team um Prof. Dr. Michael Schaefer und Prof. Dr. Oliver Thorn-Seshold gelungen, die Ionenkanäle TRPC4 und TRPC5 präzise zu steuern. Die beiden neu entwickelten Moleküle AzPico und AzHC fungieren dabei als molekulare Lichtschalter, die auf externe Impulse reagieren. Das Besondere an dieser Entdeckung ist jedoch, dass die Methode über ein bloßes „An und Aus“ hinausgeht. Die Intensität des Effekts lässt sich direkt über die Lichtfarbe steuern. Der Photoschalter wirkt somit wie ein Dimmer, bei dem die gewählte Wellenlänge des Lichts als Regler für die jeweilige Dosis dient.

Diese technologische Präzision ermöglicht völlig neue experimentelle Ansätze in der Biologie und Medizin. „Mit dieser neuen Methode, die von uns als ‚chromocontrol‘ bezeichnet wird, können etwa Zell- oder Organfunktionen räumlich und zeitlich sehr präzise und in gezielter Intensität angeregt werden“, erklärt Prof. Dr. Michael Schaefer.

Die praktischen Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig. In ersten Versuchen konnten bereits spezifische Neuronengruppen im Gehirn aktiviert, die Freisetzung von Adrenalin in der Nebenniere reguliert und sogar die Kontraktion sowie Entspannung des Dünndarmes gezielt per Lichtreiz gesteuert werden.

Neue Photoschalter reagieren zuverlässig

In Zusammenarbeit mit Teams der University of Leeds unter Prof. Dr. Robin Bon sowie des Max-Planck-Instituts für molekulare Physiologie in Dortmund unter Prof. Dr. Stefan Raunser konnte das Team die präzisen Bindungsstellen der neuen Photoschalter entschlüsseln. Mittels hochauflösender Kryoelektronenmikroskopie wurde sichtbar, wie AzPico und AzHC auf molekularer Ebene mit den Kanälen interagieren.

Experimente mit genetisch veränderten Mauslinien untermauerten die Bedeutung dieser Entdeckun. Sie bestätigten die hohe Selektivität und Spezifität der Photoschalter für die Kanäle TRPC4 und TRPC5. Aktuell weiten die Forschenden ihre Untersuchungen auf weitere Organsysteme aus, in denen diese Ionenkanäle eine Schlüsselrolle spielen.

Ein wichtiger Fokus künftiger Forschung liegt zudem auf der Entwicklung von Nachfolgesubstanzen, die auf längerwelliges Licht reagieren. Da solches Licht tiefer in biologisches Gewebe eindringen kann, ließen sich damit auch tiefer liegende Zellschichten zuverlässig ansteuern. Langfristig könnten diese lichtgesteuerten Moleküle nicht nur das Verständnis komplexer Körperfunktionen vertiefen. Sie ebnen auch den Weg für innovative Behandlungsansätze zahlreicher Krankheiten.

Quelle

Universität Leipzig (01/2026)