Molekulare Mechanismen LOV-regulierter Diguanylat Zyklasen

Die Anpassungsfähigkeit aller Organismen an wechselnde Umweltbedingungen basiert auf einer Vielzahl regulatorischer Prozesse. Dabei werden äußere Einflüsse von verschiedenen Sensoren wahrgenommen und die Information letztendlich an diverse Effektoren übermittelt. Diese Effektoren ermöglichen in weiterer Folge die Adaption des Stoffwechsels, so dass sich die Organismen entsprechend besser auf Änderungen in der Umgebung einstellen können. Ein wesentlicher Umwelteinfluss ist Licht und Änderungen sowohl in der Intensität als auch der Dauer der Lichtexposition beeinflussen eine Vielzahl von Organismen. Im Laufe der Evolution hat sich eine Reihe von lichtempfindlichen Proteinen entwickelt, die mit unterschiedlichen Bereichen des sichtbaren Lichtes oder des UV-Anteils von Sonnenlicht wechselwirken können. Im Rahmen dieses Projektes wird eine spezielle Art von Blaulichtfotorezeptoren näher untersucht, bei denen der Blaulichtsensor direkt an eine spezielle enzymatische Funktionalität (Digunaylatzyklase) gekoppelt ist. Dadurch kann die Produktion einer speziellen Verbindung (zyklisches dimeres GMP) durch Belichtung verstärkt werden, die in weiterer Folge morphologische Änderungen im Organismus bewirkt. In der natürlichen Umgebung wechseln Mikroorganismen dadurch zwischen beweglichen und stationären Lebensformen. Speziell bei pathogenen Organismen können stabile stationäre Lebensformen, sogenannte Biofilme, problematische bei der Antiobiotikatherapie sein. Im Zuge der geplanten Forschungsarbeiten sollen die molekularen Mechanismen dieser Blaulicht- regulierten Diguanylatzyklase näher erforscht werden, um zu verstehen wie eine Aktivierung der Sensordomäne zu strukturellen Änderungen in der gekoppelten enzymatischen Effektor-Einheit führt. In weiterer Folge kann ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen dazu genutzt werden neuartige Sensor-Effektor Kombinationen zu generieren. Solche nicht-natürlich vorkommenden Blaulicht-regulierten Systeme könnten dann Anwendung im Bereich der Optogenetik finden, wo gentechnisch modifizierte Organismen gezielt mit Blaulicht bestrahlt würden um spezifische Effekte zu erzielen. So kann man zum Beispiel im Bereich der Zellbiologie Interaktionen zwischen verschiedenen Proteinen unter Lichtkontrolle steuern und so mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung Prozesse in lebenden Organismen beobachten bzw. kontrollieren. In weiterer Folge könnten solche Systeme dann auch Anwendung in medizinischen Anwendungen finden, wo gezielte Belichtung dazu führt einen Wirkstoff nur dort zu produzieren wo er benötigt wird. Dadurch könnten unerwünschte Nebenwirkungen, die bei derzeitigen Therapien den ganzen Körper betreffen, minimiert werden und so eine effektivere Behandlung von verschiedenen Krankheiten ermöglichen.

Alle lebenden Organismen sind auf Sensoren angewiesen, um sich an ihre Umwelt anzupassen. Eines der wichtigsten Signale ist Licht, das viele Organismen mithilfe spezialisierter Proteine wahrnehmen, die als biologische Schalter fungieren. Dieses Projekt untersuchte eine Familie von blaulichtempfindlichen Proteinen, welche die Produktion eines Moleküls namens zyklisches dimeres GMP steuern. In der Natur signalisiert dieses Molekül Bakterien, ob sie sich frei bewegen oder sich in "Biofilmen" niederlassen sollen - stationäre Gemeinschaften, die bekanntermaßen schwer mit Antibiotika zu behandeln sind. In vier Jahren Forschung gelang es dem Projektteam, die molekulare "Logik" dieser Schalter zu entschlüsseln. In der frühen Phase entdeckten sie, dass bestimmte Proteinversionen als hocheffiziente Umschalter fungieren, deren enzymatische Aktivität sich bei Lichteinstrahlung um mehr als das 10.000-fache erhöht. Durch die Untersuchung der physikalischen Struktur dieser Proteine identifizierten die Forscher, wie sich diese im Dunkeln selbst "einkäfigen", um inaktiv zu bleiben, und wie Licht sie dazu bringt, in einen aktiven Zustand aufzuspringen. Die Forschung entwickelte sich von der Untersuchung einfacher Lichtsensoren hin zu komplexeren "Dual-Sensor"-Systemen. Diese hochentwickelten Proteine können zwei verschiedene Signale gleichzeitig verarbeiten: blaues Licht und chemische Marker (Phosphorylierung). Das Team entdeckte, dass diese Systeme nach einer "ODER-Logik" arbeiten, was bedeutet, dass entweder Licht oder ein chemisches Signal den Schalter unabhängig voneinander auf "Ein" stellen kann. Dies gibt Organismen mehrere Möglichkeiten, dieselbe biologische Reaktion je nach Umweltbedingungen auszulösen. Um diese Erkenntnisse zu gewinnen, nutzte das Team moderne Technologien, darunter KI-basiertes Proteindesign zur Vorhersage, wie Mutationen das Verhalten von Proteinen verändern, sowie Kartierungstechniken in Lösung, um zu bestimmen, welche Teile der Proteine sich als Reaktion auf Signale bewegen und verschieben. Diese Arbeit wurde von der internationalen Fachwelt anerkannt, was zu bedeutenden Veröffentlichungen in Fachzeitschriften wie Science Advances, Protein Science und dem Journal of Biological Chemistry führte. Das ultimative Ziel dieser Forschung ist es, über die bloße Beobachtung der Natur hinaus zur Gestaltung derselben überzugehen. Durch das Verständnis dieser molekularen Mechanismen können Wissenschaftler neue, künstliche Sensoren für die Optogenetik entwickeln. In Zukunft könnte dies Ärzten ermöglichen, lokal begrenztes Licht einzusetzen, um Behandlungen nur an bestimmten Stellen, wie etwa einem Tumor, zu stimulieren, was Nebenwirkungen erheblich reduziert und Therapien effektiver macht. Dieses Projekt hat Teile der "Bedienungsanleitung" für die Funktionsweise dieser lichtgesteuerten biologischen Maschinen geliefert und so den Weg für neue Innovationen in der Medizin und Biotechnologie geebnet.