Um Zellen mit Licht steuern zu können, müssen Wissenschaftler zunächst ein Glasfaserkabel im Hirn eines Versuchstiers implantieren. Sobald sie das Licht anschalten, beginnen vorher ausgesuchte Neuronengruppen schlagartig zu feuern oder verstummen plötzlich. Weil sich das Tier dabei frei bewegen kann, lässt sich anhand seines Verhaltens beobachten, welche Aufgabe die Zellen erfüllen.

Neurone feuern, wenn plötzlich eine große Anzahl geladener Teilchen in sie einströmt. Dazu müssen Kanalproteine, die in ihrer Zellmembran sitzen, im richtigen Moment ihre Schleusen öffnen – im Normalfall gibt ein chemisches Signal das Kommando dazu. Optogenetiker bauen nun in die Gehirnzellen ihrer Versuchstiere Kanalproteine ein, bei denen das Licht das Signal zum Öffnen gibt. So lässt sich der Einstrom – und damit auch das Verhalten der Nervenzelle – von außen steuern. Proteine, die sich zu diesem Zweck eignen, haben Forscher unter anderem in bestimmten Algen entdeckt.

Sobald eine Zelle solche Kanäle besitzt, reagiert sie auf das Lichtsignal. Das Problem: Nicht alle Hirnzellen des Tiers dürfen sie besitzen, sondern ausschließlich diejenigen, die man untersuchen will. Ein gentechnischer Trick hilft den Forschern dabei, exakt die gewünschten Zellen lichtempfindlich zu machen.

Sie entnehmen den Mikroorganismen nicht die Kanäle selbst, sondern nur deren genetische Bauanleitung. Diese transferieren sie anschließend in das Genom beispielsweise eines Mausembryos und koppeln sie dort an DNA-Abschnitte, die nur von bestimmten Nervenzelltypen abgelesen werden. Wächst das Versuchstier heran, stellen ausschließlich Zellen dieses Typs die transferierten Kanalproteine her.

Koppelt man die Kanal-DNA beispielsweise an den Erbgutabschnitt des Botenstoffs Dopamin, reagieren ausschließlich Zellen auf die Lichtsignale, die auch Dopamin ausschütten. Für andere Zelltypen lassen sich leider nicht immer leicht entsprechende DNA-Abschnitte finden, mit denen man exklusiv den gewünschten Zelltyp ansprechen kann.

Die Anfänge der Technik stammen aus dem Jahr 2004, als eine Gruppe um den Stanford-Forscher Karl Deisseroth das aus der Süßwasseralge Chlamydomonas reinhardtii isolierte Gen für das Kanalprotein Channelrhodopsin (ChR2) in kultivierte Neurone einbrachte. (Einen Artikel von Karl Deisseroth in Spektrum lesen Sie hier). Mittlerweile haben zahlreiche Forschergruppen – darunter auch das Team von Gero Miesenböck (University of Oxford), einem weiteren Protagonisten der Optogenetik – die Technik weiterentwickelt und zu einem einsatzfähigen Werkzeug gemacht, wie Miesenböck in Spektrum berichtet. Das Fachmagazin "Nature Methods" wählte die Optogenetik zuletzt zur "Methode des Jahres 2010".

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