Zelluläre Dynamik

Neue Methoden und Technologien sind unerlässlich für den Fortschritt empirischer Forschung. Ein wichtiger Ansatz in den Neurowissenschaften ist es Techniken zu entwickeln, mit denen die Aktivität möglichst vieler Nervenzellen in komplexen Erregungskreisen bis hin zu ganzen Gehirnen gemessen werden kann. Von besonderem Interesse ist dabei, wie unterschiedliche Gruppen von Nervenzelltypen miteinander kommunizieren, um die Außenwelt wahrzunehmen, das Verhalten von Organismen zu steuern, und wie diese Kommunikation bei Krankheiten des Nervensystems verändert ist. Welche Bedeutung neue Methoden für die Forschung haben, zeigt auch die BRAIN-Initiative, ein ambitioniertes und groß angelegtes Förderprogramm, das der ehemalige US-Präsident Obama zusammen mit dem National Institute of Health (NIH) zur Entwicklung neuer Methoden in der Hirnforschung in den USA initiiert hat. Dabei geht es unter anderem darum, über Raum und Zeit über viele Größenordnungen neuronale Aktivität zu messen und ihre Modulation zum Beispiel durch Hormone oder Peptide zu quantifizieren. Zu diesem Zweck sollen neue Messmethoden und Geräte entwickelt, und optische Sensoren und Aktuatoren entworfen werden.

Für viele dieser neuen Ansätze bilden Proteine den Ausgangspunkt. Proteine können mit Hilfe der Molekularbiologie sehr spezifisch in bestimmten Nervenzellen oder auch definierten subzellulären Zellbereichen lokalisiert werden. Es ist somit möglich, nur bestimmte Nervenzelltypen im Gehirn zu markieren – selbst wenn diese tief im lebenden Gehirn liegen und auf andere Weisen kaum zugänglich sind. Proteine können vielfältige Aufgaben übernehmen: Als Sensoren zeigen sie die Aktivität und Biochemie lebender Nervenzellen an. Als „Lichtschalter“ können Wissenschaftler mit ihnen Nervenzellen dazu stimulieren, Aktionspotentiale zu feuern oder dies zu unterlassen. Und als chemische Schalter ermöglichen Proteine das Verhalten von Nervenzellen über längere Zeiträume hinweg zu modulieren. So unterschiedlich wie ihre Verwendung ist auch der Ursprung der eingesetzten Proteine: Sie stammen zum Beispiel aus Bakterien, Algen, Quallen oder Korallen und besitzen jeweils einige Grundeigenschaften, die sie für den vorgesehenen Zweck besonders gut eignen. Beinahe nie kommen die Proteine jedoch in ihrer ursprünglichen Form zum Einsatz. In der Regel müssen die Eigenschaften der Proteine optimiert und für die Verwendung im Gehirn angepasst werden. Häufig werden dabei auch Abschnitte aus unterschiedlichen Proteinen miteinander verknüpft. Zudem sind meist viele Zyklen aus Mutagenese und Eignungstest im Experiment notwendig, bis eine Proteinvariante vorliegt, die für den geplanten Einsatz in der Hirnforschung optimiert ist.

Das Ziel unserer Arbeit ist es, aus Proteinen Biosensoren für die neurowissenschaftliche Forschung zu entwickeln. Wir verfolgen einen interdisziplinären Ansatz, der Biophysik und Strukturstudien von Proteindomänen mit neuen molekularbiologischen Techniken und Hochdurchsatz-Screening-Methoden kombiniert. In eigenen Versuchen und Kooperationen charakterisieren wir die auf diese Weise entwickelten Proteinwerkzeuge und testen ihre Einsatzmöglichkeiten in der Neurophysiologie.