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Prof. Dr. Katja Arndt, Junior Fellow der FRIAS School of Life Sciences – LifeNet entwickelt „Lichtschalter“ zur Steuerung von Proteinen

Das Ablesen von Genen und die damit verknüpfte Herstellung zellulärer Eiweißmoleküle müssen fehlerfrei ablaufen, wenn jede Zelle korrekt funktionieren soll. Dieser als Genexpression bezeichnete Prozess wird durch spezielle Eiweißmoleküle, sogenannte Transkriptionsfaktoren gesteuert. Werden diese falsch reguliert, führt das in den meisten Fällen zu  krankhaften Veränderungen wie etwa Krebs. Die Forschergruppe um Katja Arndt, Junior Fellow der FRIAS  School of Life Sciences – LifeNet, hat nun kleine Eiweißschnipsel konstruiert, die solche fehlregulierten Transkriptionsfaktoren blockieren und damit die unkontrollierte Genexpression hemmen. In Zusammenarbeit mit dem Team von Andrew Woolley, Professor an der University of Toronto, entwickelte die Wissenschaftlerin einen Mechanismus, mit dem sich diese Hemmstoffe, die man auch als Inhibitoren bezeichnet, „per Lichtschalter“ fernsteuern lassen. Diese Forschungsergebnisse wurden nun in der führenden Fachzeitschrift "Angewandte Chemie International Edition" veröffentlicht und von den Herausgebern als "Hot Paper" eingestuft, da es große Bedeutung für ein sich schnell entwickelndes Gebiet von großem gegenwärtigem Interesse habe.

Die publizierte Arbeit verbindet zwei interessante Techniken: Sie verknüpft die von Katja Arndt konstruierten Inhibitoren, die in der Lage sind Onkogene (wörtlich Krebs-Gene) zu regulieren, mit chemischen Linkern (Stoffe, die zwei verschiedene Moleküle miteinander verbinden und damit komplexere Strukturen schaffen können), die je nach Wellenlänge in zwei unterschiedlichen Formen vorkommen und von der Gruppe um Andrew Woolley entwickelt wurden. Die chemischen Linker  konnten mit den Inhibitoren so gekoppelt werden, dass sie wie ein Lichtschalter funktionieren: Wird der Inhibitor mit  Licht angestrahlt, ist er „angeschaltet“ und aktiv, im Dunklen dagegen ist der Hemmstoff „ausgeschaltet“, d.h. inaktiv. Die Forscher konnten mithilfe dieses an- und auszuschaltenden  Inhibitors die Aktivität des krebserzeugenden Transkriptionsfaktors AP-1 (Activator Protein 1) steuern. Durch „Einschalten“ des Lichts aktivierten sie den Inhibitor und hemmten damit die Expression von AP-1, durch „Ausschalten“ des Lichts hoben sie die Hemmung auf.

Für diese neue Technologie bieten sich viele Anwendungsmöglichkeiten. Solche molekularen Lichtschalter gelten als interessante Bauteile in der Synthetischen Biologie. Zum anderen versprechen sich die Forscherinnen und Forscher interessante Anwendungen in der Systembiologie. So können die neu entwickelten Lichtschalter bei der Erforschung zeitlich kontrollierter biologischer Prozesse, wie etwa der Entstehung und Wiedererkennung von Angstgefühlen, eine wichtige Rolle spielen. In der Medizin könnten die Lichtschalter daher als Leitsubstanzen für mögliche neue Therapieansätze eingesetzt werden.

Neben Prof. Dr. Katja Arndt und Prof. Dr. Andrew Woolley sind auch Katharina Timm, Doktorandin im Excellenzcluster BIOSS, und Dr. Fuzhong Zhang aus der Gruppe von Andrew Woolley an der Studie beteiligt. Das Projekt wurde vom Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD), dem Centre for Biological Signalling Studies (BIOSS) im Rahmen des Ausbaus Internationaler Kooperationen sowie der FRIAS  School of Life Sciences - LifeNet gefördert.


http://www3.interscience.wiley.com/journal/123375293/abstract (internationale Version)
http://www3.interscience.wiley.com/journal/123375281/abstract (deutsche Version).

Abbildung: Lichtgesteuerte Proteine

Mit Hilfe des Inhibitors (rot-gelb) reguliert Licht die Aktivität des AP-1 Transkriptionsfaktors (blau-grün) in lebenden Zellen.

05/2010