FWF - Lichtaktivierte Zyklasen - Struktur- und Funktionsbeziehungen der Signalweiterleitung in lichtaktivierten Zyklasen

Alle Lebewesen sind in der Lage Umgebungseinflüsse wahrzunehmen und zu verarbeiten. Licht ist ein wichtiger äußerer Faktor, der von einer Reihe von Photorezeptoren verarbeitet wird. Viele dieser lichtempfindlichen Proteine sind direkt an enzymatische Funktionen gekoppelt und ermöglichen so die Licht-aktivierung oder -inhibierung verschiedener zellulärer Vorgänge. In jüngster Zeit stieg das Interesse an lichtgesteuerten Systemen aufgrund der Etablierung der „Optogenetik“, bei der durch gentechnische Lokalisierung von optisch beeinflussbaren Systemen Prozesse gezielt gesteuert werden können. Der Bedarf an lichtgesteuerten System ist allerdings größer als die Möglichkeiten die natürlich vorkommende Photorezeptoren bieten. Trotz Fortschritts beim Verständnis der Lichtaktivierung verschiedener Photorezeptorfamilien ist das rationale Design künstlicher Systeme nicht trivial. Gerade weil die Mechanismen der Signalübertragung auch innerhalb von Photorezeptorfamilien unterschiedlich sind, liegt es nahe die Prinzipien der Kopplung von Sensor und Effektor besser zu untersuchen. Aus diesem Grund plane ich die Charakterisierung von Blau- bzw. Rotlicht-gekoppelten Guanylat- bzw. Adenylatzyklasen. Dabei handelt es sich um künstliche, lichtregulierbare Systeme, die auf preliminären Daten einer Blaulicht-gesteuerten Adenylatzyklase und der evolutionären Konservierung von Elementen der Signalübermittlung aufbauen. Die Identifizierung spezifischer Kopplungselemente der nah verwandten Effektor Domänen und der Vergleich der Funktionalitäten unterschiedlicher, künstlicher Chimären werden neue Einblicke in den Mechanismus der Kopplung von Sensor und Effektor ermöglichen. Zur erfolgreichen Charakterisierung dieser Systeme verwende ich einen interdisziplinären Ansatz bei dem ich Methoden der Biochemie und Strukturbiologie kombiniere. Durch Röntgenkristallografie erhaltene Strukturmodelle werden funktionell mit Hilfe von Wasserstoff-Deuterium Austausch Experimenten (HDX) erweitert, um Strukturelemente zu identifizieren die an der Lichtaktivierung und Signalübermittlung beteiligt sind. Die Kombination aller Ergebnisse wird unser Verständnis der Übermittlung von Lichtsignalen aus Sicht des Sensors aber auch des Effektors deutlich verbessern. Letztendlich wird ein besserer Einblick in das evolutionäre Design dieser Lichtschalter auch das rationale Design von künstlichen optogenetischen Werkzeugen unterstützen.