科学家们展示了一种蛋白质，它可以促进光对神经细胞的控制
网络神经细胞是生物的控制中心。在线虫中，300个神经细胞足以启动复杂的行为。为了了解这些网络的特性，研究人员利用光开关细胞，并观察生物体的行为。在科学科学家们现在提出了一种蛋白质，它可以促进光对神经细胞的控制。它可以作为研究神经系统疾病的基础。
为了使神经细胞与光线转换，在细胞膜上形成离子通道的某些蛋白质被使用。这些蛋白质被称为通道视紫红质。如果光线照射到通道，通道就会打开，离子进入并使细胞特别活跃或不活跃。通过这种方式，我们获得了一个非常好的工具来研究神经细胞网络中的功能。然而，到目前为止，需要大量的光，而且网络中只有非常有限的区域可以进行切换。与目前用于关闭神经细胞的其他蛋白质相比，现在展示的ChlocC通道视紫红质对光线的反应敏感性约为10000倍。
“为了修饰蛋白质，我们在计算机上分析了它的结构，”KIT的Marcus Elstner解释说。这位理论化学家和他的团队模拟了由大约5000个原子组成的蛋白质。为此，他们使用了KIT计算中心(Steinbuch Centre For computing, SCC)性能最高的计算机。加上蛋白质环境，即细胞膜和细胞水，大约需要考虑10万个原子，这需要几个星期的计算。“我们发现，通道的离子电导率基本上是基于中心区域的三种氨基酸，即通道中仅约50个原子。”通过交换氨基酸，科学家们现在已经成功地提高了离子通道的灵敏度。
自2005年以来，微藻中的光激活离子通道，即所谓的通道视紫红质已经开始使用。在神经切片或活的转基因生物模型中，如苍蝇、斑马鱼或小鼠，它们允许特定的光激活选定的细胞。因此，可以提高对它们在细胞结构中的作用的理解。这项技术被称为光遗传学，应用广泛。在过去的几年里，它有助于更好地理解信号处理的生物学。迄今为止，难以接近的神经通路被绘制出来，蛋白质、细胞、组织和神经系统功能之间的许多关系也被发现。
在最新报道的研究框架内科学来自卡尔斯鲁厄、汉堡和柏林的研究人员进一步开发了离子通道。柏林Humboldt-Universität的Peter Hegemann团队的Jonas Wietek和Nona Adeishvili成功地识别了通道视紫红质的选择性过滤器，并对其进行了修改，使带负电荷的氯离子传导。这些氯离子传导通道被科学家们称为氯离子通道。卡尔斯鲁厄理工学院(KIT) Marcus Elstner团队的Hiroshi Watanabe计算了蛋白质中的离子分布，并可视化了氯离子分布的增加。汉堡分子神经生物学中心的Thomas Oertner团队的Simon Wiegert证明，可以将ChlocC引入选定的神经元中，使后者在非常小的光强度下失活，这与生物体中发生的过程类似。有了ChloC，一种新的光遗传学工具现在可以用于神经科学，与已知的主要传导钠离子和质子的光激活阳离子通道一起研究神经网络的开关。这一基础知识可能有助于更好地理解癫痫和帕金森病等疾病的发病机制。从现在开始的几年里，这可能会产生治疗概念，这可能比今天使用的医疗药物更具体。
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出版
J. Wietek, J. S. Wiegert, N. Adeishvili, F. Schneider, H. Watanabe, S. P. Tsunoda, A. Vogt, M. Elstner, T. G. Oertner, P. Hegemann。通道视紫红质转化为光门控氯通道。《科学》，2014年3月27日在线出版。doi: 10.1126 / science.1249375
