Die Opsin-Engineering-Plattform wird Genom-Mining und Protein-Engineering mit automatisierten Plasmamembranexpressions-Screenings und automatisierten Photostrommessungen kombinieren, um optogenetische Aktuatoren (Kanalrhodopsine, ChRs) für optogenetische Therapien zu entwickeln. Darüber hinaus wird der unter standardisierten Bedingungen gesammelte umfangreiche Datensatz perspektivisch die weitestgehende Aufklärung der Kanalrhodopsin-Fitnesslandschaft ermöglichen und somit als Grundlage für Daten-basierte Protein-Engineering-Ansätze dienen, die im Zusammenspiel mit Struktur-basierten Ansätzen die Entwicklung der nächsten Generation optogenetischer Aktuatoren vorantreiben werden.

Abbildung: Opsin-Engineering-Plattform (P1). Die Opsin-Engineering-Plattform (P1) wird in enger Zusammenarbeit mit allen Light2Treet-Plattformen und -Teams Kanalrhodopsine entwickeln, die ein vorteilhaftes Risikoprofil mit maximaler Effizienz verbinden. Dazu werden wir Plasmamembran-lokalisierte, hypoimmunogene Kanalrhodopsine mit einem rotverschobenen Aktionsspektrum und geeigneter Kinetik entwickeln. (A-B) Entwicklung der nächsten Generation optogenetischer Aktuatoren mit Hilfe von Genom-Mining und Protein-Engineering. (A) Identifizierung potentiell geeigneter Kanalrhodopsine mit Hilfe einer phylogenetischen Analyse. (B) Struktur-basiertes Protein-Engineering unter Verwendung von hochaufgelösten Strukturen (ChR2-Struktur, PDB ID: 6EID), 3D-Modellen (AlphaFold, DeepMind) und Kryo-EM-Analysen (Titan Krios G4, Kryo-EM-Plattform der Universität Göttingen). (C-D) Die Anwendung automatisierter Verfahren ermöglicht die Untersuchung einer Vielzahl von natürlichen und durch Mutagenese optimierten Kanalrhodopsinen. Die Kanalrhodopsinanalyse-Pipeline basiert auf (C) einem automatisierten Spinning-Disk-Konfokal-Mikroskop (CQ1, Yokogawa) für Kanalrhodopsin-Plasmamembranexpressions-Screenings und einem Patch-Clamp Roboter (Opto-SyncroPatch 384, Nanion) für automatisierte Photostrommessungen. (E) Exemplarische ChReef-Photostrommessung am Opto-SyncroPatch 384.

Mit Hilfe der Optogenetik können zelluläre Prozesse auf vielfältige Weise beeinflusst und gesteuert werden. Lichtaktivierte Proteine, meistens Opsine, stehen im Zentrum eines jeden optogenetischen Verfahrens. Tausende Opsine wurden in den vergangenen Jahren in den Genomen von Bakterien, Algen und Tieren oder in einfachen Wasser- und Bodenproben identifiziert und sind bisher nur teilweise im Detail charakterisiert. Die Funktionsbreite verschiedener Opsine ist hierbei beeindruckend und reicht von lichtaktivierten Protonenpumpen über lichtaktivierte Ionenkanäle bis hin zu lichtaktivierten Enzymen und Schaltern intrazellulärer Signalkaskaden. Neue Funktionalitäten wie die Absorption von fernrotem Licht oder eine hochselektive Leitfähigkeit für Kalium wurden erst vor Kurzem entdeckt und sind insbesondere für medizinische Anwendungen interessant, wo sie eine breitere Ausleuchtung des adressierten Gewebes oder eine effiziente und physiologisch verträgliche Inhibition von Nerven- und Muskelzellen versprechen.

Zentrale Aufgabe der Professur ist es, die molekularen Grundlagen bestimmter Leitfähigkeiten, spektraler Sensitivitäten oder funktionaler Dynamiken zu verstehen und durch die Entwicklung von Vorhersage- und Screeningverfahren die Identifizierung und Optimierung neuer Opsine zu verbessern, sowie durch eine gezielte Expression in unterschiedlichen subzellulären Kompartimenten neue Anwendungsfelder zu erschließen. Schließlich sollen so durch ein genaues mechanistisches Verständnis und gezieltes Anpassen molekularer Eigenschaften die natürliche Diversität der Opsine nicht nur für die optogenetische Grundlagenforschung, sondern auch für medizinische Anwendungen nutzbar gemacht werden.