Licht nutzen, um die Genaktivität in Hefe zu steuern

Licht ist ein wichtiger Teil unserer Welt. Es beeinflusst, wie lebende Dinge sich verhalten und wachsen. Verschiedene Organismen nutzen Licht auf unterschiedliche Weise, um Dinge wie Wachstum, Bewegung oder sogar die Lebensmittelproduktion zu ermöglichen. Eine spezielle Gruppe von Proteinen, die genannt werden Fotosensor-Proteine, fängt Licht ein. Diese Proteine können sich verändern, wenn sie Licht absorbieren, was zu Veränderungen in der Reaktion der Organismen führt.

#Was sind Fotosensor-Proteine?

Fotosensor-Proteine sind wie kleine Schalter, die angehen, wenn sie Licht sehen. Sie absorbieren Licht und durchlaufen eine Reihe von Veränderungen in ihrem Inneren. Diese Veränderung kann andere Aktionen im Organismus auslösen. Zum Beispiel kann ein spezifisches Protein namens EL222 blaues Licht erkennen. Wenn es das tut, verändert es seine Form und hilft dem Organismus, Gene zu aktivieren, die in diesem Moment vielleicht benötigt werden.

#Struktur von EL222

EL222 besteht aus zwei Hauptteilen. Ein Teil erkennt das Licht und der andere Teil übernimmt die Arbeit, wie ein Lichtschalter im Raum. Der erste Teil nennt sich Sensorbereich, der auf Licht reagiert, während der zweite Teil der Effektorbereich ist, der beim Binden an die DNA hilft, der Anleitung zum Bau von Proteinen.

Im Dunkeln kann EL222 nicht an die DNA binden, weil es eine Form hat, die das blockiert. Wenn blaues Licht darauf scheint, verändert sich EL222 und kann dann an die DNA binden, wodurch es spezifische Gene aktivieren kann. Dieser Prozess ist umkehrbar, was bedeutet, dass es ein- und ausgeschaltet werden kann, je nachdem, ob Licht verfügbar ist oder nicht.

#Wie EL222 in der Wissenschaft verwendet wird

Wissenschaftler haben gelernt, EL222 in Laboren zu verwenden, um Gene in lebenden Zellen zu steuern. Indem sie Licht auf Zellen scheinen lassen, die EL222 enthalten, können Forscher Gene ein- oder ausschalten. Das Licht wirkt als Auslöser, sodass sie untersuchen können, wie Gene funktionieren, ohne etwas anderes in der Zelle zu verändern. Diese Methode nennt sich Optogenetik.

In einigen Experimenten haben Wissenschaftler EL222 modifiziert, indem sie neue Teile hinzugefügt haben. Sie haben eine Version namens VP-EL222 erstellt, die in den Zellkern von Zellen gelangen kann, wo die DNA ist, und Gene aktivieren kann, wenn Licht vorhanden ist. Diese modifizierte Version wurde in der Forschung weit verbreitet verwendet.

#Arbeiten mit Hefe

Ein beliebter Organismus für diese Experimente ist Hefe. Hefe lässt sich leicht im Labor züchten und kann genutzt werden, um viele grundlegende biologische Prozesse zu verstehen. Wissenschaftler haben VP-EL222 in Hefe verwendet, um zu untersuchen, wie bestimmte Gene unter verschiedenen Bedingungen gesteuert werden, wie zum Beispiel bei der Verfügbarkeit von Nährstoffen.

Zum Beispiel, wenn Hefe genug Phosphat hat, sind bestimmte Gene ausgeschaltet. Aber wenn Phosphat niedrig ist, werden diese Gene aktiviert. Durch den Einsatz von Licht und VP-EL222 können Forscher diese Gene aktivieren, um zu studieren, wie Hefe auf unterschiedliche Phosphatlevel reagiert.

#Phosphat und Genkontrolle

Das PHO5-Gen in Hefe ist verantwortlich für den Abbau von Phosphat. Wenn genug Phosphat vorhanden ist, ist das Gen ausgeschaltet, weil die Hefe kein zusätzliches Enzym produzieren muss, das es abbaut. Wenn die Phosphatwerte jedoch sinken, muss die Hefe das PHO5-Gen aktivieren, um das zu absorbieren, was sie braucht.

Wie Hefe dieses Gen aktiviert, umfasst mehrere Schritte. Zuerst muss ein Protein namens Pho4 in den Zellkern gelangen und an spezifische Stellen am PHO5-Gen binden. Wenn Phosphat niedrig ist, wird Pho4 aktiviert und bringt Helfer mit, um das Gen wieder einzuschalten. Dieser Prozess ist komplex und umfasst Veränderungen in der Struktur von DNA und Proteinen innerhalb der Zelle.

#Was Wissenschaftler getan haben

Forscher haben das VP-EL222-System genommen und in die Hefe eingeführt. Indem sie blaues Licht auf die Hefe scheinen liessen, konnten sie das PHO5-Gen sogar dann aktivieren, wenn Phosphat verfügbar war. Sie schauten sich auch ein anderes Gen, PHO84, an, das ebenfalls auf Phosphat reagiert. Das Verständnis dieser Prozesse hilft Wissenschaftlern zu lernen, wie Zellen auf ihre Umgebung reagieren.

In ihren Experimenten kombinierten die Wissenschaftler VP-EL222 mit verschiedenen Proteinen, um zu sehen, ob sie die Fähigkeit zur Steuerung dieser Gene verbessern konnten. Sie schufen verschiedene Versionen von EL222, von denen einige grössere Proteine beinhalteten. Dies würde helfen, herauszufinden, wie viel zusätzliches Material EL222 transportieren kann, ohne seine Funktionstüchtigkeit zu verlieren.

#Verwendung von CRISPR zur Genbearbeitung

Um ihre Experimente effektiver zu gestalten, verwendeten die Wissenschaftler ein Werkzeug namens CRISPR. Diese Technologie erlaubt es ihnen, Gene direkt in der DNA der Hefe zu bearbeiten. Sie fügten die Bindungsstelle für VP-EL222 nahe den PHO5- und PHO84-Genen ein, sodass sie, wenn Licht angewendet wurde, diese Gene leicht aktivieren konnten.

Im Verlauf des Prozesses entdeckten sie, dass das Hinzufügen von VP-EL222 nicht das normale Verhalten der PHO5- und PHO84-Gene veränderte. Sie drückten die Gene weiterhin nach Bedarf aus, abhängig von den vorhandenen Phosphatwerten. Das bedeutet, dass die Verwendung von EL222 nicht beeinflusste, wie Hefe natürlich auf Phosphat reagiert.

#Messung der Genaktivität

Um zu sehen, wie gut die Gene aktiviert wurden, massen die Forscher die Mengen an RNA, die von diesen Genen produziert wurden. RNA ist das Molekül, das der Zelle sagt, wie sie Proteine herstellen soll. Indem sie die RNA quantifizierten, konnten sie bestimmen, ob die Gene ordnungsgemäss in Reaktion auf Licht exprimiert wurden.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass, als Hefe mit blauem Licht beleuchtet wurde, das PHO5-Gen eine signifikante Menge an RNA produzierte im Vergleich dazu, als es dunkel war. Der Wert variierte je nach Verfügbarkeit von Phosphat. In Bedingungen mit hohem Phosphat beobachteten sie insgesamt weniger RNA-Produktion, während Bedingungen mit niedrigem Phosphat viel mehr Genaktivität ermöglichten.

#Die Rolle zusätzlicher Proteine

Zusätzlich zu VP-EL222 testeten die Forscher auch andere Proteine, die sich mit EL222 verknüpfen könnten, um die Genexpression weiter zu manipulieren. Sie erschufen Fusionsproteine von EL222 mit verschiedenen Proteinen, einschliesslich transkriptioneller Aktivatoren und Repressoren. Aktivatoren helfen, Gene einzuschalten, und Repressoren helfen, sie auszuschalten.

Einige ihrer Experimente beinhalteten Proteine, die bereits Teil des Hefesystems sind. Indem sie sie an EL222 anhängten, wollten die Wissenschaftler ein System schaffen, das effizienter und reflektiver für die natürliche Biologie der Hefe ist. Sie fanden heraus, dass während einige Kombinationen gut funktionierten, andere nicht wie gewünscht funktionierten, was die Komplexität der Arbeit mit diesen Systemen verdeutlicht.

#Ergebnisse aus den Experimenten

Nach zahlreichen Tests kamen die Forscher zu dem Schluss, dass verschiedene Kombinationen von EL222 und seinen Partnern unterschiedliche Wirksamkeit in der Steuerung der Genexpression zeigten. VP-EL222 allein konnte das PHO5-Gen bei niedrigen Phosphatbedingungen effektiv aktivieren, hatte aber in Szenarien mit hohem Phosphat etwas Probleme.

Im Gegensatz dazu erlaubte das Anhängen eines nativen Hefepotens wie Pho4 an EL222 eine viel klarere Kontrolle über das PHO5-Gen. Das bedeutet, dass die Verwendung von nativen Proteinen manchmal bessere Ergebnisse liefern kann als die Verwendung von synthetischen.

Die Ergebnisse zeigten auch, dass die Positionierung der Bindungsstellen relativ zum Gen selbst eine entscheidende Rolle für die Effizienz des Systems spielt. Je näher die Bindungsstelle am Gen ist, desto effektiver wäre die lichtinduzierte Aktivierung.

#Beobachtungen zur Genrepression

Neben der Aktivierung von Genen testeten die Forscher, ob sie erfolgreich die Genaktivität mit EL222 unterdrücken konnten. Sie schufen eine Fusion von EL222 mit einem Korrepressorprotein, Ume6, das normalerweise daran beteiligt ist, Gene unter bestimmten Bedingungen auszuschalten.

Mit diesem neuen Konstrukt fanden sie heraus, dass sie die Expression des PHO5-Gens sogar unter Bedingungen mit niedrigem Phosphat senken konnten. Diese Fähigkeit, die Genexpression zu unterdrücken, fügt eine weitere Ebene hinzu, wie Forscher sich die Kontrolle über die Genaktivität in Hefe und möglicherweise anderen Organismen vorstellen.

#Fazit

Die Arbeit mit EL222 und Lichtmanipulation bietet wertvolle Einblicke, wie die Genexpression in lebenden Organismen kontrolliert werden kann. Indem sie Licht als Auslöser verwenden, können Wissenschaftler komplexe biologische Prozesse unter kontrollierten Bedingungen studieren.

Die fortlaufende Verfeinerung dieser Techniken unterstützt die Forscher dabei, grundlegende biologische Prinzipien zu entdecken, die bestimmen, wie Zellen auf ihre Umgebung reagieren. Dieses Verständnis hat das Potenzial für breitere Anwendungen in der Biotechnologie, synthetischen Biologie und Medizin, da die gezielte Genkontrolle zu Innovationen führen kann, wie wir Organismen für spezifische Aufgaben gestalten.

Studien wie diese zeigen die verwobene Beziehung von Proteinen, DNA, Licht und der Umwelt und wie sie zusammen die Grundlage für den komplizierten Tanz des Lebens bilden.