Optogenetik betegner manipulation af cellulære processer ved lysbaserede biologiske teknikker. Et internation alt forskerhold ledet af Würzburg-planteforskerne Rainer Hedrich, Georg Nagel og Dirk Becker har haft held med at anvende denne metode på højere planter: Lysimpulser kan nu bruges til at udløse elektrisk excitation i planter.
"Med dette værktøj er vi for første gang i stand til ikke-invasivt at undersøge elektrisk baserede cellulære kommunikationsveje i planter på molekylært niveau og spørge, hvordan planter bruger disse elektriske signaler til at reagere på ekstreme temperatursvingninger, planteædere eller andre stressfaktorer,« siger Dirk Becker.
Når planter er stressede, udsender de langdistancegående elektriske signaler kendt som membranpotentiale bølger. Derved er planter i stand til at overføre information hurtigt og præcist over lange afstande, selvom de hverken har hjerne- eller nerveceller. De involverede molekylære mekanismer er dog stort set ukendte. Ny indsigt i disse komplekse processer leveres af forskerholdet i tidsskriftet PNAS.
Alger giver værktøjer til membranbiologi
Hvordan kan vi simulere et elektrisk signal i anlæg, der norm alt udløses af stress eller skader uden at forårsage uønskede bivirkninger?
Teamet tacklede denne udfordring ved hjælp af optogenetik. Metoden har været tilgængelig siden 2002, og medforfatterne til den aktuelle PNAS-publikation, Georg Nagel og Ernst Bamberg, har sammen med andre forskere modtaget flere priser for deres udvikling.
Optogenetics gør det muligt at kontrollere nervecellernes elektriske aktivitet med lysimpulser, forudsat at nervecellemembraner tidligere var udstyret med lysfølsomme ionkanaler fra alger, kendt som channelrhodopsiner.
Stress fører til depolarisering og forsuring
Højere planter har mistet de lysfølsomme ionkanaler fra alger under evolutionen, forklarer Dirk Becker. Det er nu lykkedes forskerne at føre channelrhodopsingenerne tilbage til genomet af modelplanten Arabidopsis thaliana, hvis bladceller specifikt kan exciteres med lys, og den elektriske membranrespons kan analyseres.
Hvis planter er stressede, depolariserer irriterede celler, og cellemiljøet bliver mere surt. Dette var kendt. Men hvordan kan de to processer simuleres i eksperimentet? Würzburg-forskerne bruger en kanalrhodopsin-variant, der tændes af blåt lys og derefter leder protoner ind i cellen.
Norm alt er cellevæggen i en plantecelle mindst én pH-enhed mere sur end cellens indre, siger Rainer Hedrich. Hvis protonkanalen åbner sig, strømmer protoner og dermed positive elektriske ladninger uundgåeligt hen over cellemembranen. Dette depolariserer membranen og forsurer cellens indre.
Depolarisering kan styres med blåt lys
For at udløse denne effekt eksperimentelt rettes en blå laser mod det bladområde, der skal undersøges, og de stimulerede cellers membranpotentiale registreres, forklarer Dirk Becker: "Vi brugte belysningsintensiteten, varigheden og frekvensen. af de blå lyspulser for at kontrollere formen af membrandepolariseringen og analyserede plantecellens repolariseringsrespons i detaljer.
Det blev vist, at i bladceller er repolariseringen hovedsageligt forårsaget af ATP-drevne plasmamembranpotentialfølsomme protonpumper. Når cellemembranen depolariserer, går denne protonpumpe ind i en tilstand af øget aktivitet. Derved transporterer den flere positivt ladede protoner ud af cellen, hvilket repolariserer cellemembranen.
Denne mekanisme adskiller sig fundament alt fra den i animalske nerveceller, hvor spændingsafhængige kaliumkanaler styrer denne proces. Würzburg-planteforskerne var i stand til at vise, at planter klarer denne proces ved hjælp af en protonpumpe og ikke en kaliumkanal: En Arabidopsis-mutant uden kaliumkanal opførte sig som en normal plante, når den blev udsat for blåt lys.
Channelrhodopsins for alle tilfælde
"Vi tester i øjeblikket andre optogenetiske værktøjer af denne art," siger Rainer Hedrich. Målet er ikke kun at belyse cellulær kommunikation gennem elektriske signaler. Det er også vigtigt at forstå vigtigheden af, at calciumbølger og pH-signaler forekommer samtidigt i planter.
For at afklare, hvad der karakteriserer planteceller generelt, og hvilke cellespecifikke egenskaber der kan have udviklet sig, planlægger forskerne at introducere kanalrodopsiner i celler, der udviser en bred vifte af forskellige funktioner. Forskerne planlægger også at bruge kanalrhodopsin-varianter med specifik ionselektivitet til at kaste lys over planters indviklede kommunikationsveje.
