Microbieel rodopsine: het lichtgevoelige eiwit dat cellen aan- en uitschakelt
Diep in zoute meren en oceanen leven micro-organismen die zonlicht direct kunnen omzetten in een elektrisch signaal over hun celmembraan, zonder de bladgroenkorrels die planten daarvoor gebruiken. Het eiwit dat dit mogelijk maakt heet rodopsine. Omdat het voorkomt bij bacteriën, archaea (een oeroude groep eencelligen) en algen, noemen wetenschappers het microbieel rodopsine, om het te onderscheiden van het rodopsine in onze eigen oogstaafjes.
Je kunt het vergelijken met een piepklein zonnepaneel dat tegelijk een schakelaar is. Valt er licht op, dan verandert het eiwit heel kort van vorm en stuurt het meteen een elektrisch of chemisch signaal de cel in. Die eigenschap maakt microbieel rodopsine niet alleen belangrijk voor de microben zelf, maar ook voor onderzoekers: als je het gen voor zo'n eiwit inbouwt in een andere cel, bijvoorbeeld een hersencel, kun je die cel voortaan met een lichtflits aan- of uitzetten. Dat idee ligt aan de basis van de optogenetica, een van de invloedrijkste technieken in de moderne neurowetenschap, en van experimentele therapieën om blindheid tegen te gaan.
Wat is het precies?
Microbieel rodopsine is een eiwit dat zeven keer als een lus door het celmembraan heen en weer kronkelt, een structuur die onderzoekers een zeven-transmembraan-eiwit noemen. Middenin dat eiwit zit een klein molecuul vastgeklikt: retinal, een afgeleide van vitamine A. Dit retinal is de eigenlijke lichtvanger.
Valt er een lichtdeeltje (foton) op het retinal, dan klapt het molecuul in een fractie van een miljardste seconde om van vorm, van een gestrekte naar een geknikte structuur. Die kleine verandering brengt het omliggende eiwit in beweging, als een dominosteentje dat een hele rij laat omvallen. Het gevolg is dat het eiwit een poortje opent of als pompje gaat werken, waardoor geladen deeltjes (ionen) de celwand in of uit stromen.
Niet elk microbieel rodopsine doet hetzelfde. Bacteriorhodopsine pompt protonen (waterstofionen) naar buiten en bouwt zo een soort batterijspanning op die de cel later gebruikt als energiebron. Halorhodopsine pompt juist chloride-ionen naar binnen. Channelrhodopsine, gevonden in groene algen, werkt anders: het vormt geen pomp maar een poort die bij licht simpelweg openzwaait, waardoor allerlei positieve ionen tegelijk naar binnen stromen. En proteorhodopsine is een protonenpomp die op grote schaal voorkomt bij bacteriën in de oceaan.
Belangrijk om te weten: microbieel rodopsine lijkt qua naam en lichtgevoelig molecuul op het rodopsine in onze ogen, maar werkt fundamenteel anders. Het rodopsine in menselijke oogstaafjes zet een signaal in gang via een lange keten van tussenstappen (een zogeheten G-eiwit-cascade). Microbieel rodopsine doet het zelf, direct, in één stap. Dat maakt het eenvoudiger, sneller en makkelijker in te bouwen in andere organismen.
Wat wil men ermee bereiken?
De oorspronkelijke drijfveer was pure nieuwsgierigheid: hoe oogsten microben die geen bladgroen hebben toch energie uit zonlicht? Die vraag leidde tot de ontdekking van bacteriorhodopsine, en decennia later bleek dat dezelfde eiwitfamilie een geschenk voor de wetenschap was.
Het grootste doel op dit moment is optogenetica: door channelrhodopsine met genetische technieken in specifieke hersencellen van proefdieren in te bouwen, kunnen onderzoekers die cellen met lichtpulsen aan- of uitzetten, met een precisie van milliseconden. Daarmee kunnen ze voor het eerst causale verbanden testen, bijvoorbeeld welke exacte groep neuronen verantwoordelijk is voor angstgedrag of bewegingsdrang, in plaats van alleen correlaties te meten.
Een tweede, medisch doel is het herstellen van gezichtsvermogen bij mensen die blind zijn geworden door aandoeningen aan het netvlies. Door channelrhodopsine in te bouwen in netvliescellen die van nature niet lichtgevoelig zijn, hopen onderzoekers die cellen als vervangende lichtsensoren te laten dienen. Daarnaast onderzoekt men bredere toepassingen zoals biosensoren en, in het verleden, optische geheugenchips gebaseerd op bacteriorhodopsine, al bleef dat laatste experimenteel.
Voorbeelden uit de praktijk
In 1971 ontdekten Dieter Oesterhelt en Walther Stoeckenius bacteriorhodopsine in de zoutminnende archaeon Halobacterium salinarum, de eerste keer dat een microbieel rodopsine werd beschreven.
In 2002-2003 identificeerden Georg Nagel, Ernst Bamberg en Peter Hegemann channelrhodopsine-2 in de groene alg Chlamydomonas reinhardtii. Deze ontdekking legde de basis voor het praktische gebruik van lichtgestuurde eiwitten in andere organismen.
In 2005 toonden Karl Deisseroth en collega's aan de Stanford University aan dat je met channelrhodopsine-2 neuronen van muizen daadwerkelijk met lichtpulsen kunt aansturen. Dit experiment wordt algemeen gezien als het startpunt van optogenetica als praktisch laboratoriuminstrument.
In 2021 publiceerde het Franse bedrijf GenSight Biologics samen met een internationaal team (Sahel e.a.) in Nature Medicine de resultaten van een gentherapie bij een blinde patiënt met retinitis pigmentosa. De patiënt kreeg het gen voor ChrimsonR, een aangepaste vorm van channelrhodopsine, ingebracht in het netvlies en droeg een speciale bril die lichtsignalen versterkte. Hij kon daarna weer contouren en posities van voorwerpen waarnemen.
Rond 2000 ontdekten Oded Béja, Edward DeLong en collega's proteorhodopsine in mariene bacterioplankton. Later onderzoek liet zien dat dit eiwit zo wijdverspreid is in de oceanen dat het de opvattingen over de energiehuishouding van zeewater ingrijpend heeft veranderd.
Hoe ver is de techniek?
Het basisonderzoek naar microbieel rodopsine loopt al meer dan vijftig jaar en is inmiddels goed uitgekristalliseerd: de structuur en het werkingsmechanisme zijn in detail bekend, mede dankzij röntgenkristallografie en cryo-elektronenmicroscopie.
Optogenetica als laboratoriumtechniek is volwassen geworden. Duizenden neurowetenschappelijke labs wereldwijd gebruiken lichtgevoelige eiwitten routinematig om hersenactiviteit bij proefdieren te bestuderen. Dit deel van het veld staat niet meer ter discussie.
De medische toepassing, zoals gezichtsherstel, staat echter nog in een pril, experimenteel stadium. Er zijn tot nu toe alleen resultaten bij enkele proefpersonen en kleine klinische studies, geen goedgekeurde standaardbehandeling. Belangrijke obstakels zijn de veilige en efficiënte aflevering van het gen (meestal met virale vectoren zoals AAV), mogelijke immuunreacties van het lichaam, en vooral de beperkte resolutie van het herwonnen zicht: patiënten herkennen vooralsnog vage vormen en contrasten, geen scherp beeld. Ook de kosten en opschaalbaarheid van dit soort gentherapieën zijn nog grote vraagtekens.
Wie werken eraan?
Duitsland speelde een pioniersrol: het Max Planck Institute of Biophysics (met onder meer Ernst Bamberg), de Humboldt-Universität zu Berlin (Peter Hegemann) en de Universität Würzburg (Georg Nagel) waren nauw betrokken bij de ontdekking en karakterisering van channelrhodopsine.
In de Verenigde Staten zijn Stanford University (Karl Deisseroth) en het Massachusetts Institute of Technology (Ed Boyden) toonaangevend in de verdere ontwikkeling en toepassing van optogenetica binnen de neurowetenschap.
Frankrijk brengt de klinische kant naar voren via GenSight Biologics in Parijs, dat optogenetische gentherapie voor netvliesaandoeningen test in mensen.
Onderzoek naar mariene rodopsines wordt onder meer gedaan door instituten als het Technion in Israël en oceanografische onderzoeksinstellingen in de Verenigde Staten. Over het geheel genomen is het veld sterk internationaal, met intensieve samenwerking tussen universiteiten, onderzoeksinstituten en enkele gespecialiseerde biotechbedrijven, en publicaties verschijnen doorgaans in toonaangevende tijdschriften als Nature en Science.