Biochemie und Chemie
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In optogenetics, rhodopsins were established as light-driven tools to manipulate neuronal activity. However, during long-term photostimulation using channelrhodopsin (ChR), desensitization can reduce effects. Furthermore, requirement for continuous presence of the chromophore all-trans retinal (ATR) in model systems lacking sufficient endogenous concentrations limits its applicability. We tested known, and engineered and characterized new variants of de- and hyperpolarizing rhodopsins in Caenorhabditis elegans. ChR2 variants combined previously described point mutations that may synergize to enable prolonged stimulation. Following brief light pulses ChR2(C128S;H134R) induced muscle activation for minutes or even for hours (‘Quint’: ChR2(C128S;L132C;H134R;D156A;T159C)), thus featuring longer open state lifetime than previously described variants. Furthermore, stability after ATR removal was increased compared to the step-function opsin ChR2(C128S). The double mutants C128S;H134R and H134R;D156C enabled increased effects during repetitive stimulation. We also tested new hyperpolarizers (ACR1, ACR2, ACR1(C102A), ZipACR). Particularly ACR1 and ACR2 showed strong effects in behavioral assays and very large currents with fast kinetics. In sum, we introduce highly light-sensitive optogenetic tools, bypassing previous shortcomings, and thus constituting new tools that feature high effectiveness and fast kinetics, allowing better repetitive stimulation or investigating prolonged neuronal activity states in C. elegans and, possibly, other systems.
All-optical closed-loop voltage clamp for precise control of muscles and neurons in live animals
(2023)
Excitable cells can be stimulated or inhibited by optogenetics. Since optogenetic actuation regimes are often static, neurons and circuits can quickly adapt, allowing perturbation, but not true control. Hence, we established an optogenetic voltage-clamp (OVC). The voltage-indicator QuasAr2 provides information for fast, closed-loop optical feedback to the bidirectional optogenetic actuator BiPOLES. Voltage-dependent fluorescence is held within tight margins, thus clamping the cell to distinct potentials. We established the OVC in muscles and neurons of Caenorhabditis elegans, and transferred it to rat hippocampal neurons in slice culture. Fluorescence signals were calibrated to electrically measured potentials, and wavelengths to currents, enabling to determine optical I/V-relationships. The OVC reports on homeostatically altered cellular physiology in mutants and on Ca2+-channel properties, and can dynamically clamp spiking in C. elegans. Combining non-invasive imaging with control capabilities of electrophysiology, the OVC facilitates high-throughput, contact-less electrophysiology in individual cells and paves the way for true optogenetic control in behaving animals.
This dissertation constitutes a series of successive research papers, starting with the characterization of various optogenetic tools up to the establishment of purely optical electrophysiology in living animals.
Optogenetics has revolutionized neurobiology as it allows stimulation of excitable cells with exceptionally high spatiotemporal resolution. To cope with the increasing complexity of research issues and accompanying demands on experimental design, the broadening of the optogenetic toolbox is indispensable. Therefore, one goal was to establish a wide variety of novel rhodopsin-based actuators and characterize them, among others, with respect to their spectral properties, kinetics, and efficacy using behavioral experiments in Caenorhabditis elegans. During these studies, the applicability of highly potent de- and hyperpolarizers with adapted spectral properties, altered ion specificity, strongly slowed off-kinetics, and inverted functionality was successfully demonstrated. Inhibitory anion channelrhodopsins (ACRs) stood out, filling the gap of long-sought equivalent hyperpolarizing tools, and could be convincingly applied in a tandem configuration combined with the red-shifted depolarizer Chrimson for bidirectional stimulation (Bidirectional Pair of Opsins for Light-induced Excitation and Silencing, BiPOLES). A parallel study aimed to compare various rhodopsin-based genetically encoded voltage indicators (GEVIs) in the worm: In addition to electrochromic FRET-based GEVIs that use lower excitation intensity, QuasAr2 was particularly convincing in terms of voltage sensitivity and photostability in C. elegans. However, classical optogenetic approaches are quite static and only allow perturbation of neural activity. Therefore, QuasAr2 and BiPOLES were combined in a closed-loop feedback control system to implement the first proof-of-concept all-optical voltage clamp to date, termed the optogenetic voltage clamp (OVC). Here, an I-controller generates feedback of light wavelengths to bidirectionally stimulate BiPOLES and keep QuasAr’s fluorescence at a desired level. The OVC was established in body wall muscles and various types of neurons in C. elegans and transferred to rat hippocampal slice culture. In the worm, it allowed to assess altered cellular physiology of mutants and Ca2+-channel characteristics as well as dynamical clamping of distinct action potentials and associated behavior.
Ultimately, the optogenetic actuators and sensors implemented in the course of this cumulative work enabled to synergistically combine the advantages of imaging- and electrode-based techniques, thus providing the basis for noninvasive, optical electrophysiology in behaving animals.
The crystal packing of the title compound, C13H19NO·0.33C7H8, shows a channel at [001], which contains grossly disordered toluene solvent molecules. The angle between the benzene ring and the mean plane of the formamide group is 71.1 (1)°. The amide groups of neighbouring molecules are connected by N—H(...)O hydrogen bonds, forming 21 helical chains propagating along [001]. Molecules are also connected by weak intermolecular C—H(...)O hydrogen bonds, forming 61 helices.
In the title compound, C27H37N2 +·Br−·2CH2Cl2, both the cation and the anion are located on a crystallographic mirror plane. Both of the dichloromethane solvent molecules show a disorder across a mirror plane over two equally occupied positions. In the crystal, the cations are connnected to the bromide ions via C—H[cdots, three dots, centered]Br hydrogen bonds.
In the title compound, C27H37N2 +·Cl−·2CH2Cl2, the cation and the anion are each located on a crystallographic mirror plane. Both of the dichloromethane solvent molecules show a disorder across a mirror plane over two equally occupied positions. Additionally, one isopropyl group is also disordered. In the crystal, the cations are connected to the chloride ions via C—H[cdots, three dots, centered]Cl hydrogen bonds.
The title solvated salt, C29H41N2+·Br-·2CH2Cl2 was obtained from the reaction of the Arduengo-type carbene 1,3-bis(2,6-diisopropylphenyl)-1,3-dihydro-4,5-dimethyl-2H-imidazol-2-ylidene with Si2Br6 in dichloromethane. The complete cation is generated by a crystallographic mirror plane and the dihedral angle between the five-membered ring and the benzene ring is 89.8 (6)°; the dihedral angle between the benzene rings is 40.7 (2)°. The anion also lies on the mirror plane and both dichloromethane molecules are disordered across the mirror plane over two equally occupied orientations. In the crystal, the cations are linked to the anions via C-H...Br hydrogen bonds.
Die Übergangsmetalle Vanadium und Niob wurden in einer neuartigen Thermowaage bzw. mit dem Rapid Thermal Processing (RTP) unter Verwendung von Ammoniak und Stickstoff als Prozessgas nitridiert. In der Thermowaage, die die in situ Aufzeichnung von Massenänderungen während der Reaktion möglich macht, wurde die Nitridierung hauptsächlich an pulverförmigen Proben durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass sowohl Temperatur- und Druckerhöhung, als auch eine Verlängerung der Temperzeit zu größeren Massenzunahmen führten. Die Bildung der unterschiedlichen Nitridphasen war aber allein von der Temperatur während des Versuches und dem verwendeten Prozessgas abhängig. Die detektierten Massenzunahmen bei der Erhöhung von Temperzeit und Druck wurden nur von der vermehrten Einlagerung von Stickstoff bzw. Sauerstoff in das Metall verursacht, die keine neue Phasenbildung zur Folge hatte. Sauerstoff wurde in allen getemperten Proben gefunden, was die Untersuchung von dünnen Schichten in der Thermowaage verhinderte, da aufgrund des erhöhten Sauerstoffgehaltes die Schichten vollständig oxidierten. Der Sauerstoff wurde hauptsächlich von dem Glasreaktor geliefert. Ein dort abgelagerter Belag, der sich durch Korrosion der Edelstahlgasleitung gebildet hatte, wirkte vermutlich katalytisch. Aus diesem Grund war die Thermowaage in dieser Konfiguration nicht für Nitridierungsversuche geeignet und konnte ihren eigentlichen Zweck, die genaue Untersuchung des Reaktionsmechanismus mit Hilfe der Massenänderung und der anschließenden massenspektrometrischen Untersuchung des Prozessgases nach der Reaktion, nicht erfüllen. 200 nm und 500 nm Vanadium- und Niob-Schichten wurden im RTP nitridiert. Auch hier konnte man eine Bildung von Oxiden bzw. Oxynitriden beobachten, diese bildeten sich aber durch die Ausdiffusion von Sauerstoff aus dem Substrat in die Metallschicht, was anhand von SNMS- und TEM/EFTEM/EELS-Untersuchungen eindeutig belegt werden konnte. Um dieses Phänomen zu untersuchen wurden Schichten auch auf Saphir-Substrat, welches gegenüber der Ausdiffusion von Sauerstoff inert sein sollte, aufgebracht. Für die beiden verwendeten Metalle wurden unterschiedliche Ergebnisse gefunden. Während bei den Vanadium-Schichten nur aus dem SiO2-Substrat Sauerstoff ausdiffundierte, wurde dies bei den Niob-Schichten bei beiden Substraten festgestellt. Die Temperatur während der Versuche (V: 600 und 700°C; Nb: 800°C) scheint also auch einen Einfluss auf die Ausdiffusion von Sauerstoff zu haben. Dabei zeigt Saphir eine etwas größere Temperatur-Stabilität als SiO2. Ein Einfluss des Prozessgases auf die Reaktion an der Grenzfläche Metall/Substrat konnte nicht nachgewiesen werden. Zwar kam es bei der Verwendung von Wasserstoff zur Bildung von mehr und sauerstoffreicheren Phasen, was dafür spricht, dass die Substrate stärker angegriffen werden, aber auch beim Einsatz von Inert-Gas (N2) wurde eine Ausdiffusion von Sauerstoff aus den Substraten beobachtet. Allerdings wirkte sich die Schichtdicke der Probe auf die Ausdiffusion von Sauerstoff und die Bildung der Oxid-Phase aus. Da von der Oberfläche der Schicht eindiffundierender Stickstoff die Diffusion von Sauerstoff behindert, kann Sauerstoff mit zunehmender Schichtdicke weiter in das Metall vordringen. Bei dünneren Schichten wird er eher aufgestaut und es bilden sich Oxide mit höherem Sauerstoffgehalt. Ein Einfluss der unterschiedlichen Herstellungsverfahren (Elektronenstrahlverdampfung / Magnetronsputtern) für die Ausgangsschichten auf die Ausdiffusion von Sauerstoff aus dem Substrat konnte, trotz der größeren Kristallinität der gesputterten Proben, nicht nachgewiesen werden.
Der Malaria verursachende Organismus Plasmodium falciparum (P. falciparum) besitzt in seinem Kerngenom für die Mitochondrien bestimmte Proteine, die als Transportsignal ein mitochondriales Transitpeptid enthalten. Durch die kürzlich erfolgte Sequenzierung des Genoms von P. falciparum ist es wünschenswert, Vohersagealgorithmen für verschiedene Proteinlokalisationen zur Verfügung zu haben. Für andere Organismen etablierte Programme zur Vorhersage von mitochondrialen Transitpeptiden, MitoProtII und TargetP, lieferten bei Anwendung auf Sequenzen aus P. falciparum nur unbefriedigende Ergebnisse. MitoProtII erzielte in einer 20-fachen Kreuzvalidierung einen Mathews-Koeffizienten von cc = 0,49, TargetP erzielte in diesem Fall einen Mathews-Koeffizienten von cc = 0,60. TargetP erzielte für die Sequenzen aus P. falciparum nur eine Selektivität von 47%, MitoProtII nur eine Sensitivität von 35%. Dieser Ergebnisse haben die Entwicklung eines speziell auf P. falciparum trainierten Vorhersagemodells wünschenswert gemacht. Kerncodierte mitochondriale Precursorproteine aus P. falciparum wurden mit statistischen Methoden, Hauptkomponentenanalyse, selbstorganisierenden Karten und überwachten neuronalen Netzen analysiert und mit solchen aus anderen Organismen verglichen. Zwei Repräsentationen der Datensätze wurden gewählt, Aminosäurehäufigkeiten und 19 physikochemische Eigenschaften. Ein grundsätzlich unterschiedlicher Aminosäuregebrauch konnte festgestellt werden. Glycin, Alanin, Prolin und Arginin werden in P. falciparum mit weniger als 60% der Häufigkeit in der Swiss-Prot-Datenbank, Version 36, verwendet. Isoleucin, Tyrosin, Asparagin und Lysin werden hingegen mit mehr als 150% der Häufigkeit in der Referenzdatenbank verwendet. Diese Häufigkeitsmuster wurden, mit Variationen, auch in allen Targetingsequenzen beobachtet. In der Datenanalyse mittels Hauptkomponentenanalyse und selbstorganisierenden Karten ließen sich cytoplasmatische Proteine in beiden Repräsentationen klar von der Gruppe mitochondrialer, extrazellulärer und apicoplastischer Proteine trennen. Die Trennung innerhalb der zweiten Gruppe war weniger deutlich. Ein neuronales Netz (PlasMit) zur Vorhersage mitochondrialer Transitpeptide in P. falciparum wurde entwickelt. Basierend auf der relativen Aminosäurehäufigkeitsverteilung innerhalb der ersten 24 N-terminalen Aminosäuren lieferte es einen Mathews- Korrelationskoeffizienten von 0,74 (86% korrekt vorhergesagte Sequenzen) in einer 20fachen Kreuzvalidierung. Dieses Netz sagte 2449 (24%) der 10276 vorhergesagten Open Reading Frames aus dem Genom von P. falciparum als mögliche mitochondrial lokalisierte Proteine voraus. Ein Netz mit identischer Topologie wurde auf eine geringere Anzahl falsch-positiver Vorhersagen trainiert und erzielte einen Mathews-Koeffizienten von 0,51 (84% korrekte Vorhersagen) in einer 10fachen Kreuzvalidierung. Dieses Netz sagte 903 (8,8%) potentielle mitochondriale Precursorproteine unter den 10276 vorhergesagten Open Reading Frames voraus. Sämtliche Trainingsdatensätze, die Open Reading Frames des Genoms von P. falciparum, sowie das Netz, das den höchsten Mathews-Koeffizienten erzielt hat, sind per Web unter http://www.modlab.de, Menüpunkt PlasMit, erreichbar.