2. Juli 2026
Forschende des Forschungszentrums Jülich und der Universität Bayreuth haben aufgeklärt, wie bestimmte lichtempfindliche Enzyme Signale in Bakterien weitergeben. Die Ergebnisse könnten helfen, neue Werkzeuge zu entwickeln, mit denen sich biologische Prozesse gezielt durch Licht steuern lassen. Das ist besonders interessant für Anwendungen in der Biotechnologie und der medizinischen Forschung. Die Studie ist im Fachjournal Science Advances erschienen.
Im Mittelpunkt stehen sogenannte Sensor-Histidinkinasen (SHKs). Diese Proteine funktionieren wie winzige Schalter: Sie nehmen Signale aus ihrer Umwelt wahr und lösen Reaktionen in der Zelle aus. Je nach Signal übertragen sie Phosphatgruppen auf andere Proteine oder entfernen sie wieder. Einige SHKs reagieren auf Licht und werden bereits in der Optogenetik genutzt. Dieses Forschungsfeld verwendet Licht, um Vorgänge in Zellen gezielt zu steuern. Ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen könnte dazu beitragen, solche Werkzeuge künftig gezielter zu entwickeln.
Bislang war nur wenig darüber bekannt, wie SHKs Lichtsignale innerhalb des Proteins weiterleiten. Das Forschungsteam aus Jülich und Bayreuth hat deshalb neu entwickelte lichtempfindliche SHKs untersucht und deren Struktur mit ihrer Funktion verglichen.
„In unserer Studie haben wir neue künstlich erzeugte lichtempfindliche SHKs, die als optogenetische Werkzeuge genutzt werden können, sowohl strukturell als auch funktionell untersucht. Dabei haben wir Kristallstrukturdaten mit Analysen der Proteine in Lösung und funktionellen Tests kombiniert“, sagt Ulrich Krauss vom Lehrstuhl Biochemie I der Universität Bayreuth und Gastwissenschaftler am Institut für Molekulare Enzymtechnologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, das zugleich Teil des Jülicher Instituts für Bio- und Geowissenschaften IBG-1 ist.
Die Forschenden konnten zeigen, dass die Enzyme im Dunkeln und unter Lichteinfluss unterschiedliche Formen annehmen. Im Dunkeln liegt eine asymmetrische, leicht abgeknickte Struktur vor. Licht begünstigt dagegen eine symmetrische, gerade Form.
Diese Strukturänderung entscheidet darüber, welche Signale in der Zelle weitergegeben werden. Die Untersuchungen deuten darauf hin, dass die abgeknickte Form die Übertragung von Phosphatgruppen auf andere Proteine, wie beispielsweise Regulatoren, fördert, während die gerade Form diese wieder entfernt.
„Der Wechsel zwischen diesen beiden Formen ist dabei eng mit der Kinaseaktivität des Enzyms verknüpft, also der Übertragung von Phosphatgruppen auf den Regulator“, so Renu Batra-Safferling, vom IBI-7 – Strukturbiochemie, Institut für Biologische Informationsprozesse am Forschungszentrum Jülich.
„Einfach ausgedrückt liegen wichtige Teile des Enzyms in der asymmetrischen Form so zueinander orientiert, dass Kinaseaktivität möglich ist. Der Wechsel zur symmetrischen, geraden Form verändert diese Anordnung und macht die Bestandteile für die Kinasefunktion inkompatibel. So wird die Phosphataseaktivität gegenüber Kinaseaktivität begünstigt“, ergänzt Krauss.
Die Ergebnisse liefern wichtige Hinweise darauf, wie lichtempfindliche Proteine Signale weiterleiten. Dieses Wissen kann helfen, optogenetische Werkzeuge gezielt weiterzuentwickeln, um biologische Prozesse künftig noch präziser mit Licht zu steuern.
„Für die Entschlüsselung des Mechanismus der Signalübertragung waren die enge Zusammenarbeit verschiedener Institute und Arbeitsgruppen des Forschungszentrums Jülich und der Universität Bayreuth entscheidend“, so Batra-Safferling.
Die Studie entstand im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts OptoSys (FKZ 031A166 und FKZ 031A167B) und wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
Vladimir Arinkin, Andreas M. Stadler, Stefanie S.M. Meier, Karl-Erich Jaeger, Andreas Möglich, Ulrich Krauss, Renu Batra-Safferling. Dimer asymmetry in signaling of blue-light sensor histidine kinases. Science Advances (2026)
DOI: 10.1126/sciadv.aed8943
