Biolumineszente Optogenetik 2.0: Nutzung der Biolumineszenz zur Aktivierung photosensorischer Proteine in vitro und in vivo

Biolumineszenz - Licht, das von einem Luciferase-Enzym emittiert wird, das ein niedermolekulares Substrat, ein Luciferin, oxidiert, wurde in vitro und in vivo verwendet, um lichtgesteuerte Ionenkanäle und Pumpen in Neuronen zu aktivieren. Während dieser biolumineszente optogenetische (BL-OG) Ansatz den optogenetischen Werkzeugen eine chemogenetische Komponente verleiht, ist er nicht auf den Einsatz in den Neurowissenschaften beschränkt. Vielmehr kann die Biolumineszenz genutzt werden, um jedes photosensorische Protein zu aktivieren und so die Manipulation einer Vielzahl von lichtvermittelten Funktionen in Zellen zu ermöglichen. Eine Vielzahl von Luciferase-Luciferin-Paaren kann mit photosensorischen Proteinen kombiniert werden, die unterschiedliche Wellenlängen von Licht und Lichtintensitäten erfordern.

Abhängig von der spezifischen Anwendung kann eine effiziente Lichtabgabe durch den Einsatz von Luciferase-Photorezeptor-Fusionsproteinen oder durch einfache Co-Transfektion erreicht werden. Photosensorische Proteine, die auf lichtabhängiger Dimerisierung oder Konformationsänderungen basieren, können durch Biolumineszenz angetrieben werden, um zelluläre Prozesse von der Proteinlokalisierung über die Regulation intrazellulärer Signalwege bis hin zur Transkription zu beeinflussen. Das folgende Protokoll beschreibt die experimentelle Durchführung der Biolumineszenzaktivierung in Zellen und Organismen und beschreibt die Ergebnisse unter Verwendung von Biolumineszenz-gesteuerten Rekombinasen und Transkriptionsfaktoren. Das Protokoll bietet den Forschern die grundlegenden Verfahren zur Durchführung der biolumineszenten Optogenetik in vitro und in vivo. Die beschriebenen Ansätze können weiter erweitert und auf eine Vielzahl unterschiedlicher experimenteller Paradigmen individualisiert werden.