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Shrimp Rhodopsins as new far-red absorbing optogenetic tools

English title Shrimp Rhodopsins as new far-red absorbing optogenetic tools
Applicant Kleinlogel Sonja
Number 188991
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Physiologie Medizinische Fakultät Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Biophysics
Start/End 01.12.2019 - 30.11.2022
Approved amount 423'218.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Biophysics
Physiology : other topics

Keywords (6)

molecular charactrization; Mantis shrimp opsins; optogenetics; neurophysiology; Opto-GPCRs; G-protein coupled receptors

Lay Summary (German)

Lead
Die Optogenetik ist eine vor 15 Jahren ins Leben gerufene molekulare Technologie, die es erlaubt, ein lichtaktivierbares Protein (Sehpigment = Rhodopsin) in ausgewählte Zielzellen einzuschleusen und diese dadurch mit Licht «steuerbar» macht. In der Hirnforschung hat die Optogenetik es ermöglicht, Einblicke in die neuronalen Netzwerke die Verhalten und Pathologien zugrunde liegen, zu gewinner. Je langwelliger (röter) Licht ist, desto tiefer kann es durch Gewebe penetrieren und desto unschädlicher ist es auch. Sowie für optogenetische Grundlagenexperimente als auch für klinische Anwendungen wären daher optogenetische Proteine die mit Rotlicht angeregt werden können ideal.
Lay summary

Inhalt und Ziele des Forschungsprojects

Unter den Tieren besitzen die marinen Fangschreckenkrebse die «rötesten» Sehpigmente und könen daher viel «röteres» Licht sehen als wir Menschen. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wollen wir einerseits die schon sequenzierten Sehpigmente des Fangschreckenkrebses als potentielle Rotsensoren ausprobieren, andererseits werden wir auch Sehpigmente aus der Netzhaut eines in Australien lebenden Fangschreckenkrebses isolieren und testen. Dazu werden wir die DNA für die Expression in Tierzellen optimieren und einerseits die Wellenlängensensitivität spektroskopisch messen als auch die physiologische Folgen der Lichtaktivieren in Zellen messen. Ziel ist es, ein neues rotsensitives optogenetisches Protein zu etablieren.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Das Projekt befasst sich mit Grundlagenforschung. Um einerseits die Möglichkeiten der Optogenetik in Zukunft besser ausnützen zu können, aber auch aus Neugierde Sehpigmente von anderen Organismen kennenzulernen und zu beschreiben, werden wir die roten Sehpigmente des Fangschreckenkrebses charakterisieren und in optogenetische Proteine umwandeln. Diese neuen Rotsensoren werden nicht nur Experimente der Grundlagenforschung erleichtern, sondern sind auch unschädlicher und deshalb in Zukunft auch klinisch anwendbar.

Direct link to Lay Summary Last update: 06.11.2019

Responsible applicant and co-applicants

Abstract

Red light is most attractive for stimulation of optogenetic actuators and reporter systems, since it is less harmful than short-wavelength light, penetrates well through tissue and does spectrally not interfere with most other available optical tools. Among the animal rhodopsins with the highest sensitivity to red light in nature are the mantis shrimp’s red sensitive rhodopsins that can be activated with near-infrared light beyond 700 nm. We will characterize the 9 already sequenced rhodopsins of the Shrimp Neogonodactylus oerstedii and variants of related species. We will overcome the poor expression of invertebrate rhodopsin by codon optimization and tailoring of the C- and N-termini and characterize the biophysical properties of the recombinant proteins. We will determine and modulate the G-protein coupling and use these rhodopsins for the modification of signaling cascades in neurons for non-invasive deep tissue activation.
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