Kanalrhodopsin: ein Lichtschalter für Nervenzellen
Über diese App
Die Grünalge Chlamydomonas schwimmt zum Licht, ihr Augenfleck trägt Kanalrhodopsin. In einer Nervenzelle öffnet blaues Licht diesen Ionenkanal: Kationen strömen ein, die Spannung springt über die Schwelle, jeder Lichtpuls löst ein Aktionspotential aus. Pulsfolge, Lichtstärke und gelbes Licht mit Halorhodopsin als Bremse.
Mit Erklärmodus: Ein KI-Tutor führt dich durch die App, zeigt in der Szene, worauf es ankommt, und beantwortet deine Fragen.
Ein Ionenkanal, den Licht öffnet
Kanalrhodopsin ist ein Membranprotein der einzelligen Grünalge Chlamydomonas. Es fängt Licht mit dem Farbstoff Retinal ein und ist zugleich ein Ionenkanal. Peter Hegemann vermutete das, Georg Nagel wies es 2002 (Kanalrhodopsin-1) und 2003 (Kanalrhodopsin-2) nach: Blaues Licht öffnet den Kanal in weniger als einer Millisekunde, positiv geladene Ionen strömen ein. 2005 brachte Karl Deisseroth das Gen in Nervenzellen, und Lichtpulse lösten Aktionspotentiale aus. Dafür gab es 2026 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.
Was die App zeigt
Im Szenario Alge schwimmen Chlamydomonas-Zellen zur Lampe, die Nahansicht zeigt den Augenfleck und Kanalrhodopsin in der Membran. Im Szenario Nervenzelle sieht man die Membran mit Kanalrhodopsin-2 und Halorhodopsin, eine Nervenzelle mit Lichtleiter und die Spannungskurve über 500 Millisekunden. Die Kurve stammt aus einem vereinfachten Modell mit Ruhepotential −70 mV und Schwelle −50 mV.
Selbst ausprobieren
Schalte die Lampe ein und sieh zu, wie die Algen zum Licht schwimmen. Spiele bei der Nervenzelle Pulse mit 5, 10 oder 20 Hz ab: Jeder Puls gibt ein Aktionspotential. Senke die Lichtstärke unter etwa 70 Prozent, dann bleibt die Membran unter der Schwelle. Mit Eigenaktivität und gelbem Licht siehst du, wie Halorhodopsin die Zelle zum Schweigen bringt.
Häufige Fragen
- Was ist Optogenetik?
- Optogenetik ist eine Methode, Nervenzellen mit Licht ein- und auszuschalten. Forschende bringen das Gen für ein lichtempfindliches Protein wie Kanalrhodopsin gezielt in bestimmte Zellen. Licht öffnet dann deren Ionenkanäle und löst Aktionspotentiale aus. So lässt sich prüfen, welche Zellen ein Verhalten, eine Erinnerung oder ein Gefühl steuern.
- Wofür gab es den Medizin-Nobelpreis 2026?
- Karl Deisseroth, Peter Hegemann und Georg Nagel erhielten ihn „for their discoveries concerning light-gated ion channels and optogenetics“. Hegemann und Nagel entdeckten Kanalrhodopsin in der Grünalge Chlamydomonas, Deisseroth machte daraus 2005 einen Lichtschalter für Nervenzellen.
- Wie hemmt man eine Nervenzelle mit Licht?
- Mit Halorhodopsin aus dem Archaeon Natronomonas pharaonis. Unter gelbem Licht pumpt es Chloridionen in die Zelle. Die Membran wird negativer als in Ruhe, die Schwelle wird nicht erreicht, und die Zelle feuert nicht, solange das Licht leuchtet.
- Was kann ich in dieser App ausprobieren?
- Du schaltest bei der Alge die Lampe, wählst bei der Nervenzelle Pulsfolge und Lichtstärke, schaltest gelbes Licht und Eigenaktivität dazu und scrubbst die Zeit von 0 bis 500 Millisekunden. Ein Erklärmodus führt Schritt für Schritt durch beide Szenarien.
Fach: Biologie & Neurowissenschaften
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