Fangschreckenkrebse: Pigmente schalten rotes Licht im Labor

Im Auge eines Fangschreckenkrebses arbeiten etwa 30 Sehpigmente zusammen, beim Menschen sind es drei. Seit Jahrzehnten fragen sich Ökologen und Biologen, warum dieser Krebs so viele braucht. Ein Team der Universität Lüttich (ULiège) und der Humboldt-Universität zu Berlin hat sie nun einzeln zerlegt und dabei festgestellt, dass einige auf rotes Licht reagieren, einen Teil des Spektrums, den nur sehr wenige Tiere wahrnehmen können. Die Ergebnisse sind in Science Advances veröffentlicht.

Das Sehen beginnt mit Opsinen, Proteinen, die Licht einfangen. Zusammen mit Retinal, einem kleinen, vom Vitamin A abgeleiteten Molekül, bilden sie die Sehpigmente der Netzhaut. Beim Menschen verliert ein Pigment, das ein Photon absorbiert, sein Retinal und muss sich regenerieren, bevor es wieder funktioniert. Deshalb hinterlässt eine helle Lampe für eine Weile Flecken in unserem Gesichtsfeld. Vier der Pigmente des Fangschreckenkrebses sind anders. Sie sind bistabil: Ein zweites Photon stellt das Retinal wieder her, sodass das Pigment allein durch Licht zwischen zwei stabilen Zuständen wechseln kann. Zwei werden durch rotes Licht aktiviert und durch blaues Licht deaktiviert. Die beiden anderen funktionieren umgekehrt: Sie werden durch Blau aktiviert und durch Orange deaktiviert.

Die Messung war der schwierige Teil. Marjorie Liénard, Forscherin am GIGA–ULiège, entwickelte eine In-vitro-Expressionsplattform, die diese Proteine außerhalb des Tieres herstellt. Das Team kombinierte sie mit der elektrophysiologischen Expertise des Labors von Peter Hegemann an der Humboldt-Universität. Von den 17 Opsinen im mittleren Band sind zwölf gewöhnliche grüne Pigmente, ähnlich wie unsere, drei sind infrarotempfindlich, und zwei sind blau-orange bistabil. „Es ist das erste Mal, dass bei einem Tier solche Pigmente beschrieben wurden, die denselben Chromophor wie der Mensch verwenden“, erklärt Liénard. In Verbindung mit den farbigen Filtern im Auge erreicht die Empfindlichkeit 687 Nanometer.

Das Team vermutet, dass der Krebs seine Pigmentmischung an das umgebende Licht anpasst. Liénard vergleicht es mit einer Sonnenbrille am Tag und einer Taschenlampe in der Dämmerung: Bei hellem Licht sind die ultravioletten, blauen und grünen Pigmente gesättigt, während die roten Opsine weiterarbeiten. Bei Morgen- und Abenddämmerung stützt sich das Tier dagegen auf seine grünen Opsine und seine blauen bistabilen. Wie es dies nutzt, um Beute zu finden, Fressfeinde zu meiden oder sein Revier zu verteidigen, ist noch nicht bestätigt. Dafür wären Verhaltensexperimente nötig, die bei diesen robusten Raubtieren schwer durchzuführen sind.

Die konkreteste Perspektive ist die Optogenetik, eine Technik, die Zellaktivität mit Licht steuert. Anders als die Channelrhodopsine der Alge Chlamydomonas reinhardtii gehören diese Opsine zu den G-Protein-gekoppelten Rezeptoren, die Signalkaskaden in Zellen auslösen. Diese Familie ist an Herz-Kreislauf-, neurologischen und entzündlichen Erkrankungen beteiligt. Rotes Licht dringt tiefer ins Gewebe ein und schädigt Zellen weniger als blaues oder ultraviolettes Licht. Ein Schalter, den Rot einschaltet und Blau ausschaltet, könnte diese Signalwege daher prinzipiell präzise und reversibel beeinflussen. Bislang wurde davon nichts entwickelt. Das Team will nun die Signalübertragung selektiver gestalten, nach ähnlichen Proteinen in eng verwandten Arten suchen und verstehen, was manche von ihnen bistabil macht. Ein Datum nennt es nicht. „Die Natur birgt noch viele Innovationen“, sagt Liénard, „die sich nur durch“ diese Art von Ansatz „aufdecken lassen.“