Mikrobielle Rhodopsine sind Membranproteine, die Lichtsensitivität mit sensorischer, enzymatischer oder ionenleitender Funktion in einem Protein vereinen. Ihre strukturelle Kompaktheit macht lichtgetriebene Ionenpumpen und lichtgesteuerte Kanalrhodopsine (ChRs) zu weit verbreiteten optogenetischen Werkzeugen in der biologischen Forschung. Die Entdeckung und Entwicklung weiterer Ionenselektivitäten eröffnet neue Möglichkeiten der optogenetischen Manipulation des Membranpotentials elektrogener Zellen wie Neuronen. Seit langem wird an lichtgesteuerten K+-selektiven Ionenkanälen geforscht, um biologisch kompatible inhibierende Proteine zu kreieren. Eine Punktmutation im Rhodopsin KR2, einer lichtgesteuerten Na+-Pumpe aus dem Meeresbakterium Dokdonia eikasta, induzierte K+-selektive Leckströme. In dieser Studie wurden die Limitationen dieser KR2-R109Q-Mutante mithilfe elektrophysiologischer Methoden experimentell charakterisiert, begleitet von computergestützten pKa-Vorhersagen und MD-Simulationen. Eine Mutationsstudie offenbarte die molekularen Ursachen für die nachteilige pH-Abhängigkeit und die verbleibende Na+-Pumpaktivität. Durch Kombination von Schlüsselmutationen im Extrazellularraum des Proteins konnten diese Einschränkungen reduziert werden und größere K+-Leitfähigkeit unter physiologischen Bedingungen erzielt werden. Währenddessen wurden die ersten K+-selektiven ChRs unter physiologischen Bedingungen entdeckt, die KCRs. HcKCR1 aus der stramenopilen Alge Hyphochytrium catenoides und Mutanten der Ionenleitpore wurden elektrisch charakterisiert, unterstützt durch strukturelle Vorhersagen. Ein neuartiger hydrophober Selektivitätsfilter wurde identifiziert und seine Konservierung in verwandten Stramenopilen-ChRs nachgewiesen. WiChR aus Wobblia lunata zeigte hierbei eine beispiellose K+-Permeabilität und erreichte in Herzmuskelzellen und Neuronen hohe Eignung in Ein- und Zweiphotoneninhibition bei niedriger Lichtintensität und geringer Gewebeerwärmung. / Microbial rhodopsins are light-sensitive membrane proteins found in all domains of life. They combine photosensitivity with sensory, enzymatic or ion-translocating functions. Their structural simplicity makes light-driven ion pumps and light-gated channelrhodopsins (ChRs) valuable optogenetic tools for controlling cellular activity with light. Discovering and engineering new forms of ion selectivity expands possibilities for manipulating the membrane potential of electrogenic cells like neurons. Light-sensitive K+-selective ChRs have been highly anticipated as inhibitory optogenetic tools. A point mutation in the central gate of KR2, a light-driven Na+-pump rhodopsin from the marine bacterium Dokdonia eikasta, resulted in K+-selective leak photocurrents. This study experimentally characterized the main limitations of this KR2-R109Q variant using two-electrode and whole-cell voltage-clamp methods, supported by computational pKa prediction and classical MD simulations. An extensive mutational study revealed the molecular cause for the detrimental pH-sensitivity and residual Na+-pumping activity. Combining key mutations in the extracellular part of the protein reduced these limitations, yielding larger K+-selective photocurrents under physiological conditions. During this study, a novel ChR family with superior properties, Kalium ChRs (KCRs) was discovered, representing the first K+-selective ChRs under physiological conditions. HcKCR1 from the stramenopile alga Hyphochytrium catenoides and mutants of its putative ion conduction pore were electrically characterized in WCVC experiments, supported by structural predictions. A novel type of hydrophobic selectivity filter was identified and found to be conserved in related stramenopile ChRs. Among them, WiChR from Wobblia lunata exhibited an unmatched preference for K+ over Na+ and favorable performance in cardiac myocytes and neurons, allowing single- and two-photon inhibition at low irradiance and reduced tissue heating.

L'utilisation de plasmas froids à base de gaz rares (Rg) dans des applications biomédicales ainsi que dans la propulsion spatiale est en nette évolution. Pour optimiser ces réacteurs plasmas, une compréhension fine des processus ayant lieu dans ces réacteurs est nécessaire. Ce travail de thèse a pour objectif de fournir les données manquantes dans la littérature (coefficients de transport et réaction) en passant par des données mésoscopiques (sections efficaces) obtenues à partir de données microscopiques (potentiels d'interaction) pour le xénon et krypton dans leur gaz parent. Seul des plasmas froids composés d'un seul type d'atome sont considérés. Comme le krypton et le xénon sont des gaz rares, et ont donc, à l'état de neutralité peu/pas d'interaction entre eux. Par conséquent, seules les collisions ion - atome seront considérées. Du fait des faibles énergies des ions dans le plasma froid, seul les 6 premiers états excités du couple Rg2+ seront pris en compte. Ces 6 états seront classés en deux groupes, 2P1/2 et 2P3/2. Lors de ce travail, deux potentiels d'interaction différents disponibles dans la littérature sont utilisés et comparés pour les systèmes collisionnels Kr+/Kr et Xe+/Xe dans le calcul des sections efficaces. Pour les collisions impliquant des dimères ioniques (Kr2+/Kr et Xe2+/Xe), les potentiels d'interaction sont calculés à partir du modèle DIM (Diatomics In Molecules) qui est une combinaison des potentiels atomiques d'interaction neutre - neutre et ion - neutre. Les sections efficaces, requises pour obtenir les données mésoscopiques manquantes, sont calculées à partir de trois méthodes différentes. La première méthode est la méthode quantique qui permet, par une résolution de l'équation de Schrödinger, d'obtenir de manière exacte les sections efficaces à partir des potentiels d'interaction. Cette méthode exacte, étant grande consommatrice de temps de calcul, est utilisée en tant que référence pour valider les deux autres méthodes approchées. La seconde méthode, nommée semi-classique, est basée sur la même expression que la section efficace quantique mais utilise un déphasage approché (approximation JWKB), induit par le potentiel d'interaction, entre l'onde diffusée et l'onde incidente. [...] / The use of cold plasmas based on rare gases (Rg) in biomedical applications as well as in space propulsion is clearly evolving. To optimize these plasma reactors, a fine understanding of the processes taking place in these reactors is necessary. This thesis aims to provide the missing data in the literature (transport coefficients and reaction rates) through mesoscopic data (cross-sections) obtained from microscopic data (interaction potentials) for xenon and krypton in their parent gas. Only cold plasmas composed of a single type of atom are considered. As krypton and xenon are rare gases, and so have, in the neutral state little / no interaction between them. Therefore, only ion - atom collisions will be considered. Due to the low ion energies in the cold plasma, only the first 6 excited states of the Rg2+ pair will be taken into account. These 6 states will be classified in two groups, 2P1/2 and 2P3/2. In this work, two different interaction potentials available in the literature are used and compared for the Kr+/Kr and Xe+/Xe collision systems in the calculation of cross-sections. For collisions involving ionic dimers (Kr2+/Kr and Xe2+/Xe), the interaction potentials are calculated from the DIM model (Diatomics In Molecules) which is a combination of the atomic potentials of neutral - neutral and ionic - neutral interactions. The cross-sections required to obtain the missing mesoscopic data are calculated from three different methods. The first method is the quantum method which allows, by a resolution of the Schrödinger equation, to obtain exactly the cross-sections from the interaction potentials. This exact method, which consumes a lot of computation time, is used as a reference to validate the two other approximate methods. The second method, called semi-classical, is based on the same expression as the quantum cross section but uses an approximate phase shift (JWKB approximation), induced by the interaction potential, between the scattered wave and the incident wave. [...]