Kanalrhodpsine (ChRs) sind lichtaktivierbare Kationenkanäle, welche als primäre Fotorezeptoren in Grünalgen dienen. In der Optogenetik werden ChRs verwendet um neuronale Membranen zu depolarisieren und mit Licht Aktionspotentiale auszulösen. Das mit blauem Licht aktivierte Chlamydomonas Kanalrhodopsin 2 (C2) und effiziente Mutanten wie C2 H134R stellen die am häufigsten genutzten depolarisierenden, optogenetischen Werkzeuge dar. Komplementär zu ChRs werden Protonen- und Chloridpumpen aus Archaebakterien zur neuronalen Inhibierung durch lichtinduzierte Hyperpolarisation verwendet. In der vorliegenden Arbeit untersuchten wir die ChR-Chimäre C1V1, ein grünlichtaktiviertes ChR, das sich durch hervorragende Membranlokalisierung und hohe Fotoströme in HEK-Zellen auszeichnet. C1V1 und C1V1-Mutanten mit feinabgestimmten spektralen und kinetischen Eigenschaften ermöglichen die neuronale Aktivierung mit Wellenlängen bis 620 nm sowie die unabhängige Aktivierung zweier Zellpopulationen in Kombination mit C2. Um die strukturelle Basis von Kanalöffnung und Ionentransport in ChRs zu verstehen, wurden gezielt Mutationen in C2 und C1V1 eingeführt. Die Fotoströme der entsprechenden Mutanten wurden auf Kationenselektivität und kinetische Veränderungen untersucht. Während Aminosäuren, die den Kanal an der zytosolischen Seite begrenzen, die Kationenfreisetzung und Einwärtsgleichrichtung der ChRs bestimmen, spielen zentral im Kanal gelegende Aminosäuren ein entscheidende Rolle für Kationenselektivität und -kompetition. Ein enzymkinetisches Modell ermöglichte außerdem die Zerlegung der Fotoströme in Beiträge der verschiedenen, konkurrierenden Kationen. Im letzten Teil der Arbeit wurde pHoenix, ein optogenetisches Werkzeug zur Ansäuerung synaptischer Vesikel, entwickelt. In Neuronen des Hippocampus wurde pHoenix verwendet, um die treibenden Kräfte für die vesikuläre Neurotransmitteraufnahme sowie den Zusammenhang zwischen Vesikelfüllstand und Freisetzungswahrscheinlichkeit zu analysieren. / Channelrhodopsins (ChRs) are light-activated cation channels functioning as primary photoreceptors in green algae. In the emerging field of optogenetics, ChRs are used to depolarize neuronal membranes, thus allowing for light-induced action-potential firing. The blue light-activated Chlamydomonas channelrhodopsin 2 (C2) and high-efficiency mutants such as C2 H134R represent the most commonly used depolarizing optogenetic tools. Complementary to ChRs, green to yellow light-activated proton and chloride pumps originating from archea enable neuronal inhibition by membrane hyperpolarization. In the present work, we developed the chimeric ChR C1V1, a green-light activated ChR with excellent membrane targeting and high photocurrents in HEK cells. Action spectrum and kinetic properties of C1V1 were further fine-tuned by site-directed mutagenesis. The ensemble of C1V1 variants allows for neuronal activation with wavelengths up to 620 nm and can be used in two-color optogenetic experiments in combination with C2 derivatives. In order to understand the structural motifs involved in channel gating and ion transport, conserved residues in C2 and C1V1 were mutated and photocurrents of the respective mutants were analyzed for kinetic characteristics and cation selectivity. In these experiments, residues of the inner gate region were shown to alter cytosolic cation release and inward rectification, whereas central gate residues determine cation competition and selectivity, as well as the equilibrium between the two open channel conformations. Moreover, an enzyme-kinetic model was used to quantitatively dissect ChR photocurrents into the contribution of different competing cations. Finally, we designed pHoenix, an optogenetic tool enabling green-light induced acidification of synaptic vesicles. In hippocampal neurons, pHoenix was used to study both the energetics of vesicular neurotransmitter uptake and the impact of the vesicular contents on synaptic vesicle release.

Mikrobielle Rhodopsine sind lichtsensitive Membranproteine und agieren als Sensoren, Biokatalysatoren oder Ionentransporter. Die Ionentransporter unterteilen sich in lichtgetriebene Ionenpumpen und in lichtaktivierte Kanalrhodopsine. Besonders die Protonenpumpe Bakteriorhodopsin steht schon lange im Fokus biophysikalischer Untersuchungen. Obwohl die Protonenpumpen seit über 40 Jahren intensiv untersucht werden, ist das Wissen über deren elektrophysiologische Eigenschaften noch immer gering. Aus diesem Grund widmete sich diese Arbeit der elektrophysiologischen Charakterisierung der mikrobiellen Rhodopsine mit dem Fokus auf Protonenpumpen. Hierfür wurden vor allem „Two-Electrode Voltage Clamp“ -Messungen (TEVC) an Oozyten des afrikanischen Krallenfrosches Xenopus leavis durchgeführt. Die Untersuchung verschiedener Protonenpumpen hat gezeigt, dass diese eine unerwartet große Diversität in ihren elektrophysiologischen Eigenschaften aufweisen. Von besonderem Interesse war die Beobachtung, dass einige Protonenpumpen neben Pumpströmen auch passive einwärts gerichtete Photoströme zeigten. Besonders deutlich war der „Pump-Kanal-Dualismus“ bei dem Gloeobacter-Rhodopsin ausgeprägt. Andere Protonenpumpen, wie das Bakteriorhodopsin oder Coccomyxa-Rhodopsin, zeigten keine einwärts gerichteten Photoströme. Das Coccomyxa-Rhodopsin wurde aufgrund seiner hohen Photostrom-Amplituden in Oozyten für eine Mutationsanalyse ausgewählt. Diese Mutationsanalyse verhalf die strukturellen Ursachen für die funktionalen Unterschiede zu identifizieren, welche sowohl zwischen den Protonenpumpen untereinander als auch gegenüber Kanalrhodopsinen beobachtet wurden. Mutationen im Gegenion-Komplex führen zu rein passiven oder inaktiven Transportern. Dagegen übernimmt der extrazelluläre Halbkanal in Protonenpumpe die Aufgabe einen passiven Protonen-Rückfluss während des Pumpzyklus zu verhindern, denn Mutationen in dieser Region verursachen passive Photoströme zusätzlich zum aktiven Pumpstrom. / Microbial rhodopsins are light-sensitive membrane proteins and operate as sensors, enzymes or ion-transporters. The ion transporters are subdivided into light-driven ion pumps and light-gated channels. Biophysical research has put focus on the proton pump bacteriorhodopsin for long time. Despite the fact that light-driven proton pumps are investigated for over 40 years, the knowledge about their electrophysiological properties is surprisingly low. For this reason, this thesis is devoted to the electrophysiological characterization of microbial rhodopsins with special focus on light-driven proton pumps. For this purpose, “Two-Electrode Voltage Clamp”-recordings (TEVC) were primarily performed using oocytes from African clawed frog Xenopus leavis. The investigation of diverse proton pumps has shown that the differences in their electrophysiological behaviors are unexpectedly high. Special interest was laid on proton pumps which show passive inward directed photocurrents when the electrochemical load exceeds a certain level. The dualism of pump and channel activity was particularly pronounced in the proton pump Gloeobacter-rhodopsin. Other proton pumps, for instance bacteriorhodopsin or Coccomyxa-rhodopsin, do not show inward directed photocurrents. Due to high photocurrent amplitudes, the Coccomyxa-rhodopsin was selected for an efficient mutagenesis study. This study allowed the identification of structural key determinants for the differences among proton pumps themselves and for the differences of proton pumps in comparison with light-gated ion channels (channelrhodopsins). Therefore, mutations of the counter-ion-complex cause inactive or purely passive transporters. The extracellular half-channel is the key element in proton pumps which prevents passive proton-backflow during the pump-cycle. Mutations in this region lead to passive leak-currents in overlap with the remaining pump-activity.

Zellen benutzen Signalwege ein, um auf Änderungen in ihrer unmittelbaren Umgebung zu reagieren. Der Signalweg des transformierenden Wachstumsfaktors β (TGFβ) spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung vieler zellulärer Prozesse, einschließlich Zellproliferation, Differenzierung und Migration. Obwohl die Hauptkomponenten der TGFβ-Signalgebung in den letzten Jahrzehnten identifiziert und erforscht wurden, ist das Verständnis ihres dynamischen Verhaltens durch das Fehlen von Methoden eingeschränkt, die die Steuerung der TGFβ-Signalgebung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglichen. In dieser Arbeit wurde ein optogenetisches System (das optoTGFβ-System) entwickelt, bei dem Licht dazu verwendet wird, die TGFβ-Signalgebung zeitlich und räumlich präzise zu steuern. Erstens wurde die Funktionalität des optoTGFβ-Systems durch Vergleich mit dem endogenen TGFβ-Signalsystem überprüft. Zweitens wurde durch das gleichzeitige Überwachen der subzellulären Translokation der Rezeptoren und der Smad-Proteine mittels „Live Cell Imaging“ gezeigt, dass die TGFβ-Signalgebung durch Modulation der Lichtstimulationen in einzelnen Zellen spezifisch aktiviert werden kann. Drittens wurde in Kombination mit der mathematischen Modellierung die Dynamik der TGFβ-Signalgebung im optoTGFβ-System quantitativ bestimmt. Die räumliche und zeitliche Präzision der optischen Kontrolle machen das optoTGFβ-System zu einem neuartigen und leistungsfähigen Methode für die quantitative Analyse und Manipulation von TGFβ-Signalen auf Einzelzellebene. / Cells employ signaling pathways to make decisions in response to changes in their immediate environment. Transforming Growth Factor β (TGFβ) signaling pathway plays pivotal roles in regulating many cellular processes, including cell proliferation, differentiation and migrations. Although the principal components of TGFβ signaling have been identified and explored in recent decades, understanding its dynamic behavior is limited by the lack of tools that allow the control of TGFβ signaling at high spatiotemporal resolution. In this thesis, we developed an optogenetic system (the optoTGFβ system), in which light is used to control TGFβ signaling precisely in time and space. First, we validated the functionality of the optoTGFβ system by comparing it with the endogenous TGFβ signaling system. Second, by simultaneously monitoring the subcellular translocation of the receptors and Smad proteins using live cell imaging, we showed that TGFβ signaling can be specifically activated in single cells through modulating the light stimulations. Third, in combination with mathematical modeling, we quantitatively characterized the dynamics of TGFβ signaling in the optoTGFβ system. The spatial and temporal precision of optical control makes the optoTGFβ system a novel and powerful tool for quantitative analyses and manipulation of TGFβ signaling at the single cell level.

QuasArs, eine neue Klasse von fluoreszierenden Membranspannungssensoren basierend auf Archaerhodopsin-3, wurde von Hochbaum et al. im Jahr 2014 beschrieben. Die neuen Konstrukte zeigen eine für mikrobielle Rhodopsine außergewöhnlich hohe Fluoreszenzquantenausbeute. Außerdem ist die Fluoreszenz spannungsabhängig, was für Membranspannungssensoren eine wünschenswerte Eigenschaft ist. Diese Sensoren bieten ein hohes räumliches und zeitliches Auflösungsvermögen, wodurch neuronale Aktivität verfolgt werden könnte. Obwohl mehrere Varianten vorgeschlagen wurden ist ihre Fluoreszenzquantenausbeute immer noch zu gering (<1%) für Anwendungen in lebenden Nagetieren und erfordert weitere Verbesserungen für bildgebende Anwendungen. Das rationale Design der Rhodopsin-basierten Fluoreszenzsensoren der nächsten Generation ist jedoch nur eingeschränkt möglich, da die derzeit verwendeten QuasArs mittels zufälliger Mutagenese gefunden wurden. Um verbesserte Konstrukte zu entwickeln, ist es wichtig die Funktionalität der spannungssensitiven Fluoreszenz und die Rolle der eingeführten Mutationen zu verstehen. In dieser Arbeit wurden die mikrobiellen Rhodopsin-basierten Spannungssensoren und der Ursprung ihrer spannungsmodulierten Fluoreszenz untersucht. Die Photodynamik dieser Spannungssensoren wurde mit UV/Vis-Steady-State und -transienter Spektroskopie untersucht. Die Archaerhodopsin-3 Varianten durchlaufen einen ungewöhnlichen Photozyklus mit verlängerter Lebensdauer des angeregten Zustands und ineffizienter Photoisomerisierung. Präresonanz-Raman-Spektroskopie und Hochdruckflüssigkeitschromatographie ermöglichten die direkte Untersuchung des Chromophors in diesen besonderen Rhodopsinen. Molekulardynamiksimulationen, unterstützt durch spektroskopische Studien, liefern ein Modell der Proteindynamik unter Einfluss der Membranspannung. Protein-Engineering ermöglichte die Identifizierung der Aminosäuren, die für die Erhöhung der Fluoreszenzquantenausbeute benötigt werden, und der Schlüsselreste, die an der Spannungsmessung beteiligt sind. Aussichtsreiche Konstrukte mit verbesserten Eigenschaften wurden vorgeschlagen und getestet. / Novel class of fluorescent membrane voltage sensors QuasArs, based on Archaerhodopsin-3, have been reported by Hochbaum et al. in 2014. The new constructs show unusually high fluorescence quantum yield for microbial rhodopsins. Furthermore the fluorescence is voltage-dependent, which is a desirable property for membrane voltage sensors. These tools would offer high spatiotemporal resolution allowing to track neuronal spiking. Although multiple constructs have been proposed, their fluorescence quantum yield is still too low (<1%) for applications in living rodents and requires further improvement for imaging applications. However, rational design of the next generation rhodopsin-based fluorescent sensors is restrained since the current constructs were found using random mutagenesis. To develop improved constructs it is essential to understand the functionality of the voltage-sensitive fluorescence and the role of the introduced mutations. In this thesis, the microbial rhodopsin based voltage sensors and the origin of their voltage-modulated fluorescence were studied. The photodynamics of microbial rhodopsin-based voltage sensors were studied with UV/Vis steady state and transient spectroscopy. The archaerhodopsin-3 variants undergo an unusual photocycle with extended excited state lifetime and inefficient photoisomerization. Pre-resonance Raman spectroscopy and high-pressure liquid chromatography allowed to directly study the chromophore composition in these peculiar rhodopsins. Molecular dynamics simulations, supported by spectroscopic studies, provide a model of protein dynamics taking place under different membrane voltage conditions. Protein engineering allowed to identify the residues needed for the increase of the fluorescence quantum yield and key residues involved in the voltage sensing. Promising constructs, with improved properties, were proposed and tested.

Der cGMP-Signalweg ist als einer der Hauptregulatoren von diversen Funktionen in Eukaryoten bekannt; allerdings ist seine Funktionsweise in Protozoen wenig verstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Guanylatcyclase, gekoppelt mit N-terminalen P4-ATPase, in intrazellulären Parasiten Toxoplasma gondii gemeldet. Eine in silico-Analyse wies auf eine Aktivierung der Guanylatcyclase durch Heterodimerisierung ihrer Cyclasedomänen hin und ermöglichte wertvolle Einsichten in mögliche Funktionen ihrer ATPase-Domäne. Dieses Protein (477-kDa) bezeichnet als TgATPaseP-GC in dieser Studie, lokalisiert in der Plasmamembran am apikalen Pol des Parasiten. TgATPaseP-GC ist unempfänglich gegenüber genetischer Deletion und seine CRISPR/Cas9 unterstützte Spaltung beendet den lytischen Zyklus von T. gondii vorzeitig. Darüber hinaus reduzierte ein Cre/loxP-vermittelter Knockdown von TgATPaseP-GC die Synthese von cGMP im Tachyzoiten und inhibierte das Parasitenwachstum aufgrund von Beeinträchtigungen Motilitäts-abhängiger Prozesse des Austretens und Eindringens. Trotz seiner zeitlich beschränkten Funktion ist TgATPaseP-GC konstitutiv während des ganzen lytischen Zyklus exprimiert, welches eine post-translationale Regulierung des cGMP-Signalweges bedingt. Nicht zuletzt impliziert das Vorhandensein von TgATPaseP-GC-Orthologen in anderen Alveolata eine divergente Umfunktionierung der cGMP-Signalwege in Protozoen. Darüber hinaus wurde ein optogenetischer Ansatz verwendet, um den cGMP-Weg durch eine photo-aktivierte Rhodopsin-Guanylat-Cyclase (RhoGC) in T. gondii zu exprimiert. Dieses System erlaubte eine kontrollierte Erhöhung von cGMP durch Licht in einer schnellen und reversiblen Weise. Die Anregung von RhoGC stimulierte signifikant die Parasitenmotilität, deren Auswirkung auch mit erhöhten Eindringen und Austreten überwacht wurde; im Gegensatz zum genetischen Knockdown von TgATPaseP-GC. Das System ermöglicht die Vermittler des cGMP-Signalwegs durch Phosphoproteomics zu identifizieren. / cGMP signaling is known as one of the master regulators of diverse functions in eukaryotes; however, its architecture and functioning in protozoans remain poorly understood. In the scope of this thesis, an exclusive guanylate cyclase coupled with N-terminal P4-ATPase was reported in an obligate intracellular parasite Toxoplasma gondii. In silico analysis indicated an activation of the guanylate cyclase by heterodimerization of its two cyclase domains and offered valuable insights into possible functions of its ATPase domain. This bulky protein (477-kDa), termed in this study as TgATPaseP-GC to reflect its envisaged multifunctionality, localizes in the plasma membrane at the apical pole of the parasite. TgATPaseP-GC is refractory to genetic deletion, and its CRISPR/Cas9-assisted disruption aborts the lytic cycle of T. gondii. Besides, Cre/loxP-mediated knockdown of TgATPaseP-GC reduced the synthesis of cGMP in tachyzoites and inhibited the parasite growth due to impairments of motility-dependent egress and invasion events. Notably, despite its temporally restricted function, TgATPaseP-GC is expressed constitutively throughout the lytic cycle, entailing a post-translational regulation of cGMP signaling. Not least, the occurrence of TgATPaseP-GC orthologs in several other alveolates implies a divergent functional repurposing of cGMP signaling in protozoans. Furthermore, an optogenetic approach was utilized to induce cGMP pathway by a photo-activated rhodopsin-guanylate cyclase (RhoGC) in T. gondii. The system enabled a light-control of cGMP elevation on crucial steps of lytic cycle in a fast, spatial and reversible manner. Excitation of RhoGC significantly stimulated the parasite motility of which impact was also monitored with an increased host-cell invasion and egress; as opposed to the genetic knockdown of TgATPaseP-GC. Having an established optogenetic system in the parasite allows to identify downstream targets of cGMP signaling via phosphoproteomic analysis.

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.

Die Entdeckung der Kanalrhodopsine (ChRs) C1 und C2 aus der Grünalge Chlamydomonas reinhartii vor 10 Jahren brachte die neue Proteinfamilie der lichtgesteuerten Ionenkanäle hervor. Diese 7-Transmembranproteine verwenden all-trans Retinal, um Licht einer bestimmten Wellenlänge zu absorbieren. Bei Lichtabsorption isomerisiert das Retinal und das Protein öffnet daraufhin seine Pore, die es Ionen wie H+, Na+ und Ca2+ erlaubt, abhängig von ihrem elektrochemischen Gradienten, die Membran zu passieren. Insbesondere in der Neurophysiologie findet seit kurzem das C2 eine breite Anwendung, da seine Expression in Nervenzellen es erlaubt, mittels kurzer Lichtpulse die elektrische Aktivität dieser Zellen zu kontrollieren. In dieser Arbeit wurden zum ersten Mal die beiden neuen ChRs V1 und V2 aus der mehrzelligen Grünalge Volvox carteri elektrophysiologisch charakterisiert. Hierbei zeigte sich, dass V2, ähnlich wie C2, im blauen Spektralbereich absorbiert und auch, dass sich die kinetischen Eigenschaften stark ähneln. Dagegen besitzt V1 eine um 70 nm längerwellig verschobene Absorption auf 535 nm bei einer ~ 10 x langsameren Abklingkinetik als C2. Durch die schlechte Membranintegration von V1 in eukaryotischen Zellen ist der Photostrom gering und die Anwendungen in Neuronen stark eingeschränkt. Um die Membranintegration zu verbessern, wurden einzelne Helices von V1 gegen die entsprechenden Helices der anderen ChRs ausgetauscht. Hierbei wurde eine Chimäre C1V1-25, die aus den ersten 2 Helices von C1 und den restlichen 5 Helices von V1 besteht, entwickelt. Die Chimäre besitzt weiterhin eine rotverschobene Absorption bei 539 nm, einen 4 x höheren Photostrom als V1 und der doppelt so hoch ist wie der von C2. / The discovery of the channelrhodopsins (ChRs), C1 and C2 from the green alga Chlamydomonas reinhardtii 10 years ago, created the new protein family of light-gated ion channels. Those 7-Transmembranproteins are utilizing all-trans retinal to absorb light at specific wavelength. Upon light absorption the retinal isomerizes which leads to opening of a protein pore allowing ions such as H+, Na+ and Ca2+ to pass the membrane depending on their electrochemical gradient. In the last years C2 attracted a lot of attention in neuroscience since its expression in neurons allows to control their electrical properties with short light pulses. This work presents the electrophysiological characterization of two new ChRs V1 and V2 from the multicellular agla Volvox carteri for the first time . V2 absorbs light in the blue visible range like C2 and almost identical kinetic properties. In contrast, V1 exhibit a 70 nm redshifted absorption towards 535 nm and a ~ 10 x slower off-kinetic than C2. Since V1 displays only weak membrane targeting the resulting overall small photocurrent in eukaryotic cells significantly hampered its application in neuronal cells. To improve membrane targeting and to retain redshifted absorbance helices from V1 were exchanged with the corresponding helices from the other ChRs. A chimera called C1V1-25, which consists out of the first 2 helices from C1 and the last 5 helices from V1 showed a absorbance maximum at 539 nm and exhibit a 4 times higher photocurrent even beeing 2 times higher then the one of C2.

Kanalrhodopsine (ChRs) sind lichtaktivierte Ionenkanäle motiler Algen. Heterolog exprimiert erlauben sie es, Ionenflüsse durch Licht zu steuern. Bevorzugt geleitet werden von den meisten ChRs Protonen. Ausprägung und Wirkung lichtaktivierter Protonenflüsse sowie der molekulare Mechanismus protonenselektiver ChRs werden in vorliegender Arbeit untersucht und zur Entwicklung neuer optogenetischer Werkzeuge genutzt. Eine besonders hohe Protonenselektivität zeigten die grün- und rotlicht-aktivierten Kanäle CsChR und Chrimson aus den Algen Chloromonas subdivisa und Chlamydomonas noctigama. Im spektroskopisch detailliert untersuchten CrChR2 aus Chlamydomonas reinhardtii änderte sich die Protonenselektivität nach Anregung mit einem ns-Laserblitz sogar innerhalb eines Aktivierungszyklus und war insbesondere nach Öffnung des Kanals sowie in Folge der Lichtadaptation hoch. Als unentbehrlich für eine effiziente Protonenleitung erwiesen sich in allen drei Kanälen konservierte, titrierbare Reste entlang der Pore, deren individuelle Bedeutung für die Protonenleitung sich je nach Protein wesentlich unterschied. Entsprechend genügte in Chrimson der Austausch einzelner Glutaminsäuren des extrazellulären Halbkanals, dieses in einen grün- oder rotlichtaktivierten Natriumkanal zu transformieren. Aminosäuresubstitutionen der unmittelbaren Retinalumgebung verschoben hingegen das Aktionsmaximum von Chrimson röter als 600 nm und damit röter als in allen bisher beschriebenen ChRs. In Chrimson versperrt hierbei ein zusätzliches äußeres Tor den extrazellulär Halbkanal, während die Retinalbindetasche in Struktur und funktionaler Bedeutung der einzelnen Reste wesentlich jener der Protonenpumpe Bacteriorhodopsin ähnelt. Als Zwei-Komponenten-Optogenetik wurden schließlich protonen-, kationen- und anionenleitende ChRs unterschiedlicher Farbsensitivität fusioniert sowie lichtgetriebene Protonenpumpen mit protonenaktivierten Ionenkanälen kombiniert und neue optogenetische Perspektiven eröffnet. / Channelrhodopsins (ChRs) are light-gated ion channels from green algae. Expressed in host cells they are used to control ion fluxes by light and are widely applied in Neurosciences. Although generally classified as either cation or anion channels, most ChRs preferentially conduct protons. This thesis compares proton conductance of different ChRs, examines the molecular mechanism of proton selective ChRs and explores the usage of light regulated proton fluxes in two-component-optogenetics. Proton selectivity varied strongly among different ChRs and was most pronounced for the green- and red-light activated channels CsChR and Chrimson from the algae Chloromonas subdivisa and Chlamydomonas noctigama, that conducted predominantly protons even at high pH. In CrChR2 from Chlamydomonas reinhardtii proton selectivity also changed during a single activation cycle and was especially high directly after channel opening and later on following light adaptation. In all three channels efficient proton conductance depended on conserved titratable residues along the pore with different contribution of the individual side chains in each protein. The substitution of single glutamic acids in the extracellular half pore converted Chrimson into a green or red-light activated sodium channel. A single point mutation close to the retinal chromophore shifted peak absorption of Chrimson beyond 600 nm - further red than all other cation conducting ChRs. Whereas the retinal binding pocket of Chrimson resembles the proton pump Bacteriorhodpsin, the overall pore structure corresponds to other ChRs, but features an additional outer gate, that occludes the extracellular half pore and is important for both, proton selectivity and red light absorption. Finally different Two-Component-Optogenetic approaches combined proton and anion selective ChRs of distinct colour as well as light-driven proton pumps and proton-activated ion channels with major prospect for future optogenetic applications.

Seit mehr als 10 Jahren kann biologische Aktivität durch eine Vielzahl photosensorischer Proteine beeinflusst werden. In diesem als Optogenetik bezeichneten Forschungsgebiet, werden Kationen leitende Kanalrhodopsine (CCRs) als lichtinduzierte neuronale Aktivatoren eingesetzt. Diese Arbeit soll zur Vervollständigung von optogenetischen Werkzeugen durch die Entwicklung Anionen leitender Kanalrhodopsine (ACRs) dienen, um die bestehenden Nachteile mikrobieller lichtgetriebener Ionenpumpen zu überwinden, die bislang zur neuronale Inhibition genutzt wurden. Der Austausch von E90 in C. reinhardtii Kanalrhodopsin 2 (CrChR2) durch positiv geladene Aminosäuren führte zu Entwicklung Chlorid leitender ChRs (ChloCs), die jedoch eine Restkationen-permeabilität aufwiesen. Durch Substitution zweier weiterer negativen Ladungen innerhalb des Ionenpermeationsweges, konnte die Kationenleitung vollständig aufgehoben werden. Parallel wurde durch A. Berndt et al. ein inhibitorisches C1C2 (iC1C2), basierend auf der CrChR1/2 Chimäre entwickelt. Wie auch bei den ChloCs, zeigte iC1C2 verbesserungswürdige biophysikalische Eigenschaften. Mutagenesestudien des Ionenpermeationsweges führten zur Entwicklung der verbesserten Nachfolgervariante iC++. Um ausgehend von weiteren CCRs neuartige ACRs zu entwickeln (eACRs), wurden die zuvor angewandten Mutagenesestrategien auf weitere CCRs übertragen. Zwei neue eACRs, Phobos und Aurora, mit jeweils blau- und rotverschobenen Aktionsspektrum konnten generiert werden. Bistabile eACRs wurden erzeugt, die ein lichtgesteuertes Schalten zwischen offenen und geschlossenen Zuständen ermöglichen. Schlussendlich wurde ein natürlich vorkommendes ACR (nACR) aus Proteomonas sulcata (PsACR1) identifiziert und charakterisiert. Die Maximalaktivität von PsACR1 zählt mit 540 nm zu den am stärksten rotverschobenen unter den nACRs. Elektrophysiologische und spektroskopische Untersuchungen ergaben, dass sich der Photozyklus von PsACR1 signifikant von jenen der CCRs unterscheidet. / For more than 10 years, photosensory proteins have developed as powerful tools to manipulate biological activity. In this research field termed optogenetics, cation-conducting channelrhodopsins (CCRs) mainly are utilized as light-induced neural activators. This study aimed at a complementation of the optogenetic tool box by engineering anion-conducting channelrhodopsins (ACRs) to overcome the existing drawbacks of microbial light-driven ion pumps utilized for neural inhibition so far. Replacement of E90 in the cation-conducting C. reinhardtii channelrhodopsin 2 (CrChR2) with positively charged residues reversed the ion selectivity and yielded chloride-conducting ChRs (ChloCs). Applied in neuronal cell culture, ChloCs showed residual cation permeability occasionally leading to excitation instead of the desired inhibition. Further charge elimination within the ion permeation pathway completely abolished cation conduction. In parallel, an inhibitory C1C2 (iC1C2) was developed by A. Berndt et al. based on a CrChR1/2 chimera. Though, iC1C2 displayed unsatisfactory biophysical properties as well. Further mutational modifications of the ion permeation pathway led to the development of the improved successor variant iC++. A systematic transfer of both conversion strategies to other CCRs was conducted to create engineered ACRs (eACRs) with distinct biophysical properties. Two novel eACRs, Phobos and Aurora, with blue- and red-shifted action were obtained. Additionally, step-function mutations greatly enhanced the operational light sensitivity and enabled temporally precise toggling between open and closed states using two different light colors. Finally, a natural ACR (nACR) originating from Proteomonas sulcata (PsACR1) was identified and characterized. With a maximum activation at 540 nm it is one of most red-shifted nACRs. Single turnover electrophysiological measurements and spectroscopic investigations revealed an unusual photocycle compared to that of CCRs.

Sensorische Photorezeptorproteine vermitteln vielfältige Lichtreaktionen in allen Domänen des Lebens. Oftmals dienen verschiedene, durch helikale ‚Linker’ gekoppelte, Module der Lichtperzeption (Sensor) und der Umwandlung in ein biologisches Aktivität (Effektor). Der Zusammenbau chimärer Photorezeptoren aus unterschiedlichen Sensoren und Effektoren ermöglicht die präzise und minimalinvasive Regulation zellulärer Signalwege mit Hilfe von Licht, zu therapeutischen oder analytischen Zwecken. Eine große Herausforderung stellt dabei die korrekte Fusion der Linker beider Module dar, die Kommunikation zwischen Sensor und Effektor erlaubt. Die vorliegende Arbeit nimmt sich diesem Problem an und untersucht Strategien zum effizienten Bau chimärer Photorezeptorproteine. Ein rationaler, auf Sequenz- und Strukturhomologie der parentalen Proteine basierender Ansatz wurde maßgeblich durch unzureichendes Verständnis der funktionellen Mechanismen dieser modularen Proteinen erschwert. Die neuentwickelte und PATCHY-Methode umgeht dieses Hindernis, indem sie eine Bibliothek von Chimären aller Kombinationen der parentalen Linker generiert, welche anschließend mittels bakterieller Testsysteme nach funktionalen Varianten durchsucht wird. Angewendet auf die Fusion eines LOV-Blaulichtsensors und eines Histidinkinase-Effektors fanden sich sowohl lichtaktivierte, als auch zu lichtreprimierte Chimären, deren Linkerlängen jeweils einer Heptadenperiodizität folgten. Dass weniger als 5% aller Linkerkombinationen zu lichtregulierten Chimären führten, deutet zudem auf eine feine Abstimmung von Linkersequenz und Proteinfunktion hin. Die systematische Analyse von Fusionsvarianten mit PATCHY dient daher nicht nur der Entwicklung chimärer Rezeptorproteine zur Manipulation zellulärer Prozesse. Sondern sie zeigt darüber hinaus, komplementär zum rationalen Ansatz, molekulare Faktoren auf, die zur Modulkompatibilität und Signaltransduktion modularer Rezeptorproteine beitragen. / Sensory photoreceptor proteins mediate diverse responses to ambient light in all domains of life. Often distinct modules coupled by helical linkers enable light perception (sensor) and biological output function (effector). Rewiring different sensor and effector modules into photoreceptor chimeras allows using light to control target cellular processes with high spatiotemporal accuracy and minimal invasiveness for therapeutic or analytical purposes. Thereby, a major design challenge is fusing the linkers from both modules in a way that preserves signal transduction within the chimera. The present study tackles this issue and explores strategies for engineering photoreceptor chimeras. An initial rational-design approach guided by sequence and structure homology of the parent proteins was greatly hampered by insufficient knowledge of signaling mechanisms within these modular proteins. A novel and easy-to-use brute-force strategy, termed PATCHY (primer-aided truncation for the creation of hybrid enzymes) circumvents this problem by generating a complete library of fusion variants between target modules harboring all combinations of the parent linkers. Screening fusion libraries of a LOV (light-oxygen-voltage) blue-light sensor coupled to a histidine-kinase effector yielded light-induced and light-repressed chimeras, each group complying with a heptad periodicity of linker lengths. With less than 5% of all possible variants exhibiting light regulation, a delicate fine-tuning of linker sequence and protein function became evident. Thus, systematic testing of fusion variants with PATCHY not only facilitates the development of photoreceptor chimeras for manipulating cellular processes. Complementary to rational design, it also reveals molecular cues determining module compatibility and signal transduction in modular signal receptors.