Die Wahrnehmung von Geschmacksempfindungen beruht auf dem Zusammenspiel verschiedener Sinneseindrücke wie Schmecken, Riechen und Tasten. Diese Komplexität der gustatorischen Wahrnehmung erschwert die Beantwortung der Frage wie Geschmacksinformationen vom Mund ins Gehirn weitergeleitet, prozessiert und kodiert werden. Die Analysen zur neuronalen Prozessierung von Geschmacksinformationen erfolgten zumeist mit Bitterstimuli am Mausmodell. Zwar ist bekannt, dass das Genom der Maus für 35 funktionelle Bitterrezeptoren kodiert, jedoch war nur für zwei unter ihnen ein Ligand ermittelt worden. Um eine bessere Grundlage für tierexperimentelle Arbeiten zu schaffen, wurden 16 der 35 Bitterrezeptoren der Maus heterolog in HEK293T-Zellen exprimiert und in Calcium-Imaging-Experimenten funktionell charakterisiert. Die Daten belegen, dass das Funktionsspektrum der Bitterrezeptoren der Maus im Vergleich zum Menschen enger ist und widerlegen damit die Aussage, dass humane und murine orthologe Rezeptoren durch das gleiche Ligandenspektrum angesprochen werden. Die Interpretation von tierexperimentellen Daten und die Übertragbarkeit auf den Menschen werden folglich nicht nur durch die Komplexität des Geschmacks, sondern auch durch Speziesunterschiede verkompliziert. Die Komplexität des Geschmacks beruht u. a. auf der Tatsache, dass Geschmacksstoffe selten isoliert auftreten und daher eine Vielzahl an Informationen kodiert werden muss. Um solche geschmacksstoffassoziierten Stimuli in der Analyse der gustatorischen Kommunikationsbahnen auszuschließen, sollten Opsine, die durch Licht spezifischer Wellenlänge angeregt werden können, für die selektive Ersetzung von Geschmacksrezeptoren genutzt werden. Um die Funktionalität dieser angestrebten Knockout-Knockin-Modelle zu evaluieren, die eine Kopplung von Opsinen mit dem geschmacksspezifischen G-Protein Gustducin voraussetzte, wurden Oozyten vom Krallenfrosch Xenopus laevis mit dem Zwei-Elektroden-Spannungsklemm-Verfahren hinsichtlich dieser Interaktion analysiert. Der positiven Bewertung dieser Kopplung folgte die Erzeugung von drei Mauslinien, die in der kodierenden Region eines spezifischen Geschmacksrezeptors (Tas1r1, Tas1r2, Tas2r114) Photorezeptoren exprimierten. Durch RT-PCR-, In-situ-Hybridisierungs- und immunhistochemische Experimente konnte der erfolgreiche Knockout der Rezeptorgene und der Knockin der Opsine belegt werden. Der Nachweis der Funktionalität der Opsine im gustatorischen System wird Gegenstand zukünftiger Analysen sein. Bei erfolgreichem Beleg der Lichtempfindlichkeit von Geschmacksrezeptorzellen dieser Mausmodelle wäre ein System geschaffen, dass es ermöglichen würde, gustatorische neuronale Netzwerke und Hirnareale zu identifizieren, die auf einen reinen geschmacks- und qualitätsspezifischen Stimulus zurückzuführen wären. / Taste impression is based on the interaction of taste, smell and touch. To evaluate the nutritious content of food mammals possess five distinct taste qualities: sweet, bitter, umami (taste of amino acids), sour and salty. For bitter, sweet, and umami compounds taste signaling is initiated by binding of tastants to G protein-coupled receptors. The interactions of taste stimuli, usually watersoluble chemicals, with their cognate receptors lead to the activation of the G protein gustducin, which, in turn, initiates a signal resulting in the activation of gustatory afferents. However, details of gustatory signal transmission and processing as well as neural coding are only incompletely understood. This is partly due to the property of some tastants to elicit several sensations simultaneously, unspecific effects caused by the temperature, viscosity, osmolarity, and pH of the solvents, as well as by mechanical stimulation of the tongue during stimulus application. The analysis of gustatory processing of taste information are mainly based on mouse models after stimulation with bitter taste stimuli. Even though it is known that the mouse genome codes for 35 bitter taste receptor genes only few of them had been analysed so far. For better understanding and interpretation of animal experiments 16 mouse bitter receptors had been analysed by Calcium Imaging experiments with HEK293T cells. The data reveal that mouse bitter taste receptors are more narrow tuned than human bitter taste receptors, proving that the ligand spectra of murine and human orthologous receptors are not complient. In order to avoid the disturbing effects of solvents and stimulus application on the analysis of gustatory information transfer and processing, I employ an optogenetical approach to address this problem. For this purpose I generated three strains of gene-targeted mice in which the coding regions of the genes for the umami receptor subunit Tas1r1, the sweet receptor subunit Tas1r2 or the bitter taste receptor Tas2r114 have been replaced by the coding sequences of different opsins (photoreceptors of visual transduction) that are sensitive to light of various wavelengths. In these animals I should be able to activate sweet, bitter, or umami signalling by light avoiding any solvent effects. In initial experiments of this project I demonstrated that the various visual opsins indeed functionally couple to taste signal transduction pathway in oocyte expression system, generating basic knowledge and foundation for the generation of the gene-targeted animals. The knockout-knockin strategies have been successfully realized in the case of all three mouse models, revealed by RT-PCR, in situ hybridization and immunohistochemical analysis of taste papillae. All data confirm that the particular taste receptors have been replaced by the different opsins in taste cells. Further analysis concerning the functional consequences of opsin knockin and taste receptor knockout are part of prospective work.

In Optogenetics, cells, e.g. neurons or cardiac cells, are genetically altered to produce for example the lightsensitive protein Channelrhodopsin-2. Illuminating these cells induces action potentials or contractions and therefore allows to control electrical activity. Thus, light-induced cell stimulation can be used to gain insight to various biological processes. Many optogenetics studies, however, use only full field illumination and thus gain no local information about their specimen. But using modern spatial light modulators (SLM) in conjunction with computer-generated holograms (CGH), cells may be stimulated locally, thus enabling the research of the foundations of cell networks and cell communications. In our contribution, we present a digital holographic system for the patterned, spatially resolved stimulation of cell networks. We employ a fast ferroelectric liquid crystal on silicon SLM to display CGH at up to 1.7 kHz. With an effective working distance of 33 mm, we achieve a focus of 10 µm at a positioning accuracy of the individual foci of about 8 µm. We utilized our setup for the optogenetic stimulation of clusters of cardiac cells derived from induced pluripotent stem cells and were able to observe contractions correlated to both temporal frequency and spatial power distribution of the light incident on the cell clusters.

Genetisch kodierte Photorezeptoren in Modellorganismen begründen die Optogenetik. Sie ermöglicht die nicht-invasive, reversible und räumlich-zeitlich präzise Perturbation von zellulären und physiologischen Signalprozessen durch Licht. Natürliche photoaktivierte Adenylylzyklasen (PACs) steigern die intrazelluläre Konzentration des Botenstoffs zyklischen Adenosinmonophosphats (cAMP) durch Blaulicht. Damit erlauben sie die optogenetische Analyse von cAMP-abhängigen Signalwegen. Diese Arbeit komplementiert PACs durch die synthetische rotlichtaktivierte Phosphodiesterase LAPD zur Degradation von cAMP und zyklischem Guanosinmonophosphat (cGMP). LAPD ist eine Chimäre aus dem photosensorischen Modul von Deinococcus radiodurans Bakteriophytochrom (DrBPhy) und der Effektordomäne der cAMP/cGMP-spezifischen H. sapiens Phosphodiesterase 2A (HsPDE2A). Die Fusionsstelle wurde von den helikalen Linkern zwischen Sensor- und Effektormodulen durch strukturelle Überlagerung abgeleitet. LAPD inkorporierte den Chromophor Biliverdin (BV) nach Expression in E. coli und Reinigung vollständig und entsprach spektral und photochemisch dem Wildtyp-DrBPhy. Durch Bestrahlung mit Rot- und Fernrotlicht (R bzw. FR) wurde LAPD in die metastabilen photochemischen Zustände Pfr (fernrot) bzw. Pr (rot) umgewandelt. Vollständig aktivierte LAPD katalysierte die Hydrolyse von cGMP und cAMP in derselben Größenordnung wie Wildtyp-HsPDE2A. LAPD degradierte cGMP und cAMP bei 6- bzw. 4-facher Steigerung von vmax unter R im Vergleich zu dunkeladaptiertem Enzym. Die Aktivität von R-adaptierter LAPD wurde durch FR reduziert. Die enzymatische Aktivität und Lichtregulation von LAPD-Linkervarianten waren abhängig von der Linkerlänge. LAPD degradierte lichtabhängig cGMP in einer PDE-Reporterzelle. Dabei genügte die endogene BV-Konzentration der Säugerzelle zur Sättigung des Lichteffekts. / Genetically encoded photoreceptors in model organisms establish optogenetics. It enables non-invasive, reversible, and spatio-temporally precise perturbation of cellular and physiological signalling by light. Natural photoactivated adenylate cyclases (PACs) increase the intracellular concentration of the second messenger cyclic adenosine monophosphate (cAMP) under blue light. Hence, PACs allow the optogenetic analysis of cAMP-dependent signalling. This work complements PACs with the synthetic red-light-activated phosphodiesterase LAPD for degradation of cAMP and cyclic guanosine monophosphate (cGMP). LAPD is a chimera made up of the photosensory module of Deinococcus radiodurans bacteriophytochrome (DrBPhy) and the effector domain of cAMP/cGMP-specific H. sapiens Phosphodiesterase 2A (HsPDE2A). The fusion site was derived from the helical linkers between sensor and effector modules via structural superposition. LAPD incorporated the chromophor biliverdin (BV) after expression in E. coli and purification quantitatively, and spectrally and photochemically resembled the wildtype DrBPhy. Upon irradiation with red and far-red light (R and FR, resp.), LAPD was converted to the metastable photochemical states Pfr (far-red) and Pr (red), respectively. Fully activated LAPD catalized the hydrolysis of cGMP and cAMP with rates similar to wildtype HsPDE2A. LAPD degraded cGMP and cAMP with 6- and 4-fold increase of vmax under R, respectively, as compared to the dark state. The activity of R-adapted LAPD was reduced upon irradiation with FR. Enzymatic activity and light regulation of LAPD linker variants depended on the linker length. LAPD light-dependently degraded cGMP in a PDE reporter cell line. Endogenous BV concentrations were sufficient to saturate the light effect in the mammalian cell, which enables a true optogenetic approach.

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.

Der laterale Hypothalamus (LH) reguliert angeborene Verhaltensweisen. Ob und wie die Koordination von hypothalamischen Neuronengruppen Verhaltensübergänge reguliert, blieb jedoch unbekannt. In dieser Arbeit wurde Optogenetik mit neuronalen Ableitungen in verhaltenden Mäusen kombiniert. LHVgat Neurone erhöhten ihre Aktivitätsrate während Übergängen vom NREM-Schlaf zum Wachzustand. LHVgat Zellen projizieren zum Nucleus reticularis des Thalamus (RTN). Optogenetische Aktivierung von Vgat Ausgängen im RTN führte eine starke, frequenzabhängige Inhibierung von RTN Zellen herbei und replizierte Verhaltenszustands-abhängige Aktivitätsraten in RTN Neuronen. Ableitungen von LH Neuronen während Umgebungserkundung ergaben, dass 65% der LH Neurone ihre Aktivitätsrate erhöhten, wenn das Tier began sich fortzubewegen. 'Top-down’ Vorderhirn Innervation des LH erfolgt größtenteils durch Signale ausgehend vom lateralen Septums (LS). Während spontaner Umgebungserkundung und freiem Zugang zu Futter wiesen der LH und das LS Gamma-Oszillationen (30-90 Hz) auf, welche neuronale Aktivität innerhalb und zwischen diesen beiden Gehirnregionen synchronisierten. Optogenetische Stimulation von Somatostatin-positiven GABAergen Projektionen zum LH mit Gamma-Frequenz förderte die Nahrungssuche und erhöhte die Wahrscheinlichkeit des Betretens der Nahrungszone. Inhibitorische Signale des LS bewirkten eine Unterteilung der LH Neurone: entsprechend ihrer Aktivität im Bezug zur Nahrungsstelle wurden sie während bestimmter Phasen der Gamma-Oszillation aktiviert. Dabei führte optogenetische Stimulation von LS-LH Neuronen mit Gamma-Frequenz keine Veränderung bei der Nahrungsaufnahme selbst herbei. Insgesamt liefert diese Arbeit neue Einsichten über die Funktion der neuronalen Netzwerke des LH, welche durch Signalgebung mit unterschiedlichen Zeitskalen über die Koordination mit vor- und nachgeschalteten neuronalen Netzwerken Übergange zwischen verschiedenen angeborenen Verhaltensweisen regeln. / Lateral hypothalamus (LH) is crucial for regulation of innate behaviors. However, it remained unknown whether and how temporal coordination of hypothalamic neuronal populations regulates behavioral transitions. This work combined optogenetics with neuronal recordings in behaving mice. LHVgat cells were optogenetically identified. LHVgat neurons increased firing rates upon transitions from non-REM (NREM) sleep to wakefulness, and their optogenetic stimulation during NREM sleep induced a fast transition to wakefulness. LHVgat cells project to the reticular thalamic nucleus (RTN). Optogenetic activation of LHVgat terminals in the RTN exerted a strong frequency-dependent inhibition of RTN cells and replicated state-dependent changes in RTN neurons activity. Recordings of LH neurons during exploration revealed that 65% of LH neurons increased their activity upon the onset of locomotion. Top-down forebrain innervation of LH is provided, to a great extent, by inhibitory inputs from the lateral septum (LS). During spontaneous exploration in a free-feeding model, LS and LH displayed prominent gamma oscillations (30-90 Hz) which entrained neuronal activity within and across the two regions. Optogenetic gamma-frequency stimulation of somatostatin-positive GABAergic projections to LH facilitated food-seeking, and increased the probability of entering the food zone. LS inhibitory input enabled separate signaling by LH neurons according to their feeding-related activity, making them fire at distinct phases of the gamma oscillation. In contrast to increased food intake during optogenetic stimulation of LHVgat cells, food intake during gamma-rhythmic LS-LH stimulation was not changed. Overall this works provides new insight into the function of LH circuitry, that employs signalling at different time scales, which, in coordination with upstream and downstream circuits, regulates transitions between innate behaviors.

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.

The generation and application of human stem-cell-derived functional neural circuits promises novel insights into neurodegenerative diseases. These networks are often studied using stem-cell derived random neural networks in vitro, with electrical stimulation and recording using multielectrode arrays. However, the impulse response function of networks is best obtained with spatiotemporally well-defined stimuli, which electrical stimulation does not provide. Optogenetics allows for the functional control of genetically altered cells with light stimuli at high spatiotemporal resolution. Current optogenetic investigations of neural networks are often conducted using full field illumination, potentially masking important functional information. This can be avoided using holographically shaped illumination. In this article, we present a digital holographic illumination setup with a spatial resolution of about 8 µm, which suffices for the stimulation of single neurons, and offers a temporal resolution of less than 0.6 ms. With this setup, we present preliminary single-cell stimulation recording of stem-cell derived induced human neurons in a random neural network. This will offer the opportunity for further studies on connectivity in such networks.

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.

Mikrobielle Rhodopsine sind lichtsensitive Proteine, die von Mikroorganismen exprimiert werden um Licht wahrzunehmen oder dessen Energie zu nutzen. Ionen-transportierende mikrobielle Rhodopsine begründeten das Feld der Optogenetik. Hier erlauben sie transmembrane Ionenflüsse lichtsensitiv zu machen und neuronale Aktivität mit Licht zu steuern. Eine zielführende Nutzung beruht auf ihrer molekularen Charakterisierung, um sie dem Experiment anzupassen und es sinnvoll zu entwerfen. Teil I der Arbeit beschäftigt sich mit dem rotverschobenen Kanalrhodopsin ReaChR. Obwohl es mit breitem, nicht gaussförmigen Aktionsspektrum mit maximalen Strömen um 600 nm publiziert wurde, zeigte das Blitzlichtspektrum hier maximale Aktivität bei 535 nm ohne Besonderheiten. Mit steigender Intensität und längeren Pulsen verbreiterte sich das Spektrum; sehr ähnlich zum publizierten Spektrum. Dieses einzigartige Verhalten wird durch sekundäre Photochemie erklärt, welche zu einem komplexen Photozyklus mit lichtinduzierten Übergangen führt. Mutationen an Schlüsselpositionen wurden genutzt, um ReaChR über die publizierten Daten hinaus zu charakterisieren und neue Eigenschaften zu generieren. In Teil II wurde die auswärtsgerichtete Natriumpumpe KR2 elektrophysiologisch charakterisiert, was zuvor von schlechter Membranständigkeit in Säugetierzellen verhindert wurde. Ein verbessertes KR2 mit höherer Membranständigkeit und 60-fach größeren Photoströmen erlaubte Selektivitätsmessungen, welche zeigten, dass der Strom von Natriumionen getragen wird, wohingegen nichts auf Protonentransport hindeutete. Bei ausreichender Substratkonzentration war der Strom anders als bei Chlorid- oder Protonenpumpen von der Membranspannung unabhängig. Die Expression in Mausneuronen ermöglichte die reversible Unterdrückung von Aktionspotentialen mit Licht, wobei der Ausstrom von Kationen einen komplementären Weg zur neuronale Aktivitätsunterdrückung bietet, wenn etablierte Werkzeuge schlecht oder nicht funktionieren. / Microbial rhodopsins are photosensitive proteins utilized by fungi, algae, and prokaryotes to sense light or harness its' energy. Ion transporting microbial rhodopsins initiated the field of optogenetics, where they are applied to render transmembrane ion fluxes light sensitive and control neuronal activity with light. Part I of the thesis focused on the electrophysiological characterization of the red-shifted channelrhodopsin ReaChR. Although published with a broad, non-Gaussian shaped action spectrum peaking around 600 nm, the flash action spectra of ReaChR recorded here had a maximum at 535 nm without peculiarities. Increasing intensities and prolonging illumination broadened the spectrum, which finally peaked around 600 nm. This unique behavior stems from pronounced secondary photochemistry leading to a complex photocycle with various light-induced transitions especially under constant illumination. Mutations at key positions like the central gate, DC-pair or counter ions were employed to characterize the properties of ReaChR beyond published data and engineer new features. In part II an electrophysiological characterization of the outward Na+ pump KR2 was pursued, which was hindered by poor membrane targeting in mammalian cells before. Engineering of eKR2 improved membrane targeting and lead to 60-fold larger photocurrents than in the wild type. Selectivity measurements revealed that the stationary photocurrent is primarily carried by sodium with no evidence for proton transport. At sufficient substrate concentration stationary photocurrents were independent of the membrane voltage distinguishing eKR2 from proton and chloride pumps. Finally, eKR2 reliably and reversibly inhibited action potential firing already at 0.5 mW/mm2 green illumination in cultured hippocampal mouse neurons. Inhibiting action potential firing through cation extrusion poses a complementary way of neuronal silencing in contexts where established tools are unfavorable or even impossible to use.