Mit Licht Leben verlängern?

Können wir tatsächlich die Energie des Lichts ernten, um das Leben zu verlängern? Die Verfasser einer aktuellen Studie beantworten diese Frage mit Ja. Allerdings beschränken sich ihre Untersuchungen bisher auf Fadenwürmer. Hier hat sich gezeigt, dass von Licht aktivierte Protonenpumpen tatsächlich die Lebensdauer der Würmer ausdehnen können.

Ansatzpunkt: Membranen der Mitochondrien

Die Überschrift der Studie hört sich ein bisschen nach Science Fiction an: „Die optogenetische Verjüngung des mitochondrialen Membranpotentials verlängert die Lebensdauer von C. elegans“. C. elegans ist die Abkürzung für Caenorhabditis elegans, eine Art von Fadenwürmern.

Sie haben eine Länge von 1 mm und eignen sich besonders gut als Modellorganismus für Studien der Entwicklungsbiologie und der Genetik. Die genau festgelegte Entwicklung ihrer Zellen ermöglicht es, Ergebnisse von Studien an diesen Würmern auf zahlreiche Wirbeltiere und auch den Menschen zu übertragen.

Peer Review steht noch aus

Bei der neuen Studie handelt es sich um die Veröffentlichung eines Preprints. Das bedeutet, die sogenannte Peer Review steht noch aus, die Begutachtung der Ergebnisse durch unabhängige Wissenschaftler des gleichen Fachgebiets.

Für die Untersuchungen konzentrierten sich die Wissenschaftler auf die Membranen der Mitochondrien. Fehlfunktionen der Mitochondrien, häufig Kraftwerke der Zellen genannt, werden seit langem mit Altersprozessen in Verbindung gebracht. Diese Organellen in Zellen vor dem Zerfall zu schützen, interessiert deshalb viele Forscher, die sich mit Langlebigkeit und Altern befassen.

Angriffspunkt: Membranpotential der Mitochondrien

Ein wichtiger Angriffspunkt für Untersuchungen ist die Abnahme des Membranpotentials der Mitochondrien. Das Membranpotential bezeichnet den Unterschied in der elektrischen Ladung zwischen den beiden Seiten der inneren Membran der Mitochondrien. Dieser Faktor ist essentiell für die Energieerzeugung der Zelle.

In der aktuellen Studie zeigen die Wissenschaftler, dass eine lichtaktivierte Protonenpumpe in den Mitochondrien von C. elegans genetisch manipuliert werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die Spannung der inneren Mitochondrienmembran auch aufrechtzuerhalten, wenn die Würmer altern – und so die Lebensdauer der Tiere zu verlängern.

Protonenpumpe bereits 2020 in Pilzen entdeckt

Die der aktuellen Studie zugrunde liegende Technologie wurde erstmals 2020 beschrieben. Der Mitochondrienforscher Andrew Wojtovich und seine Kollegen vom Medical Center der US-amerikanischen University of Rochester entdeckten damals zum ersten Mal die Auswirkungen einer Protonenpumpe auf die Mitochondrien.

Diese Pumpe kommt in der Natur in den Zellen eines Pilzes vor. Als sie die Pumpe in C. elegans einbauten, wurde das mitochondriale Membranpotential der Tiere erhöht. Das beschleunigte die Produktion von molekularem Treibstoff.

Energie ohne Glukose und Sauerstoff

Sie zeigten zudem, dass dieser Prozess weder Glukose noch Sauerstoff benötigt. Stattdessen nutzte die Pumpe Licht, um die Bewegung von Protonen durch die innere Membran anzutreiben und die Synthese von Adenosintriphosphat (ATP) voranzutreiben. Allerdings funktionierte dieses Werkzeug, Mitochondrien-ON (mtON) genannt, nur, wenn die Tiere mit Licht behandelt wurden. Außerdem benötigten sie ein Vitamin-A-Derivat namens all-trans-Retinal, das als Cofaktor für die Pumpe agiert.

Shahaf Peleg, Wissenschaftler am Forschungsinstitut für Nutztierbiologie in Dummerstorf, Deutschland, war erstaunt, als er diese Studie zum ersten Mal sah. Aufgrund der bekannten Zusammenhänge zwischen Mitochondrienfunktion und Alterung dachte der Altersforscher sofort an das lebensverlängernde Potenzial des Werkzeugs.

Zwei verschiedene Wurmstämme untersucht

Seine Kontaktaufnahme mit Wojtovich führte zu einer Zusammenarbeit an dem Projekt, dessen Ergebnisse jetzt veröffentlicht wurden. Mit zwei Gruppen von genetisch veränderten Wurmstämmen testeten sie, ob die Protonenpumpe tatsächlich das Leben verlängern kann.

Eine Gruppe erhielt die Protonenpumpe durch Injektion in die DNA der Mitochondrien. Bei der anderen Gruppe wurde die Protonenpumpe mit  CRISPR/Cas9 in die DNA integriert.

Wichtig: Licht, Protonenpumpe und Vitamin-A-Derivat

Im Rahmen der Untersuchungen fanden sie heraus, dass die Aktivierung von mtON mit All-Trans-Retinal-Ergänzung die Lebensdauer um 6 bis 38 Prozent verlängerte im Vergleich zu denselben gentechnisch veränderten Würmern, die kein All-Trans-Retinal erhielten. Die Belastung und die Lichtintensität führten zu unterschiedlichen Ergebnissen. Alle Experimente wurden in zwei verschiedenen Labors an der University of Washington durchgeführt.

„Sie haben sorgfältig darauf geachtet, die Verlängerung der Lebensdauer vor verschiedenen Hintergründen und in verschiedenen Labors zu replizieren“, sagte Studienautorin Marques da Cunhal. Das sei so nicht üblich, aber sinnvoll. Licht und All-Trans-Retinal alleine hatten ohne die Pumpe keinen Einfluss auf die Lebensdauer der Würmer.

Gesundheit der Würmer verbessert

Studienautor Brandon Berry fügte hinzu, dass ähnliche Experimente darauf hindeuten, dass „diese mitochondrialen optogenetischen Werkzeuge durch Membranpotential und nicht durch Off-Target-Effekte funktionieren“.

Zudem zeigte sich, dass der Eingriff die Gesundheit der Würmer nicht beeinträchtigte. Vorläufige Tests deuten darauf hin, dass die Behandlung die Gesundheit sogar verbessern kann. Die Protonenpumpe erhöhte unter anderem ihre Bewegungsfähigkeit.

Patent für Protonenpumpe angemeldet

Peleg, Wojtovoch und Berry haben bereits ein Patent für mtON angemeldet. Das Team testet die Protonenpumpe nun an weiteren Modellorganismen wie Fliegen und Mäusen, um zu beurteilen, ob mtON „über Würmer hinaus funktioniert“.

Wenn die Aufrechterhaltung des Membranpotentials tatsächlich genügt, um die Lebensdauer eines Organismus zu verlängern, könnte dieses Ergebnis auch auf den Menschen angewendet werden. Die Lösung dieses Problems könne Türen zu neuen Ansätzen für lebensverlängernde Maßnahmen öffnen.

Quelle:

Berry, Brandon & Vodičková, Anežka & Müller-Eigner, Annika & Meng, Chen & Ludwig, Christina & Kaeberlein, Matt & Peleg, Shahaf & Wojtovich, Andrew. (2022). Optogenetic rejuvenation of mitochondrial membrane potential extends C. elegans lifespan. 10.1101/2022.05.11.491574. (https://www.researchgate.net/publication/360742398_Optogenetic_rejuvenation_of_mitochondrial_membrane_potential_extends_C_elegans_lifespan)

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