Insight into the structure and mechanism of the reversible photoswitch of a fl uorescent protein

Schaltbare Proteine, die sich durch Be- strahlung mit sichtbarem Licht reversibel zwischen einem fluoreszierenden ‚Ein’- und einem nicht-fl uoreszierenden ‚Aus’- Zustand hin und herschalten lassen, sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Derzeit sind mit den Proteinen asFP595 und Dron- pa erst zwei Vertreter solcher reversibel schaltbaren fl uoreszierenden Proteine (RSFPs) beschrieben worden. Nichts- destotrotz verspricht diese neue Protein- klasse aufgrund ihrer einzigartigen Eigen- schaften bereits jetzt eine Vielzahl interes- santer Anwendungsmöglichkeiten. Das Protein asFP595, dessen Schalt- mechanismus wir in dieser Studie unter- sucht haben, kommt normalerweise in den Tentakelspitzen der Wachsrose Anemonia sulcata vor, einer Seeanemone, die in den lichtdurchfluteten Flachwasser- bereichen des Mittelmeers und des Nord- atlantiks lebt. asFP595 wird durch Be- leuchtung mit grünem Licht von einem nicht-fluoreszierenden ‚Aus’-Zustand in einen fluoreszierenden ‚Ein’-Zustand ver- setzt. Von diesem ‚Ein’-Zustand fällt es spontan in den ‚Aus’-Zustand zurück, kann aber auch durch Beleuchtung mit blauem Licht zurückgeschaltet werden. Dieses lichtgetriebene Schalten ist rever- sibel und viele Male wiederholbar. In einer gemeinsamen Studie dreier Abteilungen haben wir die molekulare Struktur von asFP595 bestimmt und wesentliche Teile des Schaltmechanismus aufgeklärt. Diese Untersuchungen haben gezeigt, dass nach der Absorption eines grünen Photons das asFP595-Chromophor von einer Trans- in eine Cis-Position isomerisiert. Molekular- dynamik-Rechnungen deuten an, dass das Chromophor bei dieser lichtinduzierten Reaktion eine ‚Hula-Twist’-Bewegung macht. Bei dieser Bewegung dreht sich in erster Linie die Methin-Brücke, wel- che die beiden aromatischen Ringe des Chromophors verknüpft. Tatsächlich ändert das Chromophor während des Hula-Twists seine Position lediglich um 3 x 10-10 Meter. Diese winzige Änderung reicht aus, um aus dem nicht-fluoreszierenden ein fluo- reszierendes Protein zu machen. Diese neuen Erkenntnisse über die Struktur und den Schaltmechanismus des Prote- ins sollten es zukünftig ermöglichen, mit Hilfe von gerichteten molekularbiologi- schen Ansätzen das Protein für weitere Anwendungen zu optimieren. Denkbare Einsatzbereiche eines solchen modifizier- ten asFP595 reichen von der höchstauf- lösenden Fluoreszenzmikroskopie bis hin zum Einsatz als Datenspeicher.