Dissertations / Theses on the topic 'Channelrhodopsin'
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Berndt, André. "Mechanismus und anwendungsbezogene Optimierung von Channelrhodopsin-2." Doctoral thesis, Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I, 2011. http://dx.doi.org/10.18452/16350.
Full textChannelrhodopsin-2 is a light-activated cation channel which has become a very useful tool in neurophysiology, since it allows the noninvasive control of neural activity. Some of the basic features of this channel are known from previous studies, but the molecular mechanisms of ion translocation and activation are largely unknown. The aim of my thesis is to elucidate the function of single amino acids by mutational studies. I replaced potentially important residues and probed the constructs by electrophysiological measurements under various conditions. Additionally, I fitted the experimental data to several mathematical models in order to explain changes in ion permeabilities and channel kinetics and I assigned particular functions to the mutated residues. Apparently, H134 and E90 are key positions for the proton transportation. Mutations at E235 and D253 also strongly influence ion translocation, whereas C128 and D156 obviously control the channel opening. Moreover, I found that E123 is a key element for the channel activation which controls the transitions between conducting and non-conducting states of Channelrhodopsin-2. The genetically modified Channelrhodopsin-2-variants provide several favorable features, such as, a slower or faster channel opening and closing or an optimized expression. Therefore, we tested the potential of promising constructs for applications in collaboration with neurophysiology laboratories. Finally, we introduced three new tools. First, step-function opsins induce a sustained membrane depolarization which sensitizes neurons to native synaptic inputs. Second, the ChETA variant allows the temporally precise generation of action potentials even at high stimulation frequencies. Third, T159C and E123T/T159C provide large photocurrents and optimized kinetics resulting in an improved performance in the noninvasive control of neural activity. In summary, this significantly broadens the range of application for channelrhodopsin-2.
Krause, Nils [Verfasser]. "Structural rearrangements upon opening of Channelrhodopsin-2 / Nils Krause." Berlin : Freie Universität Berlin, 2016. http://d-nb.info/1106250842/34.
Full textScott, Nadia Aleyna. "Optical probing of hemodynamic responses in vivo with channelrhodopsin-2." Thesis, University of British Columbia, 2011. http://hdl.handle.net/2429/36449.
Full textResler, Tom [Verfasser]. "Time-Resolved Analysis of Protonation Dynamics in Channelrhodopsin-2 / Tom Resler." Berlin : Freie Universität Berlin, 2017. http://d-nb.info/1135969256/34.
Full textShen, Yi-Chung. "Development of Red-Shifted Channelrhodopsin Variants Having Chemically Modified Retinylidene Chromophore." Kyoto University, 2019. http://hdl.handle.net/2433/242648.
Full textGökce, Onur. "Channelrhodopsin assisted synapse identity mapping reveals clustering of layer 5 intralaminar inputs." Diss., Ludwig-Maximilians-Universität München, 2014. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:19-179689.
Full textWhitaker, Jessica Rae. "LIGHT-ACTIVATION OF CHANNELRHODOPSIN-2 EXPRESSED IN HINDLIMB MUSCLE OF LIVING CHICK EMBRYOS." OpenSIUC, 2016. https://opensiuc.lib.siu.edu/theses/1997.
Full textRichards, Ryan. "Molecular and structural determinants that contribute to channel function and gating in channelrhodopsin-2." Digital WPI, 2016. https://digitalcommons.wpi.edu/etd-dissertations/481.
Full textThompson, Mark David, and Mark David Thompson. "Channelrhodopsin-1: Cellular Localization and Role in Eyespot Assembly and Placement in Chlamydomonas reinhardtii." Diss., The University of Arizona, 2016. http://hdl.handle.net/10150/620817.
Full textEngelhard, Christopher [Verfasser]. "Correlating Structure and Function: An EPR Study on Cryptochromes, LOV Proteins and Channelrhodopsin / Christopher Engelhard." Berlin : Freie Universität Berlin, 2016. http://d-nb.info/1100388524/34.
Full textBerndt, André Verfasser], Peter [Akademischer Betreuer] [Hegemann, Franz [Akademischer Betreuer] Bartl, and Thomas [Akademischer Betreuer] Friedrich. "Mechanismus und anwendungsbezogene Optimierung von Channelrhodopsin-2 / André Berndt. Gutachter: Peter Hegemann ; Franz Bartl ; Thomas Friedrich." Berlin : Humboldt Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I, 2011. http://d-nb.info/1015129943/34.
Full textVenkatachalam, Veena. "Engineering microbial rhodopsins to expand the optogenetic toolkit." Thesis, Harvard University, 2014. http://nrs.harvard.edu/urn-3:HUL.InstRepos:13070063.
Full textWietek, Jonas. "Anion Conducting Channelrhodopsins." Doctoral thesis, Humboldt-Universität zu Berlin, 2018. http://dx.doi.org/10.18452/19325.
Full textFor 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.
Gökce, Onur [Verfasser], and Volker [Akademischer Betreuer] Scheuss. "Channelrhodopsin assisted synapse identity mapping reveals clustering of layer 5 intralaminar inputs / Onur Gökce. Betreuer: Volker Scheuss." München : Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität, 2014. http://d-nb.info/1067752498/34.
Full textGuo, Yanan [Verfasser], and M. [Akademischer Betreuer] Elstner. "Theoretical Investigation of Kainate Receptor GluK2 and Channelrhodopsin-2: Structure and Mechanism / Yanan Guo ; Betreuer: M. Elstner." Karlsruhe : KIT-Bibliothek, 2017. http://d-nb.info/1126036862/34.
Full textEisenhauer, Kirstin Diana [Verfasser], Klaus [Gutachter] Gerwert, and Christian [Gutachter] Herrmann. "MD-Simulationen zur Aufklärung des molekularen Reaktionsmechanismus von Channelrhodopsin-2 / Kirstin Diana Eisenhauer. Gutachter: Klaus Gerwert ; Christian Herrmann." Bochum : Ruhr-Universität Bochum, 2016. http://d-nb.info/1112326693/34.
Full textKastanenka, Ksenia V. "IN VIVO ACTIVATION OF CHANNELRHODOPSIN-2 USED TO DETERMINE THE ROLE OF SPONTANEOUS NEURAL ACTIVITY IN AXONAL GUIDANCE." Case Western Reserve University School of Graduate Studies / OhioLINK, 2011. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=case1307741269.
Full textEisenhauer, Kirstin [Verfasser], Klaus [Gutachter] Gerwert, and Christian [Gutachter] Herrmann. "MD-Simulationen zur Aufklärung des molekularen Reaktionsmechanismus von Channelrhodopsin-2 / Kirstin Diana Eisenhauer. Gutachter: Klaus Gerwert ; Christian Herrmann." Bochum : Ruhr-Universität Bochum, 2016. http://d-nb.info/1112326693/34.
Full textDokukina, Irina [Verfasser], Oliver [Gutachter] Weingart, and Christel M. [Gutachter] Marian. "Spectroscopic and dynamic properties of electronically excited retinal in C1C2 channelrhodopsin / Irina Dokukina ; Gutachter: Oliver Weingart, Christel M. Marian." Düsseldorf : Universitäts- und Landesbibliothek der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, 2018. http://d-nb.info/1171519087/34.
Full textKuhne, Jens [Verfasser], Klaus [Gutachter] Gerwert, and Eckhard [Gutachter] Hofmann. "Schwingungsspektroskopische Untersuchungen an Channelrhodopsin-2 mithilfe von zeitaufgelöster FTIR- und Raman-Spektroskopie / Jens Kuhne. Gutachter: Klaus Gerwert ; Eckhard Hofmann." Bochum : Ruhr-Universität Bochum, 2016. http://d-nb.info/1109051492/34.
Full textUllrich, Sybille Verfasser], Georg [Gutachter] [Nagel, and Hermann [Gutachter] Koepsell. "Biochemische und biophysikalische Analyse der strukturellen Integrität von Channelrhodopsin 2 und dessen Mutanten / Sybille Ullrich. Gutachter: Georg Nagel ; Hermann Koepsell." Würzburg : Universität Würzburg, 2013. http://d-nb.info/1112040064/34.
Full textUllrich, Sybille [Verfasser], Georg [Gutachter] Nagel, and Hermann [Gutachter] Koepsell. "Biochemische und biophysikalische Analyse der strukturellen Integrität von Channelrhodopsin 2 und dessen Mutanten / Sybille Ullrich. Gutachter: Georg Nagel ; Hermann Koepsell." Würzburg : Universität Würzburg, 2013. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-92006.
Full textOppermann, Johannes. "Characterization of metagenomically identified channelrhodopsins." Doctoral thesis, Humboldt-Universität zu Berlin, 2021. http://dx.doi.org/10.18452/22679.
Full textChannelrhodopsins (ChRs) are light-gated ion channels mediating phototactic responses in motile algae and widely used as optogenetic tools to manipulate cellular activity using light. Many cation- and anion-conducting ChRs (CCRs and ACRs) have been identified from culturable chlorophyte and cryptophyte species. However, most microbial organisms cannot be cultured, resulting in an incomplete view of the diversity of ChRs. Metagenomics opens the door to gather insights on the distribution of ChRs in uncultured organisms. Here, the biophysical characterization of two groups of metagenomically identified ChRs is described. The MerMAIDs (Metagenomically discovered marine, anion-conducting, and intensely desensitizing ChRs) represent a new ChR family with near-complete photocurrent desensitization under continuous illumination. The photocurrents can be explained by a single photocycle leading to the accumulation of a long-lived and non-conducting photointermediate. A conserved cysteine is critical for this phenomenon, as its substitution results in a strongly reduced desensitization. The prasinophyte ChRs, harboring large carboxy-terminal extensions, were identified in marine giant viruses that acquired them from their motile and unicellular green algal hosts via lateral gene transfer. Expressed in cell culture, the viral ChRs are only functional upon the addition of trafficking sequences and carboxy-terminal truncation. The green algal and viral ChRs are anion-conducting and display non-desensitizing photocurrents when expressed in mammalian cells, though the viral representatives are less conductive and cytotoxic. Nonetheless, this group of ChRs represents the first green algal and viral ACRs. This thesis highlights a broad distribution of ACRs among marine microbial organisms and the importance of functional metagenomics in discovering new ChRs.
Greotti, Elisa. "Development of new tools to explore organelle calcium dynamics in vivo: a new fret-based calcium sensor and a mitochondria targeted channelrhodopsin." Doctoral thesis, Università degli studi di Padova, 2015. http://hdl.handle.net/11577/3424766.
Full textLa prima parte di questa tesi si propone di sviluppare nuovi strumenti per esplorare l'omeostasi del calcio (Ca2+) mitocondriale in vivo, migliorando la sonda Cameleon indirizzata ai mitocondri, già presente in laboratorio, e creando un canale regolato dalla luce (Channelrhodopsin) indirizzato a sua volta ai mitocondri. Gli indicatori per il Ca2+ geneticamente codificati (Genetically encoded calcium indicators, GECIs), consentono di eseguire misure quantitative di Ca2+ in diversi modelli sperimentali. Segnali di indirizzamento a specifici organelli possono essere fusi con la sequenza codificante i GECIs, consentendo di misurare variazioni della concentrazione di Ca2+ in diversi compartimenti subcellulari. Inoltre, le sequenze codificanti i GECIs possono essere poste sotto il controllo di promotori tessuto-specifici o inducibili, consentendo così il controllo spaziale e temporale della loro espressione. Diversi tipi di GECIs sono stati creati: nel nostro laboratorio usiamo una classe di sensori Ca2+ basati su FRET, chiamati Cameleon. La microscopia FRET (trasferimento di energia di risonanza Förster) si basa sul trasferimento diretto di energia da una proteina fluorescente (FP), detta donatore, a un'altra FP, detta accettore, in una cellula vivente. Strutturalmente, la sonda Cameleon, è composta da due elementi responsivi per il Ca2+, che modificano l'efficienza di FRET tra le due FPs. All'interno di questa sonda sono infatti presenti due FPs: una proteina fluorescente di colore ciano (CFP), il donatore, e una proteina fluorescente gialla (cpV), l'accettore. I due elementi che rispondono a variazioni di Ca2+ sono la Calmodulina (CaM) e il dominio di legame della calmodulina (M13) della chinasi della catena leggera della miosina. Come anticipato, lo scopo del mio studio è lo sviluppo di sensori molecolari e di nuove metodologie per esprimere le sonde in vivo al fine di esplorare le dinamiche di Ca2+ di particolari organelli in vivo (in particolare nel cervello e nel cuore). Un limite delle sonde Cameleon, particolarmente critico per le applicazioni in vivo, è il basso grado di fluorescenza della CFP, che causa un basso rapporto segnale-rumore ed è caratterizzato da un tempo di vita multi-esponenziale, che indica la presenza di percorsi multipli di decadimento dallo stato eccitato. Recentemente è stata sviluppata una FP più luminosa e più stabile, rispetto alla CFP: mCerulean3. Quest'ultima ha elevata resa quantica di fluorescenza e alta fotostabilità, rendendo questa proteina un buon candidato alla sostituzione del donatore originale nelle sonde Cameleon. Per questo motivo, la CFP è stata sostituita con mCerulean3 in due differenti sonde Cameleon: la sonda citosolica D3cpv e la sonda mitocondriale 4mtD3cpv. Le nuove sonde sono state testate in diversi tipi cellulari: HeLa, cardiomiociti di ratto neonato e neuroni da topi neonati. Sono quindi stati misurati in situ vari parametri indicativi della qualità delle nuove sonde create, quali la luminosità, la fotostabilità, la sensibilità al pH e la costante di dissociazione (Kd), mostrando un netto miglioramento della luminosità e fotostabilità, rispetto alle sonde Cameleon originali. L'unico inconveniente delle nuove sonde è una riduzione del range dinamico, di circa il 20-30%, un parametro molto importante che rende conto della massima variazione del rapporto di fluorescenza emessa alle due lunghezze d'onda in seguito a variazioni di Ca2+. Al fine di sopperire a tale svantaggio, sono stati utilizzati diversi approcci, tra cui l'aggiunta di una sequenza di 16 glicine tra i due elementi responsivi al Ca2+ che ha consentito di recuperare il range dinamico della sonda mitocondriale e di aumentare del 20% quello della sonda citosolica, senza modificare i miglioramenti prima descritti, ottenuti con la semplice sostituzione del donatore. Parallelamente, poiché era stata osservata una scarsa localizzazione mitocondriale a 24 ore dalla trasfezione del 4mtD3cpV, anche la sequenza di indirizzamento è stata modificata (allungando ciascuna delle sequenze originali di 5 minoacidi), diminuendo notevolmente la quantità di sonda espressa erroneamente nel citosol. Come anticipato, l'effetto del pH è stato valutato, evidenziando una stabilità generale delle varie delle sonde tra pH 7 e pH 9. Infine, sono state calcolate le costanti di affinità delle varie sonde mitocondriali. Una doppia affinità per il Ca2+ è stata rilevata: la sonda 4mtD3cpV ha una Kd di 0.06 µM e una di 10.84 µM, mentre la sonda 4mtD3mCerulean3+16 ha una Kd di 0.03 µM e una di 10.7 µM. Per caratterizzare meglio le nuove sonde Cameleon, citosolica e mitocondriale, esse sono state prodotte in E.Coli e purificate per misurare anche in vitro tutti i parametri sopra descritti. Ad oggi sono stati ottenui solo dati preliminari che evidenziano una riduzione del range dinamico passando dall’ambiente citosolico (DR=3) a quello mitocodnriale (DR=2.5). Per quanto riguarda l’affinità per il Ca2+, solo poche concentrazioni di questo ione sono state testate, dando come risultato una Kd singola sia per la sonda mitocondriale che per quella citosolica. Tale dato dovrà essere confermato da ulteriori esperimenti. Tipicamente, le variazioni di Ca2+ rilevate da sonde basate su FRET vengono effettuate utilizzando metodi basati sull'intensità delle due proteine fluorescenti, tuttavia tecniche alternative basate sul tempo di vita della proteina sembrano dare risultati più accurati e robusti. Stiamo perciò iniziando a valutare biofisicamente le sonde Cameleon utilizzando la tecnica FLIM, tecnica che misura quanto tempo una molecola fluorescente resta nello stato eccitato. Il FLIM presenta diversi vantaggi in quanto è totalmente indipendente da fenomeni come il photobleaching, i diversi livelli di espressione, i cambi di fuoco. I dati prelimianri raccolti eveidenziano la presenza di fenomeni di homo-FRET nelle sonde testate, fenomeni che sembrano tuttavia essere meno evidenti nelle sonde in cui la CFP è stata sostituita da mCerulean3. Infine, per esprimere questi due nuove sonde in vivo stiamo applicando tre strategie: i) la creazione di un virus adeno-associato (sierotipo 9) con tropismo cardiaco; ii) la generazione di un altro virus adeno-associato (sierotipo 9) dotato di un promotore neurone specifico (sinapsina) per l'iniezione intracranica; iii) la creazione di topi transgenici. Queste strategie ci permetteranno di effettuare misurazioni in vivo di Ca2+ in diversi tessuti e compartimenti subcellulari. Recentemente, la generazione di un AAV9 per l'espressione del D3mCerulean3 e 4mD3mCerulean3 sotto il controllo di un promotore ubiquitario (CMV) ci ha consentito di osservare un buon livello di espressione nel cuore, iniettando il virus per via intraperitoneale in topi neonati. In conclusione, i risultati finora ottenuti rendono le nuove sonde Cameleon, basate su mCerulean3, una scelta interessante per gli esperimenti in vivo. Come anticipato, al fine di studiare il ruolo dei mitocondri in situ e in vivo, abbiamo anche approfittato di uno strumento optogenetico, le Channelrhodopsine (ChRs), canali appartenente alla famiglia delle opsine. I ChRs sono l'unico tipo di canali ionici, direttamente controllati dalla luce, in grado di indurre depolarizzazione della membrana plasmatica, se opportunamente illuminati. Per l'attivazione, le opsine richiedono il legame con un cofattore organico della vitamina A, chiamato retinale. In collaborazione con il gruppo del Prof. Sekler (Ben-Gurion University-Israel), abbiamo fuso una variante del classico ChR2, detta SSFO (Step stabilized function Opsin), con una sequenza di localizzazione mitocondriale, al fine di creare una canale controllato dalla luce in grado di depolarizzare i mitocondri in modo reversibile (4mt-SSFO). Infatti, le SSFOs sono varianti di ChR in grado di aprirsi, se eccitate con luce blu, e di chiudersi, dopo circa 30 minuti dall'attivazione. É possibile tuttavia accelerare la chiusura del canale utilizzando della luce rossa. Per creare un controllo non funzionante di questo 4mt-SSFO, è stata creata una forma tronca di ChR2(TR) mancante del sito legante il retinale. La localizzazione di SSFO alla membrana mitocondriale interna (IMM) è stato ottenuta fondendo al N-terminale del ChR quattro sequenze di indirizzamento mitocondriale derivate da quella presente nella subunità VIII della citocromo C ossidasi umana. Per verificare la corretta topologia della sonda, sono stati effettuati esperimenti in microscopia confocale, di elettrofisiologia e di fluorescenza sfruttando la variante del 4mtSSFO fusa ad una YFP. Utilizzando vari “quenchers” di fluorescenza e diverse proteasi (Trypan Blue, Proteinase K, Alamethicin) abbiamo dimostrato che il nuovo canale localizza correttamente in IMM con il C-terminale protetto nella matrice mitocondriale. Il secondo passo è stata la verifica della funzionalità dei nuovi costrutti 4mtSSFO-YFP in situ, verificando la loro capacità di modificare il potenziale di membrana mitocondriale in risposta alla luce. Confermata la funzionalità, abbiamo poi analizzato più in dettaglio l'effetto della depolarizzazione mitocondriale sulla capacità del mitocondrio di regolare l'ingresso di Ca2+, utilizzando due sonde geneticamente codificate, il 4mtD3cpv e l'aequorina indirizzata ai mitocondri. Entrambi gli approcci dimostrano che la depolarizzazione dei mitocondri, innescata dalla fotoattivazione del canale, induce, come atteso, una significativa riduzione dell’entrata del Ca2+ all'interno del mitocondrio. L'ingresso di Ca2+ in questo organello è stato indotto stimolando cellule HeLa con un agonista producente IP3. Concludendo, i dati ottenuti sino ad ora confermano la generazione di uno strumento molecolare in grado di modulare l'attività dei mitocondri con precisione temporale e in modo reversibile (almeno in linea di principio) e specifico, offrendo così un nuovo approccio per determinare quantitativamente il ruolo mitocondriale in una grande varietà di processi cellulari critici. Nella seconda parte della mia tesi, mi sono concentrata sullo studio del ruolo delle Preseniline nell'alterazione dell'omeostasi del Ca2+ nella malattia di Alzheimer (AD), utilizzando un approccio a singola cellula e concentrandomi sul ruolo delle mutazioni presenti in Presenilina 1 e Presenilina 2 correlate ad AD nella regolazione dell'ingresso capacitativo di calcio (CCE). AD è la forma più frequente di demenza. Una piccola percentuale di casi è ereditaria (Familial AD, FAD) ed è dovuta a mutazioni dominanti in tre geni, che codificano per la proteina precursore dell'amiloide (APP), Presenilina-1 (PS1) e presenilina-2 (PS2). Mutazioni in questi geni provocano alterazioni nel taglio di APP mediato da un enzima, detto complesso y-secretasico, che annovera tra i suoi componenti PS1 e PS2, e che è in grado di causare un aumento del rapporto tra Abeta42 e Abeta40, i due peptidi derivati dalla maturazione di APP. La generazione di tali peptidi, a sua volta, aumenterebbe la deposizione di placche amiloidi, una delle caratteristiche istopatologiche principali dell'AD. Ad oggi, la generazione dei peptidi Abeta42, dei suoi oligomeri e delle placche amiloidi, costituisce il cuore dell’ipotesi patogenetica più accreditata per AD, “l'ipotesi della cascata amiloide". PS1 e PS2 sono proteine omologhe e ubiquitarie formate da 9 domini trans-membrana. Esse sono localizzate prevalentemente nelle membrane interne di reticolo endoplasmatico (ER), apparato di Golgi, endosomi e nella membrana plasmatica (PM). Pur essendo il nucleo catalizzatore della y-secretasi, le PSs svolgono anche ruoli indipendenti dall'attività di questo enzima, tra cui la regolazione dell'omeostasi del Ca2+. Quest'ultimo fenomeno infatti risulta variamente alterato in presenza di mutazioni FAD nelle PSs. Il Ca2+ è un secondo messaggero intracellulare chiave nelle cellule viventi e regola una moltitudine di funzioni cellulari, pertanto alterazioni nelle sue vie di segnale possono essere dannose per il destino della cellula. Alterazioni nell'omeostasi del Ca2+ sono state proposte come meccanismo causale per diverse malattie neurodegenerative e in particolare per l'AD. Sebbene supportata da diversi lavori, l'ipotesi del Ca2+ per la patogenesi dell'AD è stata a lungo messa in discussione, a causa dello scarso consenso della comunità scientifica sull'effetto di mutazioni in PSs nella regolazione di questo ione. Uno dei meccanismi che sembra essere modulato da diverse mutazioni FAD associate a PSs, è il cosiddetto CCE, o Store Operated Calcium Entry (SOCE). Il CCE è il meccanismo responsabile dell'influsso di Ca2+ all'interno della cellula in risposta allo svuotamento dell'ER. Le molecole chiave responsabili del CCE sono state identificate solo di recente: STIM e Orai. Brevemente, Orai1 forma i canali situati in PM, mentre STIM1 è la proteina che "sente" la [Ca2+] nel lume dell'ER. Quando l'ER si svuota, STIM1 cambia la sua distribuzione diffusa, oligomerizza in punte (puncta) discrete che, a questo punto, sono in grado di interagire con Orai1 a livello della PM. Utilizzando una sonda citosolica Cameleon (D3cpV), ho valutato le variazione di CCE in cellule SH-SY5Y sovra-esprimenti PSs e in fibroblasti derivati da pazienti FAD o da controlli sani. In particolare, le mutazioni FAD, PS1-A246 e PS2-T122R (in sovra-espressione) e PS1-A246 e PS2-N141I (in fibroblasti) causano una diminuzione del CCE, sia della sua entità che della sua velocità di attivazione. Questo fenomeno può essere spiegato da un diminuito livello di STIM1 nei campioni FAD rispetto ai controlli, mentre non è stato possibile valutare i livelli proteici di Orai, poiché non è disponibile un anticorpo abbastanza specifico. Negli esperimenti di sovra-espressione, anche la forma wild type di PS1 e PS2 causa una diminuzione del CCE, fenomeno probabilmente dovuto all'accumulo della forma lunga (non tagliata) delle PSs, forma che sembra essere responsabile degli effetti mediati dalle PSs sull'omeostasi del Ca2+
Real, Esteban. "Models of Visual Processing by the Retina." Thesis, Harvard University, 2012. http://dissertations.umi.com/gsas.harvard:10210.
Full textPhysics
Reyer, Antonella [Verfasser], Dirk [Gutachter] Becker, and Susanne [Gutachter] Berger. "Charakterisierung des Channelrhodopsin-2 aus Chlamydomonas reinhardtii als nicht-invasives, optogenetisches Werkzeug zur funktionellen Analyse elektrischer Signale in Pflanzen / Antonella Reyer ; Gutachter: Dirk Becker, Susanne Berger." Würzburg : Universität Würzburg, 2020. http://d-nb.info/1223851338/34.
Full textStirman, Jeffrey Neil. "Automated microfluidic screening and patterned illumination for investigations in Caenorhabditis elegans neuroscience." Diss., Georgia Institute of Technology, 2011. http://hdl.handle.net/1853/47733.
Full textNorman, Olivia Rose. "Optogenetic Tools for In-Vitro Neurophysiology." University of Toledo / OhioLINK, 2014. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=toledo1408643520.
Full textDa, Broi Francesca. "Fret imaging and optogenetics shed light on neurocardiac regulation in vitro and in vivo." Doctoral thesis, Università degli studi di Padova, 2013. http://hdl.handle.net/11577/3423407.
Full textIl cuore è densamente innervato dai neuroni del sistema nervoso simpatico che regolano la funzionalità cardiaca attraverso un effetto cronotropo o inotropo positivi. Durante lo stress o l’esercizio, la noradrenalina rilasciata dai neuroni attiva i β recettori cardiaci sia sul sistema di conduzione che sul muscolo contrattile. L’aumento dell’attività del sistema nervoso simpatico cardiaco sia in condizioni normali o in presenza di patologie genetiche, come per esempio la Tachicardia Catecolaminergica Polimorfica Ventricolare, porta ad aritmie presumibilmente attraverso l’insorgere di ‘DADs’. Le ‘DADs’ sono un focus di aritmia che porta a una serie di depolarizzazioni che interessano un piccolo gruppo di cellule cardiache. E’ stato identificato un rilascio di catecolamine non bilanciato in diverese regioni del cuore da parte del sistema nervoso simpatico come possibile causa di aritmia. Inoltre alterazioni del ‘reuptake’ di noradrenalina porta a una concentrazione anomala di NE nello scompenso cardiaco che può essere coinvolto in un evento aritmico. Questi dati supportano un modello in cui il controllo della funzionalità cardiaca da parte del sistema nervoso simpatico avviene attraverso un sito d’interazione diretta e specializzata fra neurone e cardiomiocita accoppiato. Gli scopi del progetto sono quindi: 1. Studiare se l’interazione fra neurone e cardiomiocita ha un ruolo nella trasmissione cardiaca del segnale, per capire come un’attività non bilanciata del sistema nervoso simpatico porta a un evento aritmico. 2. Capire se l’attività non bilanciata del sistema nervoso simpatico modulando l’attività di un piccolo gruppo di cellule cardiache, possa essere coinvolto nella generazione di un’aritmia in vivo. Per verificare quest’ipotesi ci serviremo di un approccio innovativo basato su proteine foto attivabili 3. Studiare in vivo e in maniera non invasiva la massa critica di cellule cardiache necessaria per scatenare un evento aritmico. Anche per questo tipo di studio abbiamo utilizzato una metodologia basata sull’optogenetica. Nella prima parte del progetto, abbiamo creato un modello in vitro costituito da cardiomiociti neonatali e neuroni isolati dal ganglio cervicale superiore. I neuroni in seguito a trattamento con NGF sviluppano assoni che stabiliscono contatti con i cardiomiociti. Sotto terminali che sono in contatto con le cellule cardiache si osserva un maggiore accumulo di β1 recettori [3]. Abbiamo misurato l’attivazione dei β recettori monitorando in tempo reale le variazioni di AMP ciclico e attività di PKA, attraverso l’uso di sensori geneticamente codificati e che si basano sul FRET (EPAC1-camps, che ci permette di monitorare cAMP e AKAR3 che ci permette di monitorare l’attività di PKA). I neuroni del SNS sono stati stimolati con KCl o bradichinina. Abbiamo osservato che stimolando il rilascio di noradrenalina da un neurone, l’AMP ciclico e l’attività di PKA aumentano solo nei cardiomiociti accoppiati a neurone e non nei cardiomiociti senza un contatto (ΔR/R0 = 0.056 ± 0.01 mean ± SEM, n = 8, AKAR3 ΔR/R0=5.3% ± 1.5%, mean ± SEM, n=6). Per stimare la [NE] che agisce sui β recettori nel sito di contatto abbiamo paragonato l’ampiezza del segnale FRET generato dall’attivazione neuronale (ΔR/R0= 0.026 ± SEM) con quello generato da diverse [NE] note aggiunte alla soluzione in cui si trovano le cellule. Abbiamo osservato che l’aumento del rapporto CFP/YFP ottenuto dalla noradrenalina rilasciata dai neuroni e paragonabile a quello ottenuto con 3.5e-10 M di noradrenalina che attiva tutti i recettori. Usando un antagonista competitivo dei β recettori (propranololo) abbiamo determinato la concentrazione di noradrenalina nel cleft sinaptico. La concentrazione di propranolol necessaria per abolire totalmente la risposta indotta dalla noradrenalina rilasciata dai neuroni, e pari a quella necessaria per bloccare la risposta indotta da 100 nM di noradrenalina, suggerendo che la concentrazione nel cleft sinaptico è dell’ordine di 100 nM. Sulla base di questi dati abbiamo quindi calcolato che la frazione recettoriale con cui interagisce la noradrenalina rilasciata dai neuroni che è inferiore all’1% del totale. 1.Nella seconda parte del progetto abbiamo usato una strategia che si basa sull’‘optogenetica’ per modulare l’attività del sistema nervoso simpatico in vivo e in maniera non invasiva. ChR2 è un canale la cui permeabilità è regolata dalla luce. Infatti questo canale diventa permeabile soprattutto al Na+ in seguito a stimolazione con luce blu. Negli ultimi anni è stato largamente utilizzato per il controllo dell’attività neuronale sia in vitro che in vivo [4, 5]. Abbiamo generato un modello murino che esprime ChR2 nei neuroni del sistema nervoso simpatico sotto il promotore tirosina idrossilasi. La foto stimolazione del ganglio stellato è stata ottenuta in un modello a ‘torace aperto’ di topo anestetizzato, usando una fibra ottica per indirizzare in uno specifico punto la luce generata da un LED. L’analisi dell’ECG del topo mostra un rapido (100-150 ms) aumento (40%±6%) nella frequenza di contrazione cardiaca in seguito a ‘fotostimolazione’ del ganglio stellato. Questo rapido aumento nella frequenza cardiaca supporta il modello in cui la noradrenalina agisce in uno spazio piccolo e confinato in cui neurone e cardiomiocita interagisccono direttamente. 3. Abbiamo usato ChR2 anche per modulare l’elettrofisiologia cardiaca. Abbiamo determinato che la fotostimolazione di ChR2 è sufficiente a modulare il potenziale d’azione in cardiomiociti neonatali in cultura. Inoltre a seconda di quando viene dato il pulso di luce siamo in grado di generare un battito normale, una DAD o una EAD. Abbiamo quindi generato un modello di topo che esprima ChR2 nel cuore sotto il promotore α-MHC. Abbiamo controllato tramite stimolazione luminosa il potenziale d’azione di cellule cardiache utilizzando fibre ottiche alimentate da LED, durante l’acquisizione dell’ECG del topo. La stimolazione è stata eseguita in diverse regioni del cuore. La stimolazione atriale ci ha permesso di mimare un pacing atriale sfociato poi una tachicardia. Abbiamo osservato che il QRS non ha variazioni rispetto al normale, indicando che l’onda di depolarizzazione segue il sistema di conduzione cardiaco. La foto attivazione ventricolare invece genera un battito prematuro dato che non segue il sistema di conduzione. Abbiamo qui dimostrato l’esistenza di un contatto sinaptico fra i neuroni e i cardiomiociti che forma un sito a elevata concentrazione di neurotrasmettitore, uno spazio a diffusione limitata permettendo quindi l’attivazione di un ristretto gruppo di recettori β localizzati nella membrana della cellula cardiaca. La stimolazione neuronale genera un rapido aumento nella frequenza cardiaca avvalorando l’ipotesi dell’esistenza di un contatto sinaptico fra neuroni e cardiomiociti. Questa interazione è importante per un controllo rapido del segnale locale dei cardiomiociti, suggerendo che i neuroni controllino un gruppo ristretto di cellule cardiache. La stimolazione di una frazione di cardiomiociti è sufficiente a indurre un battito condotto in tutto il cuore
Oppermann, Johannes [Verfasser]. "Characterization of metagenomically identified channelrhodopsins / Johannes Oppermann." Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2021. http://d-nb.info/1231791969/34.
Full textSchneider, Franziska. "Design and electrophysiological characterization of rhodopsin-based optogenetic tools." Doctoral thesis, Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I, 2014. http://dx.doi.org/10.18452/16959.
Full textChannelrhodopsins (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.
Kaufmann, Joel Christoph David. "FTIR spectroscopic study on the photocycle mechanism of Channelrhodopsins." Doctoral thesis, Humboldt-Universität zu Berlin, 2020. http://dx.doi.org/10.18452/20933.
Full textChannelrhodopsins (ChRs) are light-gated ion channels found in single-cell algae and used in optogenetics. Photon absorption leads to isomerization of the retinal cofactor, initiating a number of reactions that are referred to as photocycle and involve formation of the ion-conducting state. In this thesis, the photocycle mechanism of selected ChRs was investigated using FTIR (Fourier Transform Infrared) and UV-Vis spectroscopy, as well as retinal extraction and subsequent HPLC (High Performance Liquid Chromatography) analysis. Photoreceptors are optimized to use photon energy to drive conformational changes of the protein. Therefore, a fraction of the photon energy is stored by a transient distortion of the chromophore. In this thesis, it is shown that in ReaChR the transfer of the stored energy to the protein is largely affected by the protonation state of Glu163, being decelerated by protonated Glu163 due to an enhanced rigidity of the active site. In contrast, the chromophore in Chrimson relaxes upon photoisomerization, hinting at a distorted retinal geometry in the dark state, which is probably essential for its unprecedented bathochromic absorption. In addition to the chromophore geometry, the protonation state of Glu163 in ReaChR and the homologue Glu165 in Chrimson affects the stereoselectivity of the photoreaction. Another factor for stereoselectivity is Asp196 in ReaChR (Asp195 in C1C2) which deprotonates in the photocycle. Formation of the ion-conducting state in C1C2 and ReaChR involves water influx into the protein, facilitating transport of larger cations. Deprotonation of Glu130 in ReaChR (Glu129 in C1C2) alters the ion selectivity of the channel as known from electrophysiological experiments. In Chrimson, the extent of water influx is drastically reduced which favors the conductance of protons in agreement with electrophysiological characterization.
Altieri, Fabiano. "Approcci biomedici ottici per la stimolazione ed il monitoraggio dell'attività cerebrale." Bachelor's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2019. http://amslaurea.unibo.it/19363/.
Full textWietek, Jonas [Verfasser], Hegemann [Gutachter] Peter, Bartl [Gutachter] Franz, and J. Simon [Gutachter] Wiegert. "Anion Conducting Channelrhodopsins / Jonas Wietek ; Gutachter: Hegemann Peter, Bartl Franz, J. Simon Wiegert." Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2018. http://d-nb.info/1185579125/34.
Full textKaufmann, Joel Christoph David [Verfasser]. "FTIR spectroscopic study on the photocycle mechanism of Channelrhodopsins / Joel Christoph David Kaufmann." Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2020. http://d-nb.info/1202463754/34.
Full textStensitzki, Till [Verfasser]. "Femtosecond Pump-Probe Spectroscopy on Corroles, Phytochromes, Channelrhodopsins and Ground-state Reactions / Till Stensitzki." Berlin : Freie Universität Berlin, 2019. http://d-nb.info/120165484X/34.
Full textGueta, Ronnie Verfasser], and Georg [Akademischer Betreuer] [Nagel. "Untersuchungen zur Struktur und Funktion von Channelrhodopsinen / Ronnie Gueta. Betreuer: Georg Nagel." Würzburg : Universität Würzburg, 2012. http://d-nb.info/1109771002/34.
Full textGueta, Ronnie [Verfasser], and Georg [Akademischer Betreuer] Nagel. "Untersuchungen zur Struktur und Funktion von Channelrhodopsinen / Ronnie Gueta. Betreuer: Georg Nagel." Würzburg : Universität Würzburg, 2012. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-85693.
Full textWelke, Kai [Verfasser], and M. [Akademischer Betreuer] Elstner. "QM/MM Simulations of Channelrhodopsins - Elucidating Structure and Spectroscopic Properties / Kai Welke. Betreuer: M. Elstner." Karlsruhe : KIT-Bibliothek, 2013. http://d-nb.info/1047383446/34.
Full textKrause, Benjamin Sören. "Spektroskopische Charakterisierung der grün-absorbierenden Kanalrhodopsin-Chimäre ReaChR." Doctoral thesis, Humboldt-Universität zu Berlin, 2018. http://dx.doi.org/10.18452/19397.
Full textChannelrhodopsins (ChRs) are light-gated ion channels. Upon absorption of a photon, the retinal chromophore isomerizes and drives conformational changes within the protein, which lead to a passive ion transport across the cell membrane. This capability is used for optogenetic applications to manipulate ionic homeostasis of different cell types and entire organisms. Within the work, light-induced structural changes and proton transfer steps were studied in the green-absorbing ChR ReaChR in great detail by steady-state and transient UV-vis and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The data were merged into a complex photocycle model. Next, the IR-active, unnatural amino acid p-azido-L-phenylalanine (azF) was site-specifically introduced at several sites of the putative ion pore of ReaChR by stop codon suppression. azF is sensitive to polarity changes and absorbs in a clear spectral window lacking endogenous protein vibrations. Thus, FTIR measurements of labeled mutants report for global conformational changes (< 1800 cm-1) and local hydration changes (~2100 cm-1) simultaneously. The presented findings reveal crucial insights regarding formation of a transient water pore in ChRs and demonstrate the first report of the successful in-vivo incorporation of an artificial amino acid into a microbial rhodopsin and its subsequent spectroscopic investigation. Additionally, the so far unprecedented spatial resolution renders this methodology superior over conventional FTIR methods to study microenvironments within complex protein ensembles.
Kelterborn, Simon. "Gen-Editierung von Photorezeptorgenen in der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii mithilfe des CRISPR/Cas9-Systems." Doctoral thesis, Humboldt-Universität zu Berlin, 2020. http://dx.doi.org/10.18452/21903.
Full textGene editing is a fundamental tool in molecular biosciences in order to study the function of genes (reverse genetics). This study established zinc-finger and CRISPR/Cas9 nucleases for gene editing to target and inactivate the photoreceptor genes in C. reinhardtii. In continuation of previous work with designer zinc-finger nucleases (ZFN), the transformation efficiency could be improved 300-fold, which enabled the inactivation of genes in motile wild type cells. This made it possible to disrupt the Channelrhodopsin-1 (ChR1), Channelrhodopsin-2 (ChR2) and Chlamyopsin-1/2 (COP1/2) genes individually and in parallel. Phototaxis experiments in these strains revealed that the inactivation of ChR1 had a greater effect on phototaxis than the inactivation of ChR2. To apply the CRISPR/Cas9 system, the transformation conditions were adapted and optimized so that the Cas9-gRNA complex was successfully electroporated into the cells as an in vitro synthesized ribonucleoprotein. This approach enabled gene inactivations with CRISPR/Cas9 in C. reinhardtii. In order to measure and improve the conditions for precise gene modifications, the SNRK2.2 gene was established as a reporter gene for a ‘Blue-Green test’. Small insertions of up to 30 bp were inserted using short oligonucleotides, while larger reporter genes (mVenus, SNAP-tag) were integrated using donor plasmids. Throughout this study, more than 20 non-selectable genes were disrupted, including 10 of the photoreceptor genes, with an average mutation rate of 12,1 %. Overall, this work shows in a comprehensive way how gene inactivations and modifications can be performed in green alga C. reinhardtii using ZFNs or CRISPR/Cas9. In addition, the collection of the ten photoreceptor knockouts provides a promising source to investigate the diversity of photoreceptor genes in C. reinhardtii.
Vierock, Johannes Tobias Theodor. "Molekularer Mechanismus protonenleitender Kanalrhodopsine und protonengekoppelte Zwei-Komponenten-Optogenetik." Doctoral thesis, Humboldt-Universität zu Berlin, 2020. http://dx.doi.org/10.18452/21617.
Full textChannelrhodopsins (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.
Vogt, Arend. "Elektrophysiologische Untersuchung des gerichteten Protonentransportes in mikrobiellen Rhodopsinen." Doctoral thesis, Humboldt-Universität zu Berlin, Lebenswissenschaftliche Fakultät, 2017. http://dx.doi.org/10.18452/17713.
Full textMicrobial 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.
Ullrich, Sybille. "Biochemische und biophysikalische Analyse der strukturellen Integrität von Channelrhodopsin 2 und dessen Mutanten." Doctoral thesis, 2013. https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-92006.
Full textChannelrhodopsin 2 (ChR2) from the eyespot of C. rheinhardtii belongs to the group of microbial-type rhodopsins (Type1-rhodopsins). It consists of an extracellular N-terminus, seven transmembranehelices and a cytosolic C-terminus. The light-reactive element (Chromophor) all-trans-retinal is covalently bound to a lysine of the seventh transmembrane helix via Schiff´ Base. The isomerisation from all-trans- to 13-cis-Retinal after illumination leads to a conformational change within the protein, resulting in the opening of the channel and thereby in an in- or efflux of mono- and divalent cations, depending on the electrochemical gradient. For bacteriorhodopsin (BR) a retinal dependent stability could be confirmed (Booth, Farooq et al. 1996, Turner, Chittiboyina et al. 2009, Curnow and Booth 2010), concerning ChR2 only limited data is available (Hegemann, Gartner et al. 1991, Lawson, Zacks et al. 1991). Heterologous expression of wildtype (WT) and mutant ChR2 in the oocytes of X. laevis revealed a more detailed insight into retinal dependent stability and pH-dependent conductance of guanidinium without the application of light.
Baumann, Melanie. "Optogenetische Simulation und Analyse elektrischer und Calcium-basierter Signale in Pflanzen." Doctoral thesis, 2013. https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-87974.
Full textFunctional expression of ChR2 in plants The current work for the first time proves the functional expression of the light gated ChR2 derived from the unicellular green algae Chlamydomonas reinhardtii in higher plants. In line with its function ChR2 was localized primarily at the plasma membrane in Ara-bidopsis protoplasts and Tobacco epidermal and mesophyll cells. However, overexpres-sion as well as codon-usage often resulted in overloading of the endomembrane system such as Golgi and ER. Electrophysiological recordings by means of the impalement technique proved ChR2 function in Arabidopsis seedlings as well as Tobacco mesophyll cells. Blue light induced depolarization, however, was more efficient in the Tobacco system. In contrast to the WT protein all ChR2-mutants tested in this study were shown to be functional. Channel kinetics gained from Xenopus oocyte TEVC measurements corre-lated well with observed depolarization and repolarization kinetics of individual mu-tants. Highest depolarization levels were generated by the mutant C128A. Using the Calcium reporter Aequorin, measurements provided no evidence for ChR2-C128A mediated Calcium-influx in Arabidopsis protoplasts. However, a delayed Cal-cium increase approximately 3min following blue light application suggests that ChR2 mediated membrane potential changes activated endogenous Calcium permeable ion channels. Preliminary experiments using the L132C mutant showed cytosolic Calcium elevation directly after light stimulation. All ChR2 mutants tested in this study are suited for generating defined depolarization patterns in plants, whereas simulation of specific Calcium signatures seems possible with ChR2 variants based on the L123C mutation. Transcriptional changes based on ChR2-mediated, electrical patterns Transcriptional analyses of transiently transformed Tobacco leaves verified the im-portance of signature shape of electrical or Calcium-based signals in plants: Application of two blue light triggered depolarization patterns differing in shape revealed two sets of significantly differentially regulated genes, although a small number of genes was regulated by both stimuli. Sustained depolarizations regulated more genes and thus turned out to be more effective than short, repetitive depolarizations. Bioinformatic analyses of the data generated by RNA-Seq revealed the power of elec-trical signal application. Mimicking known electrical pathogen responses by applying a sustained depolarization pattern indeed addressed genes involved in flagellin signaling. In contrast, repetitive depolarization pulses regulated a completely different set of genes
Grotemeyer, Alexander. "Characterisation and application of new optogenetic tools in \(Drosophila\) \(melanogaster\)." Doctoral thesis, 2019. https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-178793.
Full textSeit dem Channelrhodopsine das erste Mal beschrieben und erfolgreich in lebende Tiere eingebracht wurden (Nagel et al., 2003 und 2005), kam es zu einem beträchtlichen Fortschritt in diesem interessanten Gebiet der Neurowissenschaften. In der nachfolgenden Zeit wurden viele verschiedene optogenetische Werkzeuge beschrieben und zur Bearbeitung neurowissenschaftlicher Fragestellungen angewandt. Des Weiteren haben neben dem „klassischen“ Channelrhodopsin-2 (ChR2), ein im Wesentlichen Kation selektiver Kanal, auch modifizierte ChR2 Abkömmlinge, Anion selektive Kanäle und Licht sensitive metabotrope Proteine, die opotogenetische Werkzeugkiste erweitert. Dennoch greifen die meisten Wissenschaftler trotz der Vielfalt an optogenetischen Werkzeugen meist noch zu Channelrhodopsin-2, da seine Wirkungseigenschaften sehr gut erforscht sind. In der nachfolgenden Arbeit wird ein weiterentwickeltes Channelrhodopsin, Channelrhodopsin2-XXM (ChR2XXM), beschrieben. Aufgrund seiner vielfältigen Eigenschaften stellt es ein vielversprechendes Werkzeug dar, vor allem für zukünftige neurowissenschaftliche Forschungsarbeiten. Hierbei wurde ChR2XXM eingesetzt, um zu untersuchen welche Auswirkungen das Fehlen von Latrophilin im Chordotonal Organ von Drosophilalarven hat. Schließlich wurde noch die Funktionalität von GtACR an der neuromuskulären Endplatte der Drosophila überprüft. Für die umfassende Charakterisierung wurden elektrophysiologische und verhaltensbasierte Experimente an Larven durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass ChR2XXM aufgrund einer erhöhten Affinität zu dem Chromophore Retinal, im Vergleich zu ChR2 ein besseres zelluläres Expressionsmuster, eine bessere zeitliche Auflösung und eine erheblich höhere Lichtsensitiviät aufweist. Durch den Einsatz von ChR2XXM konnte, aufgrund der hohen Lichtsensitiviät, mit nur minimalen Nebeneffekten, wie z.B. mögliche Wärmeaktivierung des Chordotonalorgans, der Einfluss von Latrophilin (dCIRL) auf die Signaltransmission im Chordotonalorgan, aufgeklärt werden. Ferner führte eine optogenetische, in vivo, Aktivierung des Chordotonalorgans zu Verhaltensänderungen. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass GtACR1 zwar effektiv motoneuronale Erregung inhibieren kann, dies aber von unerwarteten Nebeneffekten begleitet wird. Diese Ergebnisse zeigen auf, dass weitere Forschung und Verbesserungen im Bereich der optogenetischen Werkzeuge sehr wertvoll und notwendig ist, um Wissenschaftlern zu erlauben das am besten geeignetste optogenetische Werkzeug für ihre wissenschaftlichen Fragestellungen auswählen zu können
Berthold, Peter [Verfasser]. "Analyse der Funktion des Photorezeptors Channelrhodopsin 1 der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii / vorgelegt von Peter Berthold." 2007. http://d-nb.info/984760733/34.
Full textPereira, João Miguel Calmeiro. "Optogenetics and biotechnology : production and in vitro characterization of Ab-Initio designed channelrhodopsin-2 mutants." Master's thesis, 2015. http://hdl.handle.net/10316/30363.
Full textNos últimos anos têm sido desenvolvidas várias ferramentas para permitir o controlo de neurónios específicos, possibilitando o estudo da sua função. Estas novas ferramentas superam a falta de selectividade e o fraco controlo temporal proveniente do uso de estimulação eléctrica no controlo de actividade neuronal. A optogenética refere-se á integração de óptica e genética para obter um ganho ou perda de função em eventos bem definidos dentro de células específicas em tecido vivo. A capacidade de “ligar” e “desligar” neurónios utilizando luz é de facto uma tecnologia inovadora que oferece uma solução para limitações passadas. A optogenética, considerada por vários especialistas como ‘’método do ano’’ e ‘’inovação da década’’, em 2010, é utilizada para hiperpolarizar ou despolarizar neurónios alvo, de uma forma menos invasiva, utilizando luz e usufruindo de uma alta resolução espacial e escala temporal na ordem dos milissegundos. Esta técnica tem permitido o mapeamento e estudo de redes neuronais com uma grande eficácia. A ‘’Channelrhodopsin-2’’ (ChR2) é um canal catiónico sensível à luz, derivado da microalga Chlamydomonas reinhardtii. Na última década, a ChR2 tornou-se o arquétipo central e a principal ferramenta da optogenética. Actualmente, a caixa de ferramentas optogenética está em contínua actualização, com contribuições de estratégias de engenharia protéica, tais como mutagénese dirigida e a construção de quimeras com troca de domínios de diferentes espécies de channelrhodopsin. No entanto, alguns aspectos da forma ‘’wild-type’’ da ChR2 ainda requerem atenção e melhoramento. Estes incluem o seu espectro de acção, cinética, níveis de expressão, inactivação, condutância e exactidão de pico de absorção. Em termos de propriedades espectrais, poucas variantes desta proteína têm sido geradas e completamente caracterizadas com sucesso. No entanto, o aprimorar do espectro de activação da ChR2 e do formato do respectivo pico de absorção são algumas das propriedades mais desejadas. A ChR2 é excitada preferencialmente com comprimentos de onda de luz azul (470nm), o que limita o seu uso em material biológico de alta taxa de difusão, tal como o cérebro. Luz de excitação com maiores comprimentos de onda diminui a difusão de luz produzida por tecidos biológicos, e não é absorvida pela hemoglobina, assim, formas da ChR2 ‘’red-shifted’’, a absorver luz vermelha ou mesmo perto de infravermelha, são ferramentas desejáveis para a excitação de tecidos profundos. Alem disto, variantes ‘’blue-shifted’’ são também ferramentas atrativas para desenvolver, XXI dado que a combinação de várias ChR2 que apresentem sensibilidades a diversos comprimentos de onda permitiriam a estimulação de diferentes populações neuronais sem interferência entre si. Neste projecto, realizámos um desenho ab-initio para produzir quatro novas variantes de ChR2, usando uma abordagem de mutagénese dirigida no ambiente do cromófero da ChR2 alterando de forma radical os resíduos alvo. As mutações foram selecionadas com a aplicação de Time Dependent – Density Functional Theory (TDDFT) para prever o espectro de absorção dos mutantes selecionados da ChR2. O ‘’colour tuning’’ da ChR2 foi alcançado em quatro novas variantes criadas. Em particular, fomos capazes de gerar três variantes ‘’red-shifted’’ e uma ‘’blue-shifted’’. Após caracterização espectral, as variantes F217D e F269D apresentaram um ‘’red-shift’’ significativo de 90nm, a variante L221D apresentou um ‘’red-shift’’ de 180nm, a variante F269H apresentou um ‘’blue-shift’’ de 20nm. Apesar dos nossos resultados, é necessária uma caracterização protéica adicional, tal como a avaliação do tráfego membranar em neurónios e as características electrofisiológicas destes novos mutantes para determinar as proriedades cinéticas do canal. Neste trabalho, também conseguimos definir e descrever com sucesso a expressão e purificação da ChR2 ‘’wild-type’’ e de todas as quatro novas variantes no sistema eucariótico de expressão heteróloga - Pichia pastoris. Por fim, o nosso estudo valida as previsões de Time- Dependent Density Functional Theory e revela que abordagens de simulação biofísica podem ser utilizadas com vista à criação de variantes de ChR2 inteligentemente desenhadas. O desenho de novas variantes ChR2, seguindo a lógica racional aplicada, é uma abordagem poderosa e fiável para obter proteínas optimizadas para estratégias biotecnológicas. Os resultados originais obtidos com este trabalho demonstram potential para aplicações futuras, já que novas e melhoradas variantes de ChR2 continuarão a desempenhar um papel central no desenvolvimento e implementação da optogenética
Over the last few years, several tools have been developed to allow the control over specific types of neuron to enable the study of their function. These novel tools aim to overcome the lack of selectivity and the poor temporal control that derives from trying to control neuronal activity with electrical stimulation. Optogenetics refers to the integration of optics and genetics to obtain gain or loss of function in well-defined events and within specific cells in living tissue. The capacity to turn neurons “on and off” using light is indeed a groundbreaking technology that has become a solution for past limitations. Considered by many, “method of the year” and “breakthrough of the decade”, in 2010, optogenetics is used to hyperpolarize or depolarize specific targeted neurons using light in a less invasive manner, with high spatial resolution and a temporal resolution on the scale of milliseconds. This technique has allowed the mapping and study of neuronal networks with demonstrated efficacy. Channelrhodopsin-2 (ChR2) is a light-gated cation channel, derived from the microalga Chlamydomonas reinhardtii. In the last decade, ChR2 has become the central archetype and the main tool of optogenetics. Presently, the optogenetic toolbox is under continuous update, with contributions from protein engineering strategies, such as site-directed mutagenesis and construction of chimeras with domain swaps between channelrhodopsins of different species. However, some aspects of the wild-type form of ChR2 still require attention and enhancement. These include its action spectra, kinetics, expression levels, inactivation, conductance and absorption peak sharpness. In terms of spectral properties, few variants of this protein have been successfully generated and fully characterized. Nevertheless, tuning of ChR2 activation spectra and absorption peak sharpness are one of the most sought after properties. ChR2 is optimally excitable at a wavelength of blue light (470nm), which limits its use in high light-scattering biologic material, such as the brain. However, long-wavelength excitation light decreases the scattering of light produced by biological tissues and is not absorbed by haemoglobin. Thus, a red-shifted form of ChR2, absorbing red or even near infrared light would be a desirable tool for the excitation of relatively deep tissues. Furthermore, blue-shifted variants would also be attractive tools to develop, since the combination of ChR2 proteins with well separate wavelength sensitivities, combined with multicoloured optics, would permit the stimulation of different neuronal populations with no XXIII interference between them. In this project, we performed ab-initio design to produce four new ChR2 variants, using a radical site-directed mutagenesis approach on target residues in the environment of the ChR2 chromophore. The mutations were selected with the application of Time Dependent – Density Functional Theory (TDDFT) to predict the absorption spectra of ChR2 selected mutants. We achieved successful colour tuning of ChR2 with our four newly created variants. In particular, we were able to generate three red-shifted and one blue–shifted variant. After spectral characterization, the F217D and F269D variants presented a significant 90nm red shift, the L221D variant had a 180nm red shift and the F269H variant presented a 20nm blue shift. Despite our results, additional protein characterization is needed, such as the assessment of membrane trafficking in neurons and an electrophysiological characterization to determine channel kinetic proprieties for each of the variants. In this work, we were also able to define and describe the successful expression and purification of wild type ChR2 and of all the new four variants using the eukaryotic Pichia pastoris heterologous expression system. Finally, our study validates Time-Dependent Density Functional Theory predictions and reveals that biophysical simulation approaches may be used towards the creation of intelligently designed ChR2 variants. The design of new ChR2 variants, following our applied rationale, is a powerful and reliable approach to obtain enhanced proteins for biotechnological strategies. The original output obtained here shows potential for future optogenetic application, as new and improved ChR2 variants will continue to play a central role in the development and implementation of optogenetics
Adams, Cameron Darcy. "Channelrhodopsin-assisted circuit mapping of medial amygdaloid connectivity to the paraventricular nucleus of the hypothalamus." Thesis, 2018. http://hdl.handle.net/1959.13/1387401.
Full textUnderstanding how the brain is connected is an important first step if we are to successfully treat its conditions. Currently, much of what we know about the brain connectome has been discovered through neuroanatomical tracing studies. This approach however, lacks functionality in that we cannot determine the physiological consequences of manipulating a given pathway or its overall necessity to a specific behavioural outcome. Dysregulated social and emotional functioning, including hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis responses, are cardinal features of depressive disorders. Not surprisingly, HPA axis activity is tightly regulated by limbic structures including the medial (MeA) and central amygdala (CeA) which act to increase hypothalamic neuroendocrine output. The lack of direct connectivity between these amygdaloid structures and the neuroendocrine hypothalamus has led to suggestions the MeA and CeA mediate HPA axis responses to stress via indirect relays. While historically, the CeA has received considerable attention in regards to HPA axis regulation, both traditional and modern tracing techniques provide anatomical evidence of direct MeA to hypothalamic neuroendocrine connectivity. At this time however, functional evidence supporting this connection is lacking. Fortunately, recent advances in technology now allows for a functional assessment of individual pathways within the brain connectome. Through the application of optogenetics, the primary goal of this thesis is to investigate the functional characteristics of a direct MeA to neuroendocrine hypothalamus projection. In this regard, I demonstrate the capacity of the MeA to drive stress neuroendocrine responses through direct, functional projections to the hypothalamus. Moreover, that a group of MeA neurons, which may be derived from a neuroendocrine lineage, provide direct glutamatergic input to corticotropin-releasing factor (CRF) neurons, which sit at the apex of the HPA axis. Together, these results suggest therapeutically targeting the MeA, as opposed to the CeA, may prove to be more successful in the treatment of mood related disorders.
Cruz, Bruno Filipe Oereira da. ""Intelligent design of color-tuned ChR2 variants for optogenetics applications”." Master's thesis, 2015. http://hdl.handle.net/10316/30757.
Full textTo better understand the neuronal system, beyond simply “listening” to cells one should be able to “communicate” with them. Until recently, approaches used to establish this communication while relying on the direct manipulation of neurons, have remained technically unsophisticated. Chemical and drug applications provide some degree of cell specificity at the cost of poor spatial and temporal resolution, while direct electrical stimulation of cells, even if allowing for more precise temporal control, lacks in cell type selectivity and may result in tissue damage. In 2005, a new technical approach - Optogenetics - emerged as an answer to these limitations. Based on previously described proteins from the opsin family, such as Channelrhodopsin-2 (ChR2), several groups demonstrated that it was possible to directly manipulate neurons with light. These channels are capable of changing their permeability to certain ionic species upon illumination of specific wavelength and intensity. Using optogenetics, it became possible to activate discrete populations of neurons (-genetic) in a less invasive fashion using light (opto-), under precise temporal control (millisecond time scale) and high spatial resolution (fiber optical light spot). For the past half-decade, great effort has been invested into improving the proprieties of these optogenetic channels and tools. Several enhancements have been achieved in terms of kinetics, for example: Chronos, ChETA and SFO variants; ion permeability: in the eNpHR 3.0 and iC1C2 variants; and in tuning the absorption spectra towards red-shifted variants as in: VChR1 and Crimson. This latter feature has taken up 10 great interest in the optogenetics field due to the scarceness of variants with nonoverlapping absorption spectra. With the recent determination of the crystal structure of ChR it is now possible to apply Time Dependent – Density Functional Theory (TDDFT) to predict the absorption spectra of the Channelrhodopsin using computational algorithms. Therefore, we propose to intelligently manipulate candidate residues to produce color-tuned variants of channelrhodopsin-2, taking advantage of TD-DFT calculations in order to predict the absorption spectra of these variants and, finally, using directed site mutagenesis to generate these mutants and to optimize their expression in a heterologous system. This work describes the successful expression and purification of ChR2 in the Pichia pastoris expression system, and the generation and partial characterization of two novel ChR2 mutants. As a final goal, the determination of ChR2 absorption spectra was set, however, we could not achieve sufficient amount of protein for this analysis, and further optimization is required for the expression and concentration of purified protein samples. Further analysis using electrophysiology is also required to functionally determine the kinetic proprieties of the channel.
Para melhor compreender o sistema nervoso, para além de simplesmente “ouvir” as células, é também necessário “comunicar” com estas. Até recentemente, técnicas usadas para estabelecer esta comunicação eram caracterizadas pela sua falta de sofisticação técnica. Aplicação de drogas e outros químicos conferem alguma especificidade no que toca ao tipo de célula activada, no entanto, apresenta uma baixa resolução temporal e espacial. Por outro lado, electrofisiologia, apesar de permitir obter uma enorme resolução espacial e temporal, peca quando consideramos a especificidade celular obtida e a grande probabilidade de causar dano nos tecidos a serem estudados. Em 2005, a técnica “Optogenética” emergiu como uma solução para os problemas técnicos apresentados anteriormente. Esta técnica baseia-se no uso de uma proteína da família das “opsinas”, “Channelrhodopsin-2” (ChR2), que vários grupos mostraram que é capaz de controlar actividade neuronal quando luz incide na mesma. Num mecanismo que envolve a captação de energia luminosa e convertendo-a em mudanças conformacionais da proteína, esta alterna entre estados permeáveis e não permeáveis, sendo possível controlar população geneticamente definidas (-genética) usando luz (opto-), com uma enorme precisão espacio-temporal. Durante a última década, grande investimento foi desenvolvido no que toca a melhorar as propriedades deste canais “optogenéticos”. Grandes melhoramentos foram feitos relativamente a características cinéticas, por exemplo: Chronos, ChETA e variantes SFO; permeabilidade iónica: eNpHR 3.0 e iC1C2; e modificação do espectro 12 de absorbção para maiores comprimentos de onda: VChR1 e Chrimson. Esta última caracteristica têm gerado grande interesse na área já que, até à data, não existem variantes que não apresentem espectros de absorção totalmente distintos. Com a recente determinação da estrutura da ChR é possível aplicar teorias de mecânica quantica como “Time Dependent – Density Function Theory” (TD-DFT) para prever o espectro de absorpção da proteína usando métodos computacionais. Assim, propomos mutar, intelegetemente, resíduos na proteína de forma a obter variantes que respondam a maiores comprimento de onda, tirar partido de TD-DFT para prever os seus espectros e finalmente validados em laboratório, expressando estas variantes num sistema heterologo. Esta tese descrever a expressão e purificação de ChR2 no sistema heterologo de Pichia pastoris. Como objectivo final, a determinação do espectro de absorção da proteína foi delineado, no entanto devido à baixa quantidade de proteína isolada tal não foi possível e assim futuras optimização ao protocolo serão necessárias, assim como várias outras análises, nomeadamente no que toca as propriedades cinéticas da proteína usando técnicas de electrofisiologia.