Förderung des fächerübergreifenden Austauschs
Interdisziplinäre Projekte
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Hochauf­lö­sende Optoge­ne­tik mit organi­schen Leucht­di­oden (OLEDs)

Giuseppe Ciccone – Hector Fellow Karl Leo

Rodrigo Fernan­dez Lahore – Hector Fellow Peter Hegemann

In diesem Projekt soll die Anwen­dung von organi­schen Leucht­di­oden (OLEDs) in der Optoge­ne­tik unter­sucht werden. Eine Reihe von neuen techno­lo­gi­schen Ansät­zen soll angegan­gen werden, um optoge­ne­ti­sche Aktivie­rung und Inhibie­rung von Neuro­nen mit bisher nicht mögli­cher latera­ler Auflö­sung zu erzie­len. Dafür soll eine neue OLED-Techno­lo­gie einge­setzt werden, die elektrisch umschalt­bare verschie­dene Farben imitie­ren kann. Diese OLEDs werden zu Zell-großen Pixeln struk­tu­riert und mit einer Dünnschicht­ver­kap­se­lung vor Degra­dation geschützt. In Verbin­dung mit einer Matrix Ansteue­rung mit organi­schen Transis­to­ren wird es dadurch möglich, äußerst flexi­bel lokale optoge­ne­ti­sche Effekte zu stimu­lie­ren. Die entwi­ckel­ten OLEDs sollen an neuen Kanal­rhod­op­si­nen getes­tet werden, die eine Fusion zweier Prote­ine mit komple­men­tä­rer Ionen­leit­fä­hig­keit darstel­len. Erste Tests sollen an Chlamy­do­mo­nas Algen und HEK-Zellen statt­fin­den und später neuro­nale Netze in Zellkul­tu­ren und Gewebe­schnit­ten unter­sucht werden. Hier soll die Signal­aus­brei­tung inner­halb eines Netzwerks unter­sucht werden, wobei gezielt einzelne Neuro­nen an- und ausge­schal­tet werden.

Das Projekt findet in enger inter­dis­zi­pli­nä­rer Zusam­men­ar­beit der Hector Fellows Karl Leo, im Fachbe­reich Physik, und Peter Hegemann, im Fachbe­reich Biophy­sik, statt. Betei­ligt sind die beiden Nachwuchs­wis­sen­schaft­ler Giuseppe Ciccone (Techni­sche Univer­si­tät Dresden) und Rodrigo Fernande Lahore (Humboldt-Univer­si­tät zu Berlin).

Giuseppe Ciccone

Dokto­rand

Rodrigo Fernan­dez Lahore

Dokto­rand
   

AC-gesteu­erte OLEDs als optoge­ne­ti­sche Werkzeuge

Giuseppe Ciccone, Techni­sche Univer­si­tät Dresden

AC-gesteuerte OLEDs als optogenetische Werkzeuge

AC-gesteu­er­tes OLED-Layout: Simula­tion der sich im Gerät ausbrei­ten­den elektro­ma­gne­ti­schen Welle und ihrer spektra­len Strahlungsintensität.

Die Photo­sti­mu­la­tion optoge­ne­tisch modifi­zier­ter Zellen ermög­licht eine stark selek­tive Stimu­la­tion ihrer elektri­schen Aktivi­tät und Inter­de­pen­denz. Für die Optoge­ne­tik wurde bereits eine Vielzahl von Geräten vorge­schla­gen. In diesem Projekt werden AC-gesteu­erte organi­sche Leucht­di­oden (OLEDs) als optoge­ne­ti­sche Werkzeuge unter­sucht. Diese bieten eine beispiel­lose Stabi­li­tät in biolo­gi­schen Umgebun­gen, eine hohe räumli­che Auflö­sung und die Möglich­keit, mit Hilfe von gesteu­er­ter Farbe­mis­sion sowohl eine Verstär­kung als auch eine Hemmung zu bewirken.

Die Aktivie­rung und Hemmung von Neuro­nen mit bisher unerreich­ter räumli­cher Auflö­sung kann durch zwei verschie­dene Farben ausge­löst werden. Hierbei wird eine neue Technik mit die AC-gesteu­er­ten OLEDs genutzt. Der Aufbau dieser Geräte wird an die Absorp­ti­ons­spek­tren von anregen­den und hemmen­den state of the art-Photo­sys­te­men angepasst. Darüber hinaus werden die Geräte in in vitro-Model­len getes­tet, um elektri­sche Reaktio­nen auszu­lö­sen. Mit Blick auf zukünf­tige in vivo-Tests werden biolo­gisch abbau­bare Substrate als Geräte­trä­ger für die Implan­ta­tion in Modell­tie­ren untersucht.

   

Photo­ak­ti­vie­rung von Neuro­nen mittels Kanalrhodopsinen

Rodrigo Fernan­dez Lahore, Humboldt-Univer­si­tät zu Berlin

Photoaktivierung von Neuronen mittels Kanalrhodopsinen

a) Übersicht der wichtigs­ten mikro­biel­len Rhodop­sine.
b) Normierte Photo­ströme ausge­wähl­ter Kanal­rhod­op­sine bei verschie­de­ner Anregungs­wel­len­länge im Vergleich zu rotver­scho­be­nen CsChrim­son.
c) Spektrum einer blaulicht­emit­tie­ren­den OLED überla­gert mit den Aktions­spek­tren von GtACR2 and CsChrim­son.
Quellen: a) and b) J. Vierock, PhD Thesis, Humboldt-Univer­si­tät Berlin, 2019
c) Courtesy of Caroline Murawski

Aufgrund der komple­xen Vernet­zung und Geschwin­dig­keit neuro­na­ler Systeme, benötigt die Unter­su­chung ihrer Prozesse eine hohe räumli­che und zeitli­che Kontrolle. In der Optoge­ne­tik werden mit Hilfe von licht­ak­ti­vier­ten Ionen­ka­nä­len (Kanal­rhod­op­sine) Neurone mit verschie­de­nen Belich­tungs­sys­te­men wie Laser und LEDs an- und ausgeschaltet.

Dieses Projekt beschäf­tigt sich mit dem Testen von organi­scher LEDs (OLEDs), die sowohl Blau- als auch Rotlicht emittie­ren, für die Anwen­dung in der Optoge­ne­tik. Für diesen Zweck werden Zellen, die entwe­der fusio­nierte oder getrennte blauver­scho­be­nes GtACR2 und rotver­scho­be­nes CsChrim­son expri­mie­ren, mit OLEDs belich­tet (von Koope­ra­ti­ons­part­ner HF Prof. Dr. Karl Leo bereit­ge­stellt). Die separate Aktivie­rung der beiden Kanal­rhod­op­sine mit einer einzel­nen OLED auf einer Einzel­zell­skala soll getes­tet werden. Zuerst wird in tieri­scher Zellkul­tur experi­men­tiert (HEK293 and ND7/23 Zellen) und nach erwei­ter­ter Optimie­rung werden die OLEDs für die Nutzung in Neuro­nen geprüft.

   

Betreut durch

Prof. Dr.

Karl Leo

Physik

Hector Fellow seit 2013Disziplinen Karl Leo

Prof. Dr.

Peter Hegemann

Biolo­gie, Chemie & Medizin

Hector Fellow seit 2015Disziplinen Peter Hegemann