Das Forschungsgebiet der Optogenetik beschäftigt sich mit der genetischen Veränderung von (Nerven-)Zellen. Mit dieser Veränderung können die Zellen durch Bestrahlung mit Licht ein- und ausgeschaltet werden. Insbesondere Nervenzellen werden mit dieser Methode intensiv erforscht. Durch eine kontrollierte Steuerung einzelner Neuronen(-Typen) kann erforscht werden, welche Funktion diese haben und an welcher Verhaltenssteuerung sie beteiligt sind. Weiterhin besteht im medizinischen Forschungsbereich ein großes Interesse an der Technik, um Behandlungsansätze für neurologische Erkrankungen zu finden. Ein medizinischer Ansatz ist beispielsweise, überaktive Neurone (z. B. bei Epilepsie) auszuschalten oder inaktive Neurone (z. B. bei Parkinson) zu reaktivieren.
Der Durchbruch der Optogenetik gelang 2002 mit der Entdeckung und dem Einsatz von lichtempfindlichen Proteinen – die sogenannten Opsine. Forscher aus Frankfurt experimentierten dabei erstmals mit einem lichtsensitiven Ionenkanal einer einzelligen Grünalge (Chlamydomonas reinhardtii). Das sogenannte Channelrhodopsin-2 (ChR2) ermöglicht es der Alge, sich im Wasser optimal nach dem Sonnenlicht auszurichten. Dabei funktioniert das Protein nach einem ähnlichen Prinzip wie die Lichtsinneszellen der Retina: Es bindet ein Retinal-Molekül, das bei der Absorption von blauem Licht seine Struktur verändert und so die Ionenpore öffnet. Bei ChR2 handelt es sich um einen Kationenkanal, der zu einem Einstrom positiv geladener Ionen und somit zu einer Depolarisation führt. Heutzutage sind unterschiedlichste lichtsensitive Proteine bekannt, mit denen Zellen mit unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts stimuliert werden können. Für eine Inaktivierung von Nervenzellen war die Entdeckung von Halorhodopsin (NphR) entscheidend. Dieses Protein ist bakteriellen Ursprungs und entspricht einer lichtgetriebenen Chloridpumpe, die auf gelbes Licht reagiert und Chloridionen entgegen des elektrischen Gradienten in die Zelle hineinpumpt, sodass eine Hyperpolarisation entsteht. Durch die Kombination unterschiedlichster Opsine können, abhängig von der Wellenlänge des Lichts, Zellen gezielt aktiviert bzw. gehemmt werden.
Um aus nicht-lichtempfindlichen Nervenzellen, lichtempfindliche zu machen, nutzt man das Gen (oder Varianten davon) der lichtempfindlichen Proteine und bringt dieses in die Zellen ein. Dies kann mit unterschiedlichen molekulargenetischen Methoden erfolgen. Das Gen kann z. B. mit Hilfe von Vektor-Viren eingebracht werden oder man züchtet transgene Organismen, die das Fremdgen stabil in ihrer DNA integriert haben. Damit die Proteine nur in den gewünschten Zellen exprimiert werden, ist das Gen zusätzlichen mit regulatorischen Sequenzen ausgestattet.
Die Zellen exprimieren daraufhin die lichtsensitiven Ionenkanäle, bauen diese in ihre Membran ein und können nun durch Stimulation mit der entsprechenden Wellenlänge erregt oder gehemmt werden. Um optogenetisch wirksame Proteine einsetzen zu können, muss der gewählte Modellorganismus genetisch veränderbar sein. Zudem müssen die Zellen, deren Aktivität man verändern möchte, mit Licht bestrahlt werden können. Beides ist bei C. elegans in besonderer Weise gegeben, da zum einen sein Genom vollständig bekannt ist und die Tiere zum anderen vollkommen transparent sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass C. elegans die gleichen Neurotransmitter wie Vertebraten verwendet und die Pharmakologie ihrer Rezeptoren bemerkenswert ähnlich ist. So eignet sich der Fadenwurm ideal als Modellorganismus in der Optogenetik und wird weitreichend eingesetzt. Die im Speziellen vorhandenen dopaminergen Neurone machen den Fadenwurm weiterhin zu einem vielversprechenden Modellorganismus in der Erforschung der Parkinson-Erkrankung.
