Cryptochrome sind Photorezeptoren, die in Pflanzen, Tieren und anderen Organismen den Tagesrhythmus sowie andere lichtabhängige Prozesse regulieren. Sie nutzen Lichtenergie, um chemische Reaktionen anzustoßen, die Stoffwechselprozesse im Zellinneren auslösen. „Bisher war unklar, wie Cryptochrome die Energie des Lichts in strukturelle Veränderungen umsetzen, die Signale auslösen“, erklärt Lars-Oliver Essen, einer der Hauptautoren der Studie. „Unsere Arbeit zeigt nun erstmals, wie drei molekulare Bereiche zusammenwirken, um diesen Prozess zu steuern.“
Licht verändert Proteinstruktur
Mit Hilfe der seriellen Femtosekunden-Kristallographie (SFX) erstellte das Team 19 hochauflösende Schnappschüsse, die die Dynamik von CraCRY zwischen zehn Nanosekunden und 233 Millisekunden nach Lichteinfall abbilden. Diese zeigen als Film zusammengesetzt, wie Licht die Bildung eines Radikalpaares mit weit auseinanderstehenden, ungepaarten Elektronen auslöst, das drei Prozesse in Gang setzt: Stabilisierung des Radikalpaares, Neutralisierung des Flavin-Chromophors (FAD) durch Protoneneinfang und Auslösen eines Signalzustands durch das Auseinanderfalten einer langen Helix am Endbereich des Proteins. „Wir sehen zum ersten Mal, wie Licht die Struktur eines Cryptochroms vom tierischen Typus verändert, um Signale zu erzeugen“, sagt Dr. Manuel Maestre-Reyna, Erstautor der Studie und Professor an der Nationalen Taiwanesischen Universität in Taiwan.
Die Studie hebt zwei zentrale Mechanismen hervor: Den sognenannten „N395/FAD-Schalter“, der eine kurzzeitige Protonierungsroute (TPP) aktiviert, um das Flavin-Molekül zu protonieren und das Radikalpaar zu stabilisieren, sowie den „D321/Y373-Schalter“, der durch Protonentransfer die entständige Helix destabilisiert und so den Signalzustand einleitet. „Diese Prozesse könnten zum Beispiel erklären, wie Cryptochrome in Vögeln Magnetfelder für die Navigation nutzen“, betont Essen. Die Protonierung des Flavins innerhalb von Mikrosekunden passt zu dem Zeitrahmen, der für die Magnetorezeption in Vögeln erforderlich ist, bei der magnetische Felder die Signalbildung beeinflussen.
Ideen für die Erforschung des Tagesrhythmus von Organismen
Die Ergebnisse haben weitreichende Bedeutung: Sie liefern nicht nur Einblicke in die Funktionsweise von Cryptochromen, sondern könnten auch die Forschung zu tagesrhythmusgesteuerten Krankheiten oder magnetischen Orientierungssystemen vorantreiben. „Unsere molekularen Filme zeigen, wie Licht, Protonentransfer und strukturelle Veränderungen zusammenspielen“, erklärt Essen. „Das ist ein Meilenstein für das Verständnis lichtgesteuerter Prozesse in der Natur.“
Philipps-Universität Marburg
Originalpublikation:
Manuel Maestre-Reyna et al.: Capturing structural intermediates in an animal-like cryptochrome photoreceptor by time-resolved crystallography.Sci. Adv.11,eadu7247(2025). DOI:10.1126/sciadv.adu7247
