In Ohren wird mechanische Bewegung in elektrische Impulse umgesetzt. Kölner Forscher erkunden diese „Transduktion“ mit Lasern an Drosophila.
Steht man bei einem Rockkonzert in der Nähe der Boxen, merkt man, was Schallwellen bewegen können: Der Magen hüpft im Takt der Bässe mit. Aber auch bei dem leisesten Geräusch bewegt sich in uns viel, erst das Trommelfell, dann Hammer, Amboss und Steigbügel im Mittelohr, dann läuft die Schallwelle in das Innenohr. Dort empfangen Haarzellen den Schall, ihre Bewegung öffnet Ionenkanäle in der Zellmembran. Dies ist der Punkt der Reizumwandlung – Transduktion –, an dem die mechanische Bewegung in elektrische Impulse umgesetzt wird.
„Weder beim Menschen noch bei irgendeinem Tier ist es bisher gelungen, einen Ionenkanal, der für die Transduktion zuständig ist, molekular zu identifizieren. Die Suche nach den Molekülen der Kanäle ist der Heilige Gral der Hörforschung“, berichtet Jörg T. Albert von der Uni Köln. Seit gut drei Jahren forscht die Arbeitsgruppe der Volkswagenstiftung unter Martin Göpfert an Transduktionsvorgängen des Hörens, nicht beim Menschen, sondern bei Drosophila. Die kleinen Fliegen sparen sich den langen Weg der Schallübertragung, bei ihnen trifft der Schall direkt auf die Antenne, wo das Hörorgan mit seinen Sinneszellen liegt. Aber diese Sinneszellen und die des Menschen haben viel gemeinsam. In beiden werden durch Schall ausgelöste Bewegungen direkt in elektrische Nervenimpulse umgewandelt. Beide sind sich auf molekularer Ebene so ähnlich, dass die Forschungen von Drosophila für die Forschungen an Wirbeltieren interessant sind.
Minimale Auslenkung genügt
„Dass nur bei Wirbeltieren und Insekten ,Ohren‘ ausgebildet sind, und dass sich diese im Grundmuster der Reizumwandlung so ähneln, mag ein Hinweis darauf sein, dass die Systeme – oder zumindest Teile – eine Strecke der Evolution gemeinsam zurückgelegt haben“, meint Albert. Der Hörvorgang der Fliegen spielt sich im Nanometer-Bereich (millionstel Millimeter) ab. Wenn sich das 300 Mikrometer (tausendstel Millimeter) lange Antennensegment um nur 20 Nanometer bewegt, reagiert das System. „Auf den Kölner Dom mit seinen 157Metern Höhe umgerechnet, wäre das eine Auslenkung der Spitze um nur einen Zentimeter. Und so eine minimale Bewegung reicht der Fliege, um zu hören“, rechnet Albert vor. Die Messungen der minimalen Antennenbewegungen führte die Kölner Gruppe mit Scanning-Lasern durch. Der Vorteil: Man arbeitet berührungsfrei, sodass nichts außer dem zu messenden Objekt wackelt. Berührungsfrei können die Forscher die Antenne auch in Bewegung bringen: Sie laden die Fliege elektrostatisch auf und lenken durch eine Mikroelektrode die Antenne. Bei der Auslenkung um einen Mikrometer konnten nach weniger als einer tausendstel Sekunde Signale der Hörnerven gemessen werden. Eine so schnelle Reaktion ist nur über eine mechanische Kopplung zwischen Antenne und Ionenkanal möglich, chemische Signalwege wären langsamer.
In ihrer jüngsten Publikation (Current Biology 17, S.1000) nehmen die Forscher die mechanische Kopplung und drehen den Spieß um. „Die Auslenkung der Antenne öffnet und schließt die Ionenkanäle wie Türen über federartige Proteine. Das ist das ,gating-spring-model‘ aus der Wirbeltierforschung. Wir machen uns die mechanische Kopplung zu Nutze und messen die Bewegung der Antenne, um über das Öffnen und Schließen der Ionenkanäle etwas zu erfahren“, erzählt Albert. So konnte man an der Antennenbewegung sichtbar machen, ob die Fliegen hören bzw. wann die Kanäle wie weit auf- oder zugehen. Erstmals gibt es hiermit nicht-invasive Daten von Insekten, die perfekt zum „gating-spring-model“ der Wirbeltiere passen, womit die Kölner Gruppe die Ähnlichkeit der auditorischen Systeme von Wirbeltier und Fliege bestätigte. Und da Wirbeltierohr und Fliegenohr sich so ähnlich sind, könnten die Ergebnisse auch für Menschen von Nutzen sein.
("Die Presse", Print-Ausgabe, 26.07.2007)