Der Zebrafisch (Danio rerio) hat sich als eines der am häufigsten verwendeten Tiermodelle in der Grundlagen- und translationalen Forschung etabliert. Mehrere Vorzüge erklären diese Beliebtheit: ein Genom mit hoher Ähnlichkeit zu dem des Menschen, die einfache Durchführung genetischer und chemischer Manipulationen, eine externe Befruchtung in Verbindung mit hoher Fruchtbarkeit, transparente Embryonen mit rascher Entwicklung sowie moderate Haltungskosten. Die Durchsichtigkeit des Körpers, eine bei anderen Wirbeltieren kaum vorhandene Eigenschaft, macht dieses Tier zu einem bevorzugten Untersuchungsobjekt für die optische Modulation und Beobachtung. Hinzu kommen die Einfachheit der Mikroinjektion und die hohe embryonale Permeabilität, die das effiziente Einbringen von Molekülen jeglicher Größe in das lebende Tier ermöglichen, während die große Zahl an Nachkommen aus einem einzigen Elternpaar zahlreiche Replikate liefert und die statistische Auswertung der Ergebnisse verbessert.
Diese Übersichtsarbeit zeichnet die Entwicklung optochemischer Werkzeuge nach, die lichtaktivierbare Moleküle nutzen, um biologische Aktivitäten mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung zu steuern. Die Autoren grenzen diese Ansätze von der Optogenetik ab, die auf der Modifikation lichtempfindlicher Proteine beruht und andernorts behandelt wird. Es werden zwei wesentliche optochemische Strategien beschrieben: die lichtinduzierte Konformationsänderung, bei der Chromophore zwischen isomeren Formen umschalten, um die zugehörigen Proteine reversibel zu aktivieren oder zu inaktivieren (daher der Begriff Photoschalter), und die lichtinduzierte Freisetzung, die auf dem chemischen „Caging“ kleiner Moleküle, Oligonukleotide, Peptide oder Proteine beruht. Die Übersichtsarbeit veranschaulicht diese Prinzipien anhand von beim Zebrafisch berichteten Anwendungen, insbesondere in der Erforschung von Gewebeschädigung und -regeneration, einem Bereich, in dem das Tier die Fähigkeit besitzt, zahlreiche Gewebe und Organe zu regenerieren. So werden die gezielte Zellablation durch optische Expression eines zytotoxischen Kanals, die Stimulation der neuronalen Regeneration mittels einer photoaktivierbaren Adenylatzyklase oder auch photoschaltbare Liganden, die auf den β1-adrenergen Rezeptor abzielen, um den Herzrhythmus zu stören, erwähnt.
Die Autoren heben die fortbestehenden Herausforderungen dieser noch jungen Technologien hervor. Die Photosensibilität bleibt ein zentrales Problem: Die Moleküle können sich auch ohne den vorgesehenen Lichtreiz aktivieren („Leck“-Aktivität), was strenge Kontrollen erfordert – einerseits ohne induzierendes Licht und andererseits allein unter Beleuchtung –, da UV- und blaues Licht sowie Wärme Zellschäden hervorrufen können. Die Diffusion der freigesetzten Moleküle kann darüber hinaus die räumliche Auflösung einschränken, ein Problem, das sich durch Strategien wie die kovalente Verankerung der Liganden oder die Mehrphotonenanregung abmildern lässt. Schließlich plädieren die Autoren für eine enge Zusammenarbeit zwischen Chemikern, Biologen und Biophysikern sowie für die Kommerzialisierung oder den erleichterten Austausch dieser Reagenzien. Sie kommen zu dem Schluss, dass die aufstrebende Optochemie ein beträchtliches Potenzial birgt, einschließlich translationaler Anwendungen, und dass die Optimierung der bestehenden Werkzeuge ihr Anwendungsspektrum weiter erweitern wird.