Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny trafiła do trzech naukowców, którzy zamienili światło w narzędzie do badania mózgu. A wszystko zaczęło się od mikroskopijnego glonu, który płynął w stronę światła

Karl Deisseroth, Peter Hegemann i Georg Nagel zostali uhonorowani Nagrodą Nobla za odkrycie światłoczułych kanałów jonowych i opracowanie podstaw optogenetyki. Stworzona przez nich metoda pozwala sprawdzać, co się dzieje po uruchomieniu konkretnej grupy neuronów w żywym mózgu. Naukowcy mogą na przykład wywołać ruch albo pobudzić komórki związane z określonym wspomnieniem.

To ogromna różnica w porównaniu z wcześniejszymi metodami. Skan może pokazać, że określony obszar mózgu staje się aktywny, kiedy człowiek coś widzi, czuje albo robi. Sama obserwacja aktywności nie mówi jednak, czy właśnie te neurony wywołują dane zachowanie. Żeby to sprawdzić, trzeba móc celowo je włączyć albo wyłączyć i zobaczyć, co się zmieni. Neurobiolodzy długo nie mieli takiego narzędzia. Francis Crick, jeden z odkrywców struktury DNA, już pod koniec XX wieku zastanawiał się, czy pojedynczymi komórkami nerwowymi dałoby się sterować za pomocą światła. Neurony przekazują sygnały bardzo szybko, więc światło wydawało się dobrym sposobem na równie szybkie wydawanie im poleceń. Problem polegał jednak na tym, że zwykły neuron nie reaguje na światło w sposób, który pozwalałby go w ten sposób uruchomić.

Nobel z medycyny 2026 zaczął się od mikroskopijnego glonu

Rozwiązanie przyszło z zupełnie innego obszaru biologii. Peter Hegemann badał jednokomórkowego glona Chlamydomonas. Organizm ten potrafi płynąć w stronę światła. Jeśli w naczyniu z glonami oświetli się tylko jedną stronę, przemieszczają się one w jej kierunku. 

Hegemanna interesowało, jak pojedyncza komórka tak szybko wykrywa światło i zamienia je na sygnał elektryczny. Kiedy mierzył jej reakcję, okazało się, że pojawia się już około pół milisekundy po oświetleniu. Dla porównania: w ludzkim oku od chwili, gdy światło pada na siatkówkę, do powstania sygnału elektrycznego prowadzi bardziej skomplikowany łańcuch reakcji, który zajmuje co najmniej 10 milisekund.

Hegemann podejrzewał, że glon korzysta z wyjątkowo prostego rozwiązania. Jedno białko mogło jednocześnie wykrywać światło i otwierać naładowanym elektrycznie jonom drogę przez błonę komórki. Przepływ jonów zmienia napięcie elektryczne komórki i w ten sposób powstaje sygnał. Na początku była to tylko hipoteza. Znano wiele kanałów jonowych, czyli białek tworzących w błonie komórki coś w rodzaju kontrolowanych bramek, ale nie znano kanału, który otwierałby się bezpośrednio pod wpływem światła.

Przełom przyniosła współpraca Hegemanna z Georgiem Nagelem. Badacze znaleźli w DNA Chlamydomonas dwa geny kodujące podejrzane białka. Nagel umieścił je w komórkach jajowych żaby, które zaczęły produkować te białka w swojej błonie. Gdy komórki oświetlono, kanały się otworzyły i do środka popłynęły jony. Hipoteza Hegemanna okazała się trafna.

Białka nazwano channelrhodopsin 1 i channelrhodopsin 2, czyli channelrodopsynami. Szczególnie ważna okazała się druga z nich. Channelrodopsyna 2 otwiera kanał jonowy około 0,2 milisekundy po błysku światła. Hegemann i Nagel pokazali także, że gen tego białka można przenieść do innych komórek. Komórki, które wcześniej nie reagowały na światło, zaczynały wytwarzać sygnał elektryczny po oświetleniu.

Jak zmienić neuron w komórkę reagującą na światło

W tym momencie do historii wkroczył Karl Deisseroth, lekarz i neurobiolog z Uniwersytetu Stanforda. Chciał badać działanie obwodów mózgowych związanych między innymi z zaburzeniami psychicznymi. Potrzebował do tego sposobu, który pozwalałby szybko i precyzyjnie uruchamiać wybrane neurony w żywym mózgu. Deisseroth poprosił Nagela o DNA zawierające instrukcję produkcji channelrodopsyny 2. Następnie jego zespół wprowadził ten gen do hodowanych w laboratorium neuronów szczura. Komórki zaczęły produkować białko pochodzące z glona.

Eksperyment był prosty w założeniu. Badacze skierowali na neurony niebieskie światło. Komórki natychmiast wytworzyły impuls nerwowy, który mógł zostać przekazany dalej do innych neuronów. Wyniki opublikowano w 2005 roku.

Na tym właśnie polega podstawowa idea optogenetyki. Najpierw naukowcy sprawiają, że określone komórki nerwowe produkują białko reagujące na światło, a potem oświetlają je światłem o odpowiedniej barwie. Światło otwiera kanały w błonie neuronu, przepływ jonów zmienia jego napięcie, a komórka wysyła impuls.

Metodę nazwano optogenetyką w 2006 roku. Rok później zespół Deisserotha pokazał, że działa ona również w mózgu żywego zwierzęcia. Badacze umieścili channelrodopsynę w określonym rodzaju neuronów kory ruchowej myszy, a następnie doprowadzili do nich światło cienkim włóknem optycznym. Po jego włączeniu myszy poruszały wąsami.

To doświadczenie dobrze pokazuje, dlaczego metoda stała się tak ważna. Naukowcy nie obserwowali już tylko, które komórki są aktywne podczas ruchu. Mogli uruchomić wybrane komórki i sprawdzić, czy ruch rzeczywiście się pojawi.

Światłem można obudzić mysz i uruchomić wspomnienie

Wkrótce optogenetykę zaczęły wykorzystywać laboratoria na całym świecie. W jednym z pierwszych doświadczeń badacze wprowadzili światłoczułe białko do neuronów podejrzewanych o kontrolowanie czuwania. Kiedy oświetlali te komórki w mózgach śpiących myszy, zwierzęta się budziły.

Jeszcze bardziej sugestywny eksperyment dotyczył pamięci. W 2012 roku badacze obserwowali, które neurony myszy uaktywniały się podczas sytuacji wywołującej strach. Dzięki optogenetyce mogli później ponownie pobudzić właśnie te komórki. Myszy zaczynały zachowywać się tak, jakby się bały, mimo że w tym momencie nie groziło im niebezpieczeństwo. Po raz pierwszy można było tak precyzyjnie wskazać komórki potrzebne do powstania konkretnego wspomnienia. Optogenetyka pomogła później badać obwody nerwowe związane z bólem, pragnieniem, jedzeniem, nagrodą, uwagą czy rytmem dobowym. Pozwoliła również rozłożyć bardziej skomplikowane zachowania na części. W doświadczeniach na myszach okazało się na przykład, że inne obwody mózgowe odpowiadają za zebranie młodych w gnieździe, a inne za ich pielęgnowanie.

Czytaj także

Nanotechnologia może pomóc leczyć raka. Ale najpierw trzeba ją dobrze zrozumieć

Możliwości tej metody nie kończą się na mózgu. Z pomocą optogenetyki analizowano między innymi wpływ rytmu serca na lęk oraz sygnały wysyłane z jelit do mózgu. „Optogenetyka daje możliwości mapowania mózgu, o jakich kiedyś mogliśmy tylko marzyć” – stwierdził prof. Per Svenningsson, przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie fizjologii lub medycyny.

Czy optogenetyką można leczyć ludzi?

Na razie największe znaczenie optogenetyki polega na tym, że jest narzędziem badawczym. Dzięki niej naukowcy mogą sprawdzać, które komórki i połączenia nerwowe rzeczywiście odpowiadają za określone funkcje. Pozwoliło to lepiej badać mechanizmy zaburzeń takich jak depresja, lęk, schizofrenia, choroba Alzheimera czy choroba Parkinsona. Nie oznacza to jednak, że światłem można już rutynowo leczyć te choroby.

Pierwsze próby zastosowania tej idei u pacjentów już trwają. Jednym z kierunków jest leczenie niektórych rodzajów ślepoty. W retinopatii barwnikowej obumierają komórki odpowiedzialne za odbieranie światła. Badacze próbują więc nadać światłoczułość innym komórkom siatkówki, wprowadzając do nich białko podobne do channelrodopsyny. W jednym z opisanych przypadków osoba niewidoma odzyskała część zdolności widzenia. Korzystając ze specjalnych okularów emitujących odpowiednio dobrane światło, mogła dostrzec przedmioty leżące na stole i sięgnąć po nie. To jednak wciąż eksperymentalna terapia, a nie metoda powszechnie stosowana w okulistyce.

Naukowcy badają także możliwość wykorzystania optogenetyki w implantach ślimakowych. Dzisiejsze urządzenia pobudzają nerw słuchowy prądem elektrycznym. Światło mogłoby pozwolić robić to bardziej precyzyjnie, ponieważ można je skierować na znacznie mniejszy obszar. Na razie również pozostaje to kierunkiem badań.

Historia tegorocznego Nobla pokazuje przy tym, jak daleko od końcowego zastosowania może zaczynać się ważne odkrycie. Hegemann chciał zrozumieć, dlaczego jednokomórkowy glon płynie w stronę światła. Nagel odkrył białkową bramkę otwieraną przez światło. Deisseroth przeniósł ją do neuronów. Dziś za pomocą tego mechanizmu badacze mogą sprawdzać, które komórki mózgu odpowiadają za ruch, sen, strach, pamięć czy pragnienie.

Karl Deisseroth, Peter Hegemann i Georg Nagel podzielą między siebie 12 mln koron szwedzkich. Oficjalne uzasadnienie mówi o odkryciach dotyczących „kanałów jonowych bramkowanych światłem i optogenetyki”. W praktyce chodzi o narzędzie, dzięki któremu naukowcy mogli przejść od obserwowania pracującego mózgu do precyzyjnych eksperymentów na jego poszczególnych obwodach.

• Nauki medyczne