Trójka naukowców odnalazła sposób na sterowanie neuronami za pomocą światła. Dzięki temu możemy zaobserwować, jak wpływa to na emocje, pamięć czy zachowanie. Minęło 125 lat od przyznania pierwszych Nagród Nobla w 1901 roku. W tym roku wyróżnienie to odebrali Karl Deisseroth, Peter Hegemann i Georg Nagel za odkrycia dotyczące kanałów jonowych otwieranych światłem i optogenetyki. Laureaci podzielą się po równo kwotą 12 mln koron szwedzkich czyli najwyższą nominalnie w historii Nagrody Nobla.
Jaką mają historię?
Karl Deisseroth urodził się w 18 listopada 1971 roku w Bostonie w rodzinie naukowo-lekarskiej. W 1992 roku otrzymał licencjat z nauk biochemicznych na Harvardzie, a sześć lat później zdobył na Stanfordzie doktorat z neurobiologii. Jako osoba niezwykle ambitna, w 2000 roku ukończył szkołę medyczną na Stanfordzie, a w 2006 roku został certyfikowanym psychiatrą. Od początku kariery związany był ze Stanfordem, gdzie dziś jest profesorem. Od 2009 roku współpracuje także z Instytutem Medycznym Howarda Hughesa na Wschodnim Wybrzeżu, a w latach 2014-2019 był adiunktem w Instytucie Królewskim w Sztokholmie. W 2021 roku wydał książkę pt. „Projections”, w której biochemię ludzkich emocji i uczuć opisał z perspektywy swojej pracy z pacjentami.
Peter Hegemann jest jednym z odkrywców, obok trzeciego tegorocznego noblisty Georga Nagela – światłoczułych białek, o których wspomnę w późniejszej części artykułu. Urodził się 11 grudnia 1954 roku w Münster, oraz wychował się w Akwizgranie, w rodzinie lekarskiej. W 1980 roku ukończył biochemię na Uniwersytecie Ludwika i Maksymiliana w Monachium. Od razu rozpoczął studia doktoranckie w Instytucie Biochemii imienia Maxa Plancka w Martinsried pod Monachium. W 1984 roku obronił pracę doktorską i wyjechał na staż podoktorski do USA. Po roku wrócił do Niemiec, gdzie pracował w różnych instytutach naukowych i uczelniach. Dziś jest profesorem biofizyki i neurobiologii na Uniwersytecie Humboldta w Berlinie.
Georg Nagel jest najstarszym z trójki tegorocznych noblistów z medycyny i fizjologii. Urodził się 24 sierpnia 1953 roku w Weingarten. Ukończył biologię i biofizykę na Uniwersytecie w Konstancji. W 1988 roku, pracując już w Instytucie Biofizyki imienia Maxa Plancka we Frankfurcie nad Menem, obronił doktorat na Uniwersytecie Johanna Wolfganga Goethego w tym samym mieście. Na staż podoktorski wyjechał do USA. W 1992 roku wrócił do Niemiec, do Instytutu Biofizyki. Od 2004 roku jest profesorem Uniwersytetu Juliusza i Maksymiliana w Würzburgu.
(od lewej do góra, dół) : Prof. Karl Deisseroth, noblista z medycyny i fozjologii w 2026 roku (Cmichel67), Prof. Peter Hegemann, noblista z medycyny i fizjologii 2026 roku (Millencolin) oraz Prof. Georg Nagel, noblista z medycyny i fizjologii w 2026 roku (Millencolin).
Kto wymyślił Optogenetykę?
W 2006 roku taką nazwę nadał tej dziedzinie Karl Deisseroth. Cztery lata później redakcja ,,Nature methods” przyznała optogenetyce tytuł „Metody roku”. Metoda ta polega na kontrolowaniu komórek (na przykład neuronów) poprzez białka, którym genetycznie zaprogramowano wrażliwość na światło. Umożliwia to zmianę aktywności elektrycznej komórki. Jednym z istotnych problemów badaczy mózgu było odróżnienie korelacji od przyczyny. Można było zaobserwować, że dany obszar mózgu jest aktywny, kiedy zwierzę się boi lub zapamiętuje sytuację, ale nie oznaczało to jeszcze, że właśnie te neurony wywołują konkretne zachowanie. Optogenetyka to przełom dający naukowcom pełną kontrolę. Dzięki niej badacze mogą sprawić, że tylko wybrany rodzaj neuronów stanie się wrażliwy na światło, a następnie stymulować je lub hamować za pomocą bardzo krótkich impulsów świetlnych. Zbliża nas to do przyszłości, w której będziemy mogli dokładnie zrozumieć i przewidzieć, jak komórki nerwowe kształtują nasze uczucia, zachowania i wspomnienia.
Co było inspiracją?
Odpowiedź może zaskoczyć. Wszystko zaczęło się od glonu, a dokładniej jednokomórkowego Chlamydomonas reinhardtii. Francis Crick, współodkrywca struktury DNA i noblista z 1962 roku, marzył o narzędziu, które pozwoliłoby pobudzać pojedyncze komórki nerwowe w żywym mózgu. Uznał, że najlepsze byłoby światło, ponieważ jego impulsy działają błyskawicznie. Problem polegał jednak na tym, że nie wiedział jak wywołać taką reakcję w komórkach. Wspomniany glon, znany ze zdolności do płynięcia w kierunku światła, stał się doskonałym przedmiotem badawczym.
Co więc zrobili Karl Deisseroth, Peter Hegemann i Georg Nagel?
Peter Hegemann chciał za wszelką cenę zrozumieć, skąd glony „wiedzą”, gdzie jest źródło światła. Wraz z Georgiem Nagelem odkrył, że odpowiedź kryje się w błonie komórkowej. Znajdują się w niej białka reagujące na światło, nazwane kanałorodopsynami. W 2002 r. opisano światłoczułą kanałorodopsynę-1, a rok później szczególnie użyteczną kanałorodopsynę-2. Białka te pełnią rolę przełącznika. Gdy pada na nie światło o odpowiedniej długości fali, otwierają kanały przebiegające przez błonę komórki. Przez kanał przepływają naładowane elektrycznie jony, co szybko zmienia napięcie błonowe, czyli stan elektryczny komórki. Hegemann i Nagel udowodnili także, że gen kodujący takie białko można przenieść z glonu do zupełnie innych komórek, dzięki czemu one również zaczynają reagować na światło. Najpierw dokonali tego w komórkach jajowych żaby, a później także komórkach ssaków. Ostatnim krokiem zajął się Karl Deisseroth. Jego zespół wprowadził gen kanałorodopsyny do hodowanych w laboratorium neuronów szczura. Gdy oświetlono je niebieskim światłem, udało się wywołać impulsy nerwowe. Wyniki opublikowali w 2005 r. Metoda zadziałała również w mózgu myszy, co dwa lata później pozwoliło to na kontrolowanie, wybudzanie i wyciszanie konkretnych populacji neuronów.
Jakie ma to dla nas znaczenie?
To kolejny wielki krok w drodze do zrozumienia nas samych, naszych emocji, mózgu oraz mechanizmów odpowiedzialnych za pamięć. Potencjalnie pozwoli to na mapowanie i lepsze poznanie chorób układu nerwowego oraz sieci neuronów odpowiedzialnych za depresję, uzależnienia i motywację. Odkrycie to może okazać się kluczowe za wiele lat jako podstawa metod leczenia dla osób cierpiących na zaburzenia pamięci wynikające z urazów bądź traumatycznych wydarzeń.
Autor tekstu: Małgorzata Elmer
Ilustracja: Niklas Elmehed