Nagroda Nobla: od algi do światła kontrolującego neurony

Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny trafiła do trzech naukowców za odkrycia dotyczące światłoczułych kanałów jonowych i optogenetyki. Ich badania utorowały nową drogę do poznania działania mózgu.

W tym roku Zgromadzenie Noblowskie Instytutu Karolinska doceniło dokonania z obszaru nauk podstawowych. Wyróżniono dwóch naukowców z Niemiec: prof. Petera Hegemanna i prof. Georga Nagela, a także Amerykanina Karla Deisserotha.

Ścieżka do tegorocznej Nagrody Nobla zaczęła się od chęci zrozumienia, dlaczego jednokomórkowa zielona alga Chlamydomonas tak szybko reaguje na światło i płynie w jego kierunku.

Dwóch nagrodzonych niemieckich badaczy odkryło w błonie komórkowej tego glonu kanałorodopsynę, czyli specyficzny rodzaj białek będących kanałami jonowymi bramkowanymi światłem, odpowiedzialnymi za ten proces. Z kolei amerykański naukowiec Karl Deisseroth wraz ze swoim zespołem wykazali, że kanałorodopsyna może być wykorzystana w neuronach do ich precyzyjnego pobudzenia za pomocą światła.

Jak czytamy w komunikacie prasowym Komitetu Noblowskiego, badacz z USA wprowadził fragmenty DNA kodujące to fotoaktywne białko do szczurzych komórek nerwowych wyhodowanych na szalce Petriego, dzięki czemu stały się czułe na światło, a następnie wywołał sygnał nerwowy poprzez naświetlenie ich niebieskim światłem.

Kolejnym krokiem w jego badaniach było wykorzystanie tej metody na żywych myszach. Dostarczono kanałorodopsynę do wybranych komórek nerwowych w korze ruchowej i wszczepiono w ten obszar mózgu zwierzęcia cienki światłowód. Eksperyment zadziałał – aktywowano światłem ruch włosów czuciowych (wibrysów).

Nowe rozdanie w neuronauce

Tak narodziła się optogenetyka, czyli metoda umożliwiająca precyzyjne modulowanie (aktywowanie albo hamowanie) aktywności określonych komórek za pomocą impulsów świetlnych. To swoisty przełącznik, dzięki któremu możemy włączać i wyłączać poszczególne neurony lub grupy neuronów w mózgu (a także obszarach poza nim), co z kolei pozwala na poznanie i kontrolowanie ich funkcji związanych na przykład z pamięcią, emocjami, różnymi zachowaniami.

– Tegoroczny werdykt mnie nie zaskoczył. Nagroda Nobla za optogenetykę była oczekiwana od lat. Dzięki odkryciom wyróżnionych noblistów dostaliśmy do ręki metodę, która pozwala w sztuczny sposób sterować zachowaniem komórek nerwowych, ich czynnością bioelektryczną – mówi prof. Leszek Kaczmarek, neurobiolog i biolog molekularny, kierownik Pracowni Neurobiologii w Instytucie Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN.

Jak dodaje, metoda ta bardzo poszerzyła wachlarz dostępnych możliwości badania mózgu. – Obecnie jest powszechnie wykorzystywana do poznania funkcjonalnej roli określonych neuronów. Przeprowadzono mnóstwo badań na modelach komórkowych i zwierzęcych w tym zakresie – tłumaczy neurobiolog.

W komunikacie Komitetu Noblowskiego podkreślono, że dzięki optogenetyce udało się między innymi zidentyfikować obwody neuronalne, które regulują odczuwanie bólu, zachowania społeczne, pragnienie, spożycie pokarmu, a także komórki nerwowe odpowiedzialne za różnorodne funkcje, na przykład kontrolowanie rytmu dobowego.

– Metoda ta jest ogromnym przełomem dla neurofizjologii. Optogenetyka to świetne narzędzie poznawcze procesów zachodzących w mózgu. Jego piękno polega na tym, że wprowadza się światłoczułe białko selektywnie do określonej tkanki nerwowej i indukuje lub hamuje potencjał czynnościowy za pomocą światła. W ten sposób można sterować pobudzeniem wybranych, niezwykle małych obszarów mózgu w bardzo krótkich czasach. To metoda, która otworzyła całkowicie nowe możliwości badawcze – ocenia prof. Wiesław Nowak, kierownik Katedry Biofizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu.

Szansa dla medycyny

Niestety ciągle brakuje przełożenia tego odkrycia na praktykę kliniczną. Zdaniem prof. Konrada Rejdaka, kierownika Kliniki Neurologii Uniwersyteckiego Szpitala Klinicznego nr 4 w Lublinie, w optogenetyce drzemie ogromny potencjał do wykorzystania w neurologii, ponieważ dzięki tej metodzie można w sposób bardzo selektywny wybierać grupy komórek nerwowych i kontrolować ich aktywność, działając na nie pobudzająco, gdy są korzystne, lub hamująco, gdy są niekorzystne.

– Warunkiem wprowadzenia tej metody do praktyki klinicznej jest stworzenie bezpiecznych dla organizmu ludzkiego metod syntezy białek światłoczułych w obrębie wybranych grup komórek nerwowych lub glejowych, a następnie indukowanie ich światłem. Staje się to możliwe poprzez wprowadzenie fragmentów DNA kodujących to białko do komórek nerwowych za pomocą wektorów wirusowych. Na tę chwilę nie jest to takie proste. Łatwiej naprawić uszkodzony gen, jak to jest czynione np. w terapii rdzeniowego zaniku mięśni, niż dostarczyć całkiem obce białko do komórki, które może wywołać nieprzewidziane efekty wtórne – zwraca uwagę prof. Rejdak.

Pozostaje też kwestia doprowadzenia źródła światła. To powoduje, że ścieżka wykorzystania tego narzędzia w szerokiej praktyce klinicznej w medycynie będzie raczej wyboista. Nauka jednak nie stoi w miejscu i trwają badania w tym zakresie.

Naukowcy z Uniwersytetu w Getyndze i Instytutu Nauk Multidyscyplinarnych im. Maxa Plancka pracują nad optogenetycznymi implantami ślimakowymi. Obecnie tą metodą próbuje się również przywrócić ludziom wzrok. Kilka lat temu zespół naukowców pod kierunkiem José-Alaina Sahela dzięki zastosowaniu techniki optogenetycznej przywrócił pewną percepcję wzrokową u niewidomego pacjenta ze zwyrodnieniem barwnikowym siatkówki.

Ta eksperymentalna terapia ma ciąg dalszy. Zaledwie kilka dni po ogłoszeniu werdyktu Zgromadzenia Noblowskiego dotyczącego tegorocznych laureatów medycznego Nobla w „New England Journal of Medicine” ukazał się artykuł naukowy przedstawiający kolejne sukcesy w tym zakresie.

– Na świecie przeprowadza się próby kliniczne u osób z retinopatią barwnikową, ale badacze skupiają się także na innych chorobach, m.in. padaczce, schizofrenii, depresji. Mówi się również o wykorzystaniu optogenetyki w leczeniu chorób neurozwyrodnieniowych – wymienia prof. Konrad Rejdak. Osiągnięcia noblistów mogą doprowadzić do skutecznego leczenia m.in. choroby Parkinsona.

– Obecnie leczymy tę chorobę poprzez elektrostymulację, czyli wyłączamy aktywność jąder wzgórza poprzez wysokiej częstotliwości bodźce elektryczne. Jeżeli podobny mechanizm udałoby się zastosować, stymulując te okolice poprzez emisję światła, zyskalibyśmy metodę nieinwazyjną. Uważam, że w zasadzie można sobie wyobrazić potencjalne zastosowanie optogenetyki wszędzie tam, gdzie dysfunkcja leży w pracy neuronów i połączeń pomiędzy nimi – dodaje kierownik Kliniki Neurologii Uniwersyteckiego Szpitala Klinicznego nr 4 w Lublinie.

Sylwetki noblistów

Prof. Peter Hegemann urodził się 11 grudnia 1954 r. w Niemczech, obecnie pracuje na Uniwersytecie Humboldtów w Berlinie. Drugi z nagrodzonych laureatów, Georg Nagel, również pochodzi z Niemiec (ur. 24 sierpnia 1953 r.), obecnie jest związany z Uniwersytetem w Würzburgu. Karl Deisseroth jest najmłodszym z tegorocznych laureatów. Urodził się 18 listopada 1971 r. w USA. Jest związany z Instytutem Medycznym Howarda Hughesa oraz Uniwersytetem Stanforda w USA.

Tegoroczni nobliści podzielą między siebie 12 milionów koron szwedzkich (ok. 4,7 mln zł). To już 41. raz w historii, kiedy Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny została podzielona pomiędzy trzy osoby. 40 razy tę nagrodę przyznano indywidualnie (w tym gronie mamy tylko jedną kobietę), a 36 razy rozdzielono ją pomiędzy dwie osoby. Na razie nikt nie otrzymał jej w tej dziedzinie więcej niż raz.

Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny przyznano dotychczas 117 razy (po raz pierwszy w 1901 r.). W sumie uhonorowano 235 osób, w tym jedynie 14 kobiet. Najmłodszy z laureatów miał 31 lat (Frederick G. Banting), a najstarszy 87 lat (Peyton Rous).

Lidia Sulikowska

Źródło: „Gazeta Lekarska” nr 11/2026