Nobel z medycyny 2026 za białko glonu, które włącza neurony światłem

Białko, które pomaga jednokomórkowemu glonowi żyjącemu w stawie płynąć w kierunku światła, jest powodem, dla którego naukowcy mogą dziś włączać lub wyłączać jeden typ komórek mózgowych błyskiem niebieskiego światła. Zgromadzenie Noblowskie w Karolinska Institutet przyznało nagrodę w dziedzinie fizjologii lub medycyny trzem badaczom, którzy odkryli to białko i przekształcili je w narzędzie: Karlowi Deisserothowi z Uniwersytetu Stanforda oraz Howard Hughes Medical Institute, Peterowi Hegemannowi z Uniwersytetu Humboldta w Berlinie i Georgowi Nagelowi z Uniwersytetu w Würzburgu.

Metoda nazywa się optogenetyką i zmieniła to, co badania nad mózgiem mogą udowodnić. Neurolodzy już wcześniej potrafili zobaczyć, które obszary aktywują się podczas strachu lub głodu, ale rzadko byli w stanie wykazać, że konkretny rodzaj neuronu wywołuje to uczucie. Dzięki optogenetyce mogą włączyć te komórki u żywego zwierzęcia i obserwować pojawienie się zachowania, albo je wyłączyć i patrzeć, jak zanika. Laboratoria na całym świecie wykorzystały tę metodę do zlokalizowania obwodów odpowiedzialnych za pamięć, ból, pragnienie, sen i zachowania społeczne, a obecnie testuje się ją jako terapię jednej z form ślepoty.

Komitet wskazał trzech naukowców „za odkrycia dotyczące światłoczułych kanałów jonowych i optogenetyki”. Podzielą się po równi 12 milionami koron szwedzkich. „Optogenetyka daje możliwości mapowania mózgu w sposób, o którym kiedyś mogliśmy tylko marzyć” – powiedział Per Svenningsson, przewodniczący Komitetu Noblowskiego ds. Fizjologii lub Medycyny.

Glon reagujący 20 razy szybciej niż ludzkie oko

Historia zaczyna się od Chlamydomonas, zielonego glonu złożonego z pojedynczej komórki. Wystarczy wrzucić go do naczynia, oświetlić jedną stronę, a bladozielona zawiesina zacznie dryfować w stronę lampy. Glon wyczuwa światło przez plamkę oczną – maleńką pomarańczową kropkę zawierającą retinal, tę samą cząsteczkę wychwytującą światło, którą znajdujemy w naszych własnych oczach.

Hegemann, pracujący wówczas w Instytucie Biochemii im. Maxa Plancka w Martinsried, zmierzył plamkę oczną cienkimi elektrodami i zarejestrował impuls elektryczny pojawiający się pół milisekundy po dotarciu światła. W ludzkim oku światło uruchamia łańcuch reakcji chemicznych, zanim otworzy się kanał jonowy, a cały proces trwa co najmniej 10 milisekund. Glon był ponad dwadzieścia razy szybszy.

Wyjaśnienie Hegemanna było proste: jedno białko musiało pełnić dwie funkcje – wychwytywać światło i otwierać por dla naładowanych cząstek. Koledzy wątpili w to, ponieważ żaden znany kanał jonowy nie reagował na światło samodzielnie. Gdy jego zespół próbował wyizolować białko z plamki ocznej, rozpadło się, a pomysł utknął w martwym punkcie na lata.

Jak to zrobili

Przełom nastąpił, gdy japońscy badacze opublikowali sekwencje genetyczne Chlamydomonas. Grupa Hegemanna znalazła dwa geny przypominające znane białka wychwytujące światło i wysłała je do Nagela w Instytucie Biofizyki im. Maxa Plancka we Frankfurcie.

Nagel wstrzyknął każdy gen do jaj żabich – standardowa sztuczka, która zamienia jajo w fabrykę obcego białka. Białka osiadły na powierzchni jaj, a gdy Nagel oświetlił je, otworzyły się. Dodatnio naładowane jony przepłynęły przez nie, wytwarzając prąd elektryczny. Hipoteza Hegemanna okazała się słuszna. Zespół nazwał dwa białka channelrhodopsiną-1 i channelrhodopsiną-2, a to drugie otwierało się w ciągu 0,2 milisekundy od impulsu świetlnego.

W ludzkich embrionalnych komórkach nerkowych i komórkach chomika channelrhodopsina-2 również wytwarzała sygnały elektryczne pod wpływem światła. Białko zachowywało się jak przenośny przełącznik: każda komórka niosąca ten gen odpowiadała na światło.

Deisseroth szukał właśnie czegoś takiego. Wykształcony jako psychiatra, podczas pracy klinicznej uderzyło go, jak niewiele istniejące terapie pomagają pacjentom z depresją czy schizofrenią, i chciał badać obwody w żywym mózgu, a nie w cienkich skrawkach tkanki. Napisał do Nagela z prośbą o gen channelrhodopsiny-2, wstawił go do neuronów szczurów hodowanych w naczyniu i wystawił je na działanie niebieskiego światła. Neurony odpalały na komendę, a sygnał przekazywał się do sąsiednich komórek.

Jego grupa następnie dostarczyła gen do jednego typu komórek w korze ruchowej żywych myszy i wprowadziła cienkie włókno optyczne przez mały otwór w czaszce. Impulsy światła sprawiały, że zwierzęta poruszały wąsami. W innym eksperymencie światło skierowane na podejrzewany obwód czuwania budziło śpiące myszy.

Dlaczego światło pokonało elektrody i leki

Elektroda stymuluje wszystkie neurony w pobliżu swojej końcówki, niezależnie od ich typu. Lek rozprzestrzenia się w tkance i działa przez minuty. Optogenetyka jest precyzyjna na dwa sposoby jednocześnie. Gen trafia tylko do wybranego typu komórek, a światło przełącza te komórki w ciągu milisekund, dorównując szybkości rzeczywistych sygnałów nerwowych. Francis Crick, który podzielił się Nagrodą Nobla za podwójną helisę DNA, sugerował, że światło byłoby idealnym sposobem kontrolowania pojedynczych neuronów, przyznając jednocześnie, że pomysł brzmi naciąganie.

Precyzja ma znaczenie ze względu na skalę. Dorosły ludzki mózg zawiera około 90 miliardów komórek nerwowych, każda połączona z tysiącami innych, a neurony o niepowiązanych funkcjach siedzą splątane razem. Współpracując z noblistą Susumu Tonegawą, zespół Deisserotha reaktywował konkretne komórki przechowujące pamięć strachu u myszy, a zwierzęta okazywały lęk w miejscu, gdzie nic im nie zagrażało. Inne grupy zmapowały obwody pragnienia, uwagi i gorączki, odkryły, że zbieranie piskląt w gnieździe i ich pielęgnacja działają u myszy jako oddzielne obwody, oraz wykazały, że serce zmuszone do silniejszego bicia może nasilać lęk.

Czego nagroda nie rozstrzyga

Optogenetyka pozostaje głównie narzędziem badawczym, a nie terapią. Zastosowanie jej u ludzi oznacza wprowadzenie obcego genu do ludzkich komórek, zwykle za pomocą zmodyfikowanego wirusa, oraz dostarczenie światła w głąb tkanki, co w przypadku mózgu wymaga implantu. Żaden z tych kroków nie jest rutynowy u pacjentów, a długoterminowe bezpieczeństwo noszenia białka glonu w ludzkich neuronach nie zostało ustalone.

Najwyraźniejszy wynik u ludzi jest wąski. Mężczyzna niewidomy od 40 lat z powodu barwnikowego zwyrodnienia siatkówki otrzymał gen channelrhodopsiny w jednym oku oraz gogle rzutujące impulsy światła na siatkówkę. Odtworzył wzrok na tyle, by lokalizować i liczyć przedmioty na stole – wynika z opisu przypadku w „Nature Medicine” z 2021 roku. Jeden pacjent to dowód zasady, a nie dowód, że leczenie działa szeroko, a badania kliniczne wciąż trwają.

Nagroda wyznacza też linię w zatłoczonym polu. Zasady Nobla pozwalają na co najwyżej trzech laureatów na nagrodę. Artykuł z 2005 roku, w którym po raz pierwszy przełączono neurony za pomocą channelrhodopsiny-2, powstał w laboratorium Deisserotha, a jego pierwszym autorem był Edward Boyden, a współautorami Feng Zhang i biofizyk Ernst Bamberg. Gero Miesenböck z Oksfordu wcześniej sprawił, że neurony odpalały w odpowiedzi na światło przy użyciu innego światłoczułego układu. Bamberg, Boyden i Miesenböck podzielili się w 2013 roku Nagrodą Mózgu za optogenetykę z tegorocznymi trzema laureatami, ale nie są częścią Nagrody Nobla.

Od żabiego jaja do Sztokholmu

Droga do nagrody wiodła przez kilka publikacji. Nagel, Hegemann i współpracownicy opisali channelrhodopsinę-1 w „Science” w 2002 roku, a channelrhodopsinę-2 w „PNAS” w 2003. Grupa Deisserotha opisała neurony sterowane światłem w „Nature Neuroscience” w 2005, metoda otrzymała nazwę w 2006, a pierwsze sterowanie neuronami wewnątrz żywego mózgu myszy nastąpiło w 2007. Eksperyment z pamięcią strachu z Tonegawą miał miejsce w 2012.

Najczęstsze pytania o Nagrodę Nobla z Medycyny 2026

Kto zdobył Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 2026 roku?

Karl Deisseroth z Uniwersytetu Stanforda i Howard Hughes Medical Institute, Peter Hegemann z Uniwersytetu Humboldta w Berlinie oraz Georg Nagel z Uniwersytetu w Würzburgu. Zostali uhonorowani za odkrycia dotyczące światłoczułych kanałów jonowych i optogenetyki, a 12 milionów koron szwedzkich dzielą po równi.

Czym jest optogenetyka w prostych słowach?

To sposób na kontrolowanie wybranych komórek nerwowych za pomocą światła. Naukowcy dodają gen światłoczułego białka, takiego jak channelrhodopsina, do jednego typu neuronów. Świecenie światłem o odpowiednim kolorze włącza lub wyłącza te komórki w ciągu milisekund, co pozwala badaczom sprawdzić, co robi każdy typ komórek.

Czy optogenetyka jest stosowana w leczeniu pacjentów?

Jeszcze nie jako zatwierdzona terapia. Trwają badania kliniczne testujące ją w przywracaniu częściowego wzroku osobom niewidomym z powodu barwnikowego zwyrodnienia siatkówki, a jeden leczony pacjent odzyskał zdolność lokalizowania i liczenia przedmiotów dzięki specjalnym goglom. Naukowcy mają też nadzieję, że mogłaby sprawić, iż implanty ślimakowe będą precyzyjniejsze niż stymulacja elektryczna.

Trzej laureaci otrzymają medale i dyplomy podczas ceremonii wręczenia Nagrody Nobla w Sztokholmie 10 grudnia. Glon, który to zapoczątkował, wciąż płynie w kierunku światła w wodzie stawu, a białko w jego plamce ocznej otwiera się teraz na komendę w laboratoriach na całym świecie.

Reference: Nagel et al., „Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel,” PNAS, 2003. DOI: 10.1073/pnas.1936192100. Boyden et al., „Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity,” Nature Neuroscience, 2005. DOI: 10.1038/nn1525

Tagi: Nagroda Nobla, channelrhodopsin, Georg Nagel, Karl Deisseroth, neuronauka, optogenetyka