Pionierzy optogenetyki z Nagrodą Nobla

Zgromadzenie Noblowskie przy Instytucie Karolinska w Sztokholmie przyznało w poniedziałek Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny Karlowi Deisserothowi, Peterowi Hegemannowi oraz Georgowi Nagelowi. Trzej naukowcy otrzymali wyróżnienie za odkrycia dotyczące światłoczułych kanałów jonowych oraz rozwój optogenetyki, metody eksperymentalnej pozwalającej badaczom kontrolować żywe komórki nerwowe za pomocą światła. Deisseroth jest profesorem bioinżynierii, psychiatrii i nauk behawioralnych na Uniwersytecie Stanforda w Kalifornii. Hegemann prowadzi badania na Uniwersytecie Humboldtów w Berlinie, a Nagel jest profesorem na Uniwersytecie w Würzburgu. Ich praca stworzyła metody wykorzystywane obecnie w laboratoriach na całym świecie do mapowania szlaków neuronalnych z precyzją milisekundową.

Od jednokomórkowych alg do żywych obwodów

Fundament naukowy stanowiły badania nad Chlamydomonas, jednokomórkową zieloną algą, która wykrywa źródła światła i płynie w ich stronę. Pracując w Instytucie Biofizyki Maxa Plancka we Frankfurcie, Nagel i Hegemann scharakteryzowali kanałorodopsynę-2, światłoczułe białko znajdujące się w plamce ocznej algi. Cząsteczka funkcjonuje jako kanał jonowy, który otwiera się pod wpływem światła, wpuszczając jony dodatnie do wnętrza komórki. Naukowcy zweryfikowali ten mechanizm, wprowadzając informacyjny RNA kodujący białko do oocytów żaby i mierząc powstałe prądy elektryczne. Nagel nawiązał później współpracę z Alexandrem Gottschalkiem, obecnie pracującym na Uniwersytecie Goethego we Frankfurcie, aby wprowadzić białko do nicieni i sprawdzić, czy impulsy świetlne mogą sterować ich ruchem fizycznym.

Alexander Gottschalk opisał moment, w którym światło wywołało ruch w szalce Petriego.

To faktycznie drgnęło w szalce, gdy włączyliśmy światło, i wtedy stało się jasne: o, to działa!

Kontrola mózgu ssaków i badania medyczne

Deisseroth przeniósł odkrycie dotyczące alg na grunt biologii ssaków, pakując geny światłoczułych opsyn do nieszkodliwych wirusów. Te wirusowe systemy dostarczania wprowadzają instrukcje genetyczne do wybranych grup neuronów, zmuszając komórki do ekspresji kanałów jonowych. Pod wpływem wiązek niebieskiego światła kanały otwierają się i wpuszczają jony dodatnie, generując impulsy elektryczne identyczne z naturalną aktywnością mózgu. Technika ta zastąpiła starsze metody stymulacji elektrycznej, które pobudzały duże obszary mózgu bez możliwości wyboru konkretnych typów komórek. Optogenetyka pomogła naukowcom analizować obwody neuronalne regulujące strach, uzależnienia, pragnienie, spożycie pokarmu, rytmy dobowe, generowanie gorączki i ból. Wspomogła również badania laboratoryjne nad schorzeniami neurologicznymi i psychiatrycznymi, w tym chorobą Parkinsona, padaczką, depresją, schizofrenią oraz terapiami eksperymentalnymi mającymi na celu przywrócenie wzroku.

Optogenetyka to silnik odkryć. Służy do badania złożonych systemów na podstawowym poziomie komórkowym.

Spostrzeżenia psychiatryczne i ogłoszenia laboratoryjne

Poza inżynierią molekularną Deisseroth prowadzi aktywną praktykę kliniczną, lecząc pacjentów psychiatrycznych, co wpływa na jego projektowanie eksperymentów na Stanfordzie. Jego laboratorium przeprowadziło niedawno próby manipulowania tętnem za pomocą światła, aby ocenić, jak częstotliwość pracy serca wpływa na stany poznawcze i procesy decyzyjne w mózgu. Komitet Noblowski powiadomił laureatów telefonicznie na krótko przed ogłoszeniem wyników o 11:30 w Sztokholmie w poniedziałek. Deisseroth odebrał telefon wczesnym rankiem w Kalifornii i poinformował rodzinę, podczas gdy Nagel odebrał połączenie na tarasie we włoskiej wiosce, będąc wcześniej uprzedzonym przez byłego studenta.

Nagel skomentował swoją reakcję na wieść o wyborze szwedzkiego komitetu.

To miłe uczucie, a zarazem nieco niewiarygodne. Naprawdę się tego nie spodziewałem.