Nauki przyrodnicze [2026-10-06]

Medyczny Nobel: nowe światło na neurony

— Wiesław Nowak

Karl Deisseroth, Peter Hegemann oraz Georg Nagel otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny. Instytut Karolinska uhonorował naukowców za odkrycie kanałów jonowych sterowanych światłem i rozwój optogenetyki. O badaniach tegorocznych laureatów opowiada prof. dr hab. Wiesław Nowak, kierownik Katedry Biofizyki na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK

Nasze mózgi i układy nerwowe zbudowane są z komórek zwanych neuronami. Mamy ich około 100 miliardów. Neurony poprzez aksony i dendryty (tj. odpowiednie wypustki) łączą się, tworząc sieć, która umożliwia nam życie, w tym myślenie czy odbieranie bodźców. Przesyłanie sygnałów z jednego neuronu do drugiego odbywa się, m.in. na drodze zmiany lokalnej wartości różnicy potencjału elektrycznego pomiędzy wnętrzem neuronu a zewnętrzem. Przestrzenie te rozdziela izolująca błona komórkowa, a w niej znajdują się białka zwane kanałami jonowymi. Różnicę potencjałów zapewniają zasilane ATP nanomaszyny zwane pompami sodowo-potasowymi. W kanałach są przestrzenie umożliwiające selektywny transport jonów, głównie sodu Na⁺ i potasu K⁺ z i do wnętrza neuronu. W trakcie przesyłania informacji poprzez impuls tzw. potencjału czynnościowego kanały jonowe otwierają się i zamykają w odpowiedniej sekwencji, wykrywając fakt pobudzenia neuronu.

Można chwilowo chemicznie zablokować kanały jonowe, tak działają niektóre środki znieczulające. Można trwale zamknąć lub otworzyć kanały jonowe przy pomocy specyficznych trucizn. Marzeniem neurobiologów było uzyskanie kontroli nad selektywnym zamykaniem/otwieraniem kanałów na drodze innej niż chemiczna czy prymitywne wszczepianie elektrod do mózgu.

Możliwość taka pojawiła się w 2005 roku dzięki pracom zespołu Karla Deisserotha z Uniwersytetu Stanforda w USA. Wykorzystał on techniki biologii molekularnej pozwalające wprowadzić do mózgu myszy, przy pomocy lentivirusów, gen białka ChR2 z algi, który jest czuły na światło. Pod wpływem światła o odpowiednio dobranej długości fali kanał ten się otwiera i aktywuje neuron.

Otwieranie i zamykanie sztucznie wprowadzonych do neuronów kanałów jonowych stało się w pełni kontrolowalne – zarówno pod względem lokalizacji (to badacz decyduje, w jaki obszar mózgu precyzyjnie wprowadzić geny), jak i czasu trwania aktywacji (rozdzielczość milisekundowa). Nowa technika, szybko nazwana przez Deisserotha optogenetyką, błyskawicznie stała się popularna do tego stopnia, że w roku 2010 prestiżowe czasopismo "Nature Methods" wybrało ją jako "metodę roku". Doświadczenia neurobiologiczne nabrały nowego tempa, pojawiły się coraz liczniejsze doniesienia o możliwości selektywnej kontroli światłem układu nerwowego coraz bardziej złożonych organizmów. Od tego czasu postęp jest ogromny.

Optogenetyka budzi duże nadzieje w naukach medycznych. Prowadzone są doświadczenia nad przywracaniem wzroku osobnikom niewidomym, spekuluje się o możliwości stworzenia optogenetycznego "aparatu słuchowego", udowodniono, że można odzwyczaić od narkotyku myszy uzależnione od kokainy, są poważne przymiarki do leczenia choroby Parkinsona. Wyhodowano transgeniczne myszy, których skóra jest czuła na światło dzięki modyfikowanym neuronom. Przed przejściem do etapu medycyny translacyjnej prowadzone są już trudne, a niekiedy wątpliwe etycznie, doświadczenia na ssakach naczelnych. Opracowano całe baterie fotoaktywnych białek kanałowych, czułych na różne długości fal, w tym na podczerwień. Chodzi o to, że aktywowanie kanałów promieniowaniem o dużej długości fali pozwoli głębiej penetrować tkanki. Warto wiedzieć, że optogentyka to nie tylko kanały jonowe – opracowano szereg innych układów pozwalających na optyczną regulację poziomu ekspresji genów, są to narzędzia, które na pewno przyśpieszą rozwój biologii molekularnej.

Kiedy optogenetyka wejdzie do praktyki medycznej – nie wiadomo, trzeba rozwiązać szereg problemów, takich jak dobór wirusów wprowadzających geny czułych na światło kanałów, doprowadzenie światła do miejsca stymulacji, zapewnienie trwałości systemu, monitorowanie efektów i właściwe dozowanie impulsów światła, które ma leczyć. Doprowadzone światło nie powinno uszkadzać tkanki nerwowej, zaś nowe procedury muszą spełniać coraz ostrzejsze wymagania bezpieczeństwa stawiane terapiom genowym.

W Katedrze Biofizyki Instytutu Fizyki UMK w Toruniu od wielu lat prowadzimy badania białek fotoaktywnych, w tym kanałów jonowych typu ChR2 stosowanych w optogenetyce. Stosując metody modelowania komputerowego dynamiki białek, staramy się zrozumieć molekularne mechanizmy otwierania i zmykania tych kanałów. Śledzimy jak zmiany konformacyjne indukowane światłem wpływają na kanały jonowe. Inspiracją do tych badań były m.in. prace tegorocznych noblistów: Karla Deisseroth, Petera Hegemanna i Georg Nagela. Prace nasze dotyczą również optycznej kontroli kanałów potasowych, ważnych w wydzielaniu insuliny.

Georg Nagel oraz Peter Hegeman z Max-Planck-Institut für Biophysik we Frankfurcie jako pierwsi w publikacji w PNAS 2003 zwrócili uwagę na potencjał przełączalnego światłem białka rodopsyny kanałowej ChR2 z algi Chlamydomonas reinhardtii. Jak wspomniano, Karl Deisseroth pokazał, jak można zapewnić selektywną ekspresję tego białka w neuronach i jak precyzyjnie można sterować aktywnością tych neuronów przy pomocy niebieskiego światła.

Peter Hegemann ur. w 1954 r., uważany za odkrywcę fotoaktywnych opsyn, wychował się w Aachen (Niemcy) w rodzinie lekarskiej. Ukończył studia chemiczne, doktorat zrobił z biochemii, zaś głównego odkrycia dokonał jako profesor Uniwersytetu w Ratyzbonie. Kanałami w algach zainteresował się jako postdoc w Nowym Jorku (Syracuse University). Obecnie jest profesorem biofizyki eksperymentalnej Uniwersytetu Humboldta w Berlinie (Hertie Senior Research Chair for Neurosciences).

Georg Nagel, ur. w 1953 r., odkrył wspólnie z P. Hagemanem fotoaktywne kanały jonowe w algach.  Studiował biologię i biofizykę na Uniwersytecie w Konstancy (Niemcy). Doktorat uzyskał w 1988 r. w Uniwersytecie we Frankfurcie. Szereg lat był szefem niezależnej grupy badawczej w Katedrze Chemii Biofizycznej w Max Planck Institute of Biophysics we Frankfurcie. Od 2004 r. jest profesorem na Uniwersytecie w Würzburgu.

Karl Deisseroth, ur. w 1971 r., uzyskał wykształcenie w naukach biochemicznych na Harvardzie, zaś doktorat (MD-PhD) w dyscyplinie neuronauk na Uniwersytecie Stanforda w 1998 r. Odbył rezydenturę z psychiatrii i jest związany ze szpitalem Uniwersytetu Stanforda. Ma duże osiągnięcia naukowe nie tylko w optogentyce, ale też w dziedzinie funkcjonalnych nauk materiałowych – opracował specjalne hydrożele łączące się z tkankami (CLARITY). Ostatnio jego zespół pokazał, że kardiomiocyty – odpowiednio zmodyfikowane komórki mięśnia sercowego – też  mogą być kontrolowane przy pomocy światła.