Nobel z medycyny za odkrycie, które pozwala sterować mózgiem światłem
Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny trafiła do trzech naukowców, którzy opracowali metodę włączania i wyłączania komórek nerwowych za pomocą światła. To przełomowe osiągnięcie, które otwiera nowe możliwości w leczeniu chorób neurologicznych i poznawaniu tajemnic ludzkiego mózgu. W rozmowie z „Kurierem Polskim” prof. Magdalena Dziembowska z Uniwersytetu Warszawskiego wyjaśnia, dlaczego obserwacja zwykłego glonu okazała się inwestycją na miarę Nagrody Nobla.
Kim są tegoroczni laureaci Nagrody Nobla z medycyny?
Komitet Noblowski uhonorował dwóch niemieckich badaczy, Petera Hegemanna i Georga Nagela, oraz Amerykanina Karla Deisserotha. Doceniono ich pionierskie prace nad światłoczułymi kanałami jonowymi i rozwojem optogenetyki, czyli metody pozwalającej kontrolować aktywność neuronów za pomocą światła.
Jak podkreśla prof. Dziembowska, dla neurobiologów to nagroda szczególna, bo dotyczy odkrycia, które rewolucjonizuje badania nad mózgiem. Chodzi o kanał jonowy aktywowany światłem, który można precyzyjnie włączać i wyłączać w komórkach nerwowych żywego organizmu.
Od glonu do przełomu w neurobiologii
Historia tego odkrycia zaczyna się od niepozornego organizmu. Chlamydomonas to jednokomórkowy zielony glon, który potrafi pływać w kierunku światła. Naukowcy odkryli na nim plamkę oczną, czyli strukturę reagującą na światło, i podejrzewali, że znajduje się w niej białko działające jak kanał jonowy.
Kolejne eksperymenty na oocytach żaby potwierdziły te przypuszczenia. Po wprowadzeniu do komórek mRNA kodującego to białko i oświetleniu ich, zarejestrowano mierzalny impuls elektryczny. W ten sposób udowodniono, że mamy do czynienia z kanałem jonowym sterowanym światłem. Następnie technikę przetestowano na neuronach, najpierw w warunkach laboratoryjnych, a później w mózgach zwierząt.
Jak działa optogenetyka?
Kluczowe białko nazywa się channelrodopsyną-2. Po oświetleniu niebieskim światłem kanał otwiera się błyskawicznie, co powoduje napływ jonów dodatnich do komórki i jej aktywację. Jak tłumaczy prof. Dziembowska, w ten sposób można naśladować naturalny impuls nerwowy, który powstaje w mózgu podczas myślenia, mówienia czy marzeń.
Nazwa metody łączy dwa elementy: „opto” oznacza aktywację światłem, a „genetyka” odnosi się do konstruktu genetycznego, który trzeba wprowadzić do komórek, ponieważ ludzki organizm nie wytwarza tego białka naturalnie. Do dostarczenia instrukcji genetycznej do wybranych neuronów wykorzystuje się wirusy.
W praktyce badawczej naukowcy wiercą niewielki otwór w czaszce zwierzęcia i umieszczają w mózgu cieniutki światłowód, przez który oświetlają wybrane neurony. Obecnie badania prowadzi się głównie na myszach i szczurach.
Ograniczenia i przyszłość optogenetyki
Metoda ma jednak swoje ograniczenia. Światło, zwłaszcza niebieskie, słabo przenika przez tkankę mózgową. Dlatego naukowcy pracują nad kanałami reagującymi na światło czerwone, które w przyszłości mogłyby być stosowane nawet bez ingerencji w czaszkę.
Przez ponad sto lat neurobiolodzy przypominali słuchaczy próbujących zrozumieć orkiestrę grającą za ścianą. Elektrody pozwalały wychwycić pojedyncze dźwięki, a leki ściszały całe sekcje naraz. Optogenetyka umożliwia precyzyjne wskazanie jednego „muzyka” i poproszenie go, aby zagrał albo zamilkł.
Jakie są praktyczne zastosowania optogenetyki?
Trwają już badania kliniczne z udziałem osób cierpiących na barwnikowe zwyrodnienie siatkówki, chorobę prowadzącą do ślepoty. Pacjenci nie odzyskali pełnego wzroku, ale potrafią rozpoznawać kształty i sięgać po przedmioty. Optogenetyka może również w przyszłości poprawić działanie implantów ślimakowych dzięki szybszej i precyzyjniejszej stymulacji nerwu słuchowego.
Najważniejszy efekt tego odkrycia jest jednak szerszy. Mózg pozostaje bowiem tym organem, o którym wiemy stosunkowo niewiele. Nie rozumiemy w pełni mechanizmów pamięci, kodowania wspomnień czy powstawania emocji. Zanim będzie można bezpiecznie stosować tę metodę u ludzi, konieczne jest dokładne poznanie molekularnych mechanizmów działania obwodów neuronalnych.
Dlaczego Nobel trafił właśnie do tych naukowców?
Wśród komentatorów pojawiają się głosy, że w gronie laureatów zabrakło Eda Boydena, pierwszego autora przełomowej pracy z 2005 roku. Prof. Dziembowska przyznaje, że również ona przyznałaby mu to wyróżnienie. Regulamin pozwala jednak nagrodzić najwyżej trzy osoby, a komitet chciał pokazać całą drogę: od badań podstawowych nad prostym glonem do technologii wykorzystywanej dziś na całym świecie.
To być może najważniejsza lekcja tegorocznego Nobla. Trzydzieści lat temu trudno byłoby przekonać kogokolwiek do finansowania obserwacji pływających glonów. Dziś to, co zaczęło się od zwykłej naukowej ciekawości, zmienia sposób badania mózgu. Nobel pozostaje jedyną nagrodą naukową, która naprawdę funkcjonuje w świadomości opinii publicznej. Każdy uniwersytet chciałby mieć noblistę, a każde państwo szczyci się swoimi laureatami. W globalnej rywalizacji o talenty i technologie to także kwestia geopolityki i prestiżu narodowego.