للتو، تُوِّجت التحسين الوراثي الضوئي بجائزة نوبل!

منغ ياو وهنري من موقع أوفي سي

البت الكمومي | حساب QbitAI على وي تشات

للتو، أُعلن عن جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب لعام 2026!

كارل دايسيروث وبيتر هيغمانوغيورغ ناغلحصل ثلاثة علماء على الجائزة معًا.

السبب الذي أوردته لجنة نوبل للفوز هو — تقديراً لاكتشافاتهما في قنوات الأيونات المتحكم بها ضوئياً وعلم التحسين الوراثي الضوئي.

ما أرساه الحاصلون على الجائزة الثلاثة معًا هو أحد أهم الاختراقات المنهجية في علم الأعصاب خلال الـ20 سنة الماضية:التحسين الوراثي الضوئي(Optogenetics).

اختراقه الجوهري هو تمكين العلماء من تنشيط أو تثبيط أنواع معينة من الخلايا العصبية بدقة باستخدام الضوء على مقياس زمني بالملي ثانية.

في الماضي، كان الباحثون غالباً ما يمكنهم فقط ملاحظة أن منطقة دماغية معينة أو مجموعة من الخلايا العصبية تنشط بشكل متزامن عند تشكّل الذكريات أو تغيّر المشاعر أو التحكم في الحركة أو ظهور سلوك ما.

لقد غيّر التحسين الوراثي الضوئي ذلك.

أصبح الباحثون قادرين على التلاعب الفعّال بنشاط خلايا عصبية محددة، ثم مراقبة ما إذا كان السلوك يحدث أو يضعف أو يختفي تبعاً لذلك، وبذلك انتقلت كثير من الأسئلة من ملاحظة الارتباط إلى التحقق من السببية.

أصبحت هذه الطريقة سريعاً أداة مهمة لدراسة الدوائر العصبية، واستُخدمت على نطاق واسع في أبحاث الذاكرة والمكافأة والإدمان والتحكم الحركي، وآليات أنواع عديدة من الأمراض العصبية والنفسية.

وقد جاءت نقطة انطلاق هذه الثورة في أدوات علم الأعصاب في الواقع من طحلب أخضر وحيد الخلية يسبح وراء الضوء.

من المفتاح الضوئي في الطحالب الخضراء إلى التحكم في الخلايا العصبية

نقطة انطلاق مسار التحسين الوراثي الضوئي التقني كانت في الواقع غير متوقعة — الطحالب الخضراء.

بعض الطحالب الخضراء وحيدة الخلية تغيّر اتجاه سباحتها حسب الإضاءة. ولإنجاز ذلك، تحتاج داخلها إلى آلية قادرة على تحويل "الضوء" بسرعة إلى "إشارة كهربائية".

جوهرها هو قناة أيونية متحكَّم بها ضوئياً: عندما يسلط الضوء عليها، تنفتح القناة، وتعبر الأيونات الغشاء الخلوي، فيتغير جهد الغشاء الخلوي تبعاً لذلك.

والنقطة المثيرة للاهتمام عند تطبيق ذلك على الخلايا العصبية هي أن الخلايا العصبية تنقل المعلومات أصلاً بالاعتماد على تيارات الأيونات وتغيرات جهد الغشاء.

لذا، بمجرد زرع هذه القناة الأيونية "التي تنفتح عند التعرض للضوء" في الخلايا العصبية، يمكن نظرياً التحكم مباشرة بالضوء في متى تُطلق الخلايا العصبية نبضاتها.

ما فعله بيتر هيغمان وغيورغ ناغل هو أن فتحا هذا الباب فعلاً.

درس هيغمان لفترة طويلة كيف تدرك الطحالب الخضراء وحيدة الخلية Chlamydomonas reinhardtii الضوء.

هذا الطحلب الأخضر ليس له عيون، لكنه يسبح وراء الضوء، ولهذا أدرك هيغمان مبكراً أن ربما يخفي هذا بروتيناً قادراً على تحويل التحفيز الضوئي مباشرة إلى إشارة كهربائية.

في عام 2002، حدّد هيغمان وناغل وتعاوناهما معهم أول Channelrhodopsin.

وفي عام 2003، وصفوا بشكل أدق Channelrhodopsin-2، أي ChR2، مؤكدين أنه قناة كاتيونية يمكن أن ينفتحها الضوء مباشرة.

وهكذا وُجد "المفتاح الضوئي" الموجود طبيعياً في الطحالب الخضراء.

بعد ذلك، حوّل Karl Deisseroth هذه التقنية فعليًا إلى أداة في علم الأعصاب.

في عام 2005، أدخل فريق Deisseroth بروتين ChR2 إلى خلايا عصبية في الثدييات، فتبيّن أن التعرض للضوء الأزرق فقط يكفي لتحفيز الخلايا العصبية على إنتاج جهود فعل بدقة بمستوى المللي ثانية.

عند هذه النقطة تشكّلت البصريات الوراثية فعليًا، وتمكّن الباحثون كذلك من الاستعانة بأساليب وراثية لجعل أنواع محددة فقط من الخلايا العصبية تعبّر عن هذا البروتين الحساس للضوء.

وهكذا أصبح أمر كان من الصعب جدًا تنفيذه في الماضي فجأة قادرًا على التطبيق —

اختيار فئة معينة من الخلايا العصبية، وتركيب "مفتاح ضوئي" فيها، ثم استخدام الضوء للتحكم بدقة في وقت تفعيلها ووقت صمتها.

أهم ما في علم البصريات الوراثية (Optogenetics) أنه حلّ لغزًا طويل الأمد في علم الأعصاب، وهو كيفية الانتقال من "رؤية نشاط الدماغ" إلى "التحقق من مَن يتحكم فعلًا في السلوك".

لاحقًا، استُخدمت هذه المنهجية على نطاق واسع في دراسة الذاكرة والنوم والمكافأة والإدمان والحركة والقلق والاكتئاب والسلوك الاجتماعي، إضافة إلى الدوائر الدماغية المرتبطة بمختلف الأمراض العصبية والنفسية.

وميزتها الأكبر واضحة أيضًا، فهي تجمع بين القدرة على استهداف أنواع خلوية محددة ودقة مكانية عالية، مع إمكانية التحكم الزمني بدقة المللي ثانية.

على مدى السنوات الـ20 الماضية، واصل الباحثون تعديل الـChannelrhodopsin.

فبعضها يستجيب أسرع، وبعضها يمكن تنشيطه بألوان مختلفة من الضوء، وبعضها مسؤول عن "تشغيل" الخلايا العصبية، وبعضها مسؤول عن "إيقاف" الخلايا العصبية.

لذلك في الصياغة الرسمية لجائزة نوبل هذا العام، ورد الجزءان جنبًا إلى جنب عمدًا: "light-gated ion channels" و"optogenetics".

الجزء الأول يقابل اكتشاف القنوات الأيونية المتحكمة بالضوء ودراسة آلياتها على يد Hegemann وNagel وغيرهما.

أما الجزء الثاني فيقابل جهود Deisseroth وغيره في نقل هذه الأدوات الجزيئية فعليًا إلى الجهاز العصبي وتطويرها إلى منظومة تقنية قادرة على التلاعب بالدوائر العصبية.

مساهمات الأشخاص الثلاثة متصلة ببعضها، وهي في جوهرها مسار متكامل تمامًا—

أولًا العثور على "المفتاح الضوئي" في الطحلب الأخضر، ثم تركيبه داخل الخلايا العصبية، وأخيرًا تمكين العلماء لأول مرة من التحكم الدقيق بخلايا محددة في الدماغ بواسطة الضوء.

ثلاثة علماء أكملوا أهم ثلاث قطع في أحجية البصريات الوراثية

Karl Alexander Deisseroth｜كارل ألكسندر دايسيروث

كارل ألكسندر دايسيروث (Karl Alexander Deisseroth، من مواليد 18/11/1971)، عالم أعصاب وطبيب نفسي وعالم هندسة حيوية أمريكي، يشغل حاليًا منصب أستاذ الهندسة الحيوية والطب النفسي وعلوم السلوك في جامعة ستانفورد، وباحث في معهد هوارد هيوز الطبي.

مسيرته تجسّد بشكل نموذجي امتدادًا بين الطب وعلم الأعصاب والهندسة.

في عام 1992، تخرج Deisseroth من جامعة هارفارد متخصصًا في العلوم الكيميائية الحيوية، ثم التحق ببرنامج MD-PhD في جامعة ستانفورد، حيث حصل على درجة الدكتوراه في علم الأعصاب عام 1998، وعلى درجة دكتور في الطب عام 2000.

أما ما وضعه فعلًا في مركز البصريات الوراثية فهو عمل عام 2005.

حيث أدخل Deisseroth مع Edward Boyden وفنغ تشانغ وغيرهما بروتين الـChannelrhodopsin-2، أي ChR2، إلى خلايا عصبية في الثدييات، ثم اكتشفوا أن—

مجرد التعرض للضوء الأزرق كان كافيًا للتحكم بدقة مللي ثانية في تولّد الخلايا العصبية جهود فعل.

هذه الخطوة حوّلت مباشرة "القنوات الأيونية المتحكمة بالضوء" التي كانت موجودة سابقًا في الكائنات الدقيقة إلى أداة يمكن استخدامها للتلاعب بالجهاز العصبي.

بعد ذلك، واصل فريق Deisseroth دفع تطور البصريات الوراثية، وطور تقنيات شفافية الأنسجة والتصوير مثل CLARITY.

لذا فإن مساهمته واضحة: نقل القنوات الأيونية المتحكمة بالضوء فعليًا إلى علم الأعصاب، وجعل "التحكم بالخلايا العصبية بالضوء" منهجية قابلة للاستخدام على نطاق واسع.

Peter Hegemann｜بيتر هيغمان

بيتر هيغمان (Peter Hegemann، من مواليد 11/12/1954)، عالم فيزياء حيوية ألماني، يشغل حاليًا منصب أستاذ الفيزياء الحيوية التجريبية وأستاذ كرسي Hertie لعلوم الأعصاب في جامعة هومبولت في برلين.

مقارنة بـDeisseroth، سار Hegemann في مسار بحث أساسي أنقى.

وُلد في مدينة مونستر الألمانية، ودرس الكيمياء والكيمياء الحيوية في جامعتي مونستر وميونيخ، وأكمل أبحاث الدكتوراه في معهد ماكس بلانك للكيمياء الحيوية عام 1984.

منذ عام 1993، عمل أستاذًا في جامعة ريغنسبورغ، ثم انتقل لاحقًا إلى جامعة هومبولت في برلين.

على مدى عقود، ظل Hegemann يدرس مسألة تبدو أساسية للغاية: كيف تستشعر الطحالب وحيدة الخلية الضوء فعلًا؟

هذا النوع من الأبحاث قاد لاحقًا بشكل مباشر إلى الـChannelrhodopsin.

فهو مع Georg Nagel وآخرين اكتشفوا القنوات الرودوبسينية (Channelrhodopsins) وأوصفوها، وأثبتوا أن هذا البروتين قادر على دمج وظيفتي استشعار الضوء والتحكم بتدفق الأيونات في جزيء واحد.

بالنسبة للبصريات الوراثية، كانت هذه الخطوة تعادل العثور على "القطعة" الجوهرية الأهم.

من دون هذه القناة الأيونية المتحكمة بالضوء الموجودة طبيعيًا، ما كانت تقنية "التحكم بالخلايا العصبية بالضوء" لتوجد أصلًا.

Georg Nagel｜غيورغ ناغل

جورج ناغل (Georg Nagel)، مواليد عام 1953، عالم فيزياء حيوية ألماني، يشغل حالياً منصب أستاذ في جامعة فورتسبورغ، ويبحث منذ فترة طويلة في المستقبلات الضوئية للكائنات الدقيقة، والبروتينات الغشائية، وأدوات البصريات الوراثية.

وُلد Nagel في مدينة فاينغارتن الألمانية، ودرس علم الأحياء والفيزياء الحيوية في جامعة كونستانس، وحصل على درجة الدكتوراه من جامعة فرانكفورت عام 1988.

بعد ذلك، أجرى أبحاث ما بعد الدكتوراه في جامعة ييل ثم جامعة روكفيلر، وقاد مجموعة بحثية لسنوات طويلة في معهد ماكس بلانك للفيزياء الحيوية.

تتركز أهم إسهاماته في السنوات التي تأكدت فيها هوية الـChannelrhodopsin بشكل قاطع.

ففي عامي 2002 و2003، حدّد Nagel بالاشتراك مع Hegemann وآخرين كل من Channelrhodopsin-1 وChannelrhodopsin-2 وتوصيفهما.

ومن بينهما، يُعد ChR2 بالغ الأهمية.

فقد أثبتوا أن ChR2 بحد ذاته قناة كاتيونية يمكن تفعيلها مباشرة بالضوء، وأن إدخالها في خلايا ثديية يجعل التعرض للضوء قادراً على إحداث استقطاب عكسي (depolarization) في غشاء الخلية.

هذه الخطوة قدّمت عملياً المسار التقني اللاحق مباشرة: فبما أن الضوء يستطيع عبر ChR2 تغيير النشاط الكهربائي لغشاء الخلية، فإن إدخالها في الخلايا العصبية يوفر فرصة للتحكم مباشرة في تفريغها الكهربائي.

لقد وجد Hegemann وNagel "مفتاح الضوء" ذاته وفهما كيفية عمله، في حين أدخل Deisseroth هذا "المفتاح الضوئي" فعلياً في الخلايا العصبية وطوّره ليصبح البصريات الوراثية.

وبفضل هذا التسلسل المتتابع، وُلد اليوم النظام التقني الكامل لدراسة الدماغ بالضوء.

روابط مرجعية:
[1]
الرابط: https://med.stanford.edu/profiles/karl-deisseroth
[2]
الرابط: https://brainprize.org/winners/optogenetics-2013/peter-hegemann
[3]
الرابط: https://www.biologie.hu-berlin.de/de/gruppenseiten/expbp/groupmembers/prof.-hegemann-peter