Mengyao Henry von Ao Fei Si
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Gerade wurde der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2026 bekanntgegeben!
Karl Deisseroth, Peter Hegemann undGeorg Nagel wurden gemeinsam für ihre Leistungen ausgezeichnet.
Die Auszeichnung des Nobelkomitees beinhaltet – die Anerkennung für ihre Entdeckungen im Bereich der lichtgesteuerten Ionenkanäle und Photogenetik.
Das, was die drei Preisträger gemeinsam geschaffen haben, ist einer der wichtigsten methodischen Durchbrüche in der Neurowissenschaft der letzten 20 Jahre: Optogenetik.
Der wichtigste Durchbruch besteht darin, dass Wissenschaftler mit Licht in einer Millisekunden-Beschleunigung spezifische Neuronentypen präzise aktivieren oder unterdrücken können.
In der Vergangenheit konnten Forscher oft nur beobachten, dass eine bestimmte Gehirnregion oder eine Gruppe von Neuronen gleichzeitig aktiv ist, wenn das Gedächtnis entsteht, Emotionen verändern, die motorische Kontrolle erfolgt oder ein bestimmtes Verhalten auftritt.
Lichtgenetik hat dies verändert.
Forscher können aktiv die Aktivität bestimmter Neuronen steuern und dann beobachten, ob das Verhalten dazu kommt, abnimmt oder verschwindet, wodurch viele Probleme von der Korrelation zur Beweisführung einer Kausalbeziehung gebracht werden.
Diese Methode wurde später schnell zu einem wichtigen Werkzeug für die Erforschung von Nervenkreisläufen und wird weit verbreitet in der Untersuchung von Gedächtnis, Belohnung, Sucht, Bewegungskontrolle sowie den Mechanismen verschiedener neurologischer und psychischer Erkrankungen eingesetzt.
Und der Beginn dieser Revolution in den neurobiologischen Werkzeugen kommt tatsächlich von einer einzelligen grünen Algenart, die dem Licht folgt.
Von dem Lichtstecker in den Grünalgen bis zum Kontrolle der Neuronen
Die Technologieroute der Photogenetik hat eigentlich einen unerwarteten Ausgangpunkt – grüne Algen.
Einige einzelligen grünen Algen ändern ihre Bewegungsrichtung je nach Licht. Um dies zu erreichen, benötigen sie in ihrem Körper ein System, das „Licht“ schnell in „Elektrische Signale“ umwandeln kann.
Es ist im Grunde ein lichtgesteuerter Ionenkanal. Wenn Licht auf ihn trifft, öffnet sich der Kanal, und Ionen durchqueren die Zellmembran, wodurch sich das Membranpotential ändert.
Wenn man dies auf Neuronen betrachtet, ist interessant, dass die Informationsübermittlung der Neuronen von Ionenflüssen und Veränderungen des Membranspannungs abhängt.
Also kann man theoretisch, indem man diesen „im Licht öffnenden“ Ionenkanal in die Neuronen einbringt, direkt mit Licht kontrollieren, wann die Neuronen entladen werden.
Was Peter Hegemann und Georg Nagel getan haben, ist, diese Tür wirklich öffnen.
Hegemann hat lange Zeit untersucht, wie die einzelligen grünen Algen Chlamydomonas reinhardtii das Licht wahrnehmen.
Diese grünen Algen haben keine Augen, können aber im Licht schwimmen. Deshalb erkannte Hegemann schon früh, dass darin möglicherweise ein Protein vorhanden sein könnte, das das Licht stimuliert in direkte elektrische Signale umwandelt.
Im Jahr 2002 identifizierten Hegemann, Nagel und ihre Kollegen die erste Channelrhodopsin.
Im Jahr 2003 charakterisierten sie weiterhin Channelrhodopsin-2, also ChR2, und bestätigten, dass es sich um einen Kationengang handelt, der direkt durch Licht geöffnet werden kann.
Damit wurde ein „Lichtauslöser“, der natürlich in Grünalgen vorkommt, entdeckt.
Danach verwandelte Karl Deisseroth es tatsächlich in ein Werkzeug der Neurowissenschaft.
Im Jahr 2005 brachte die Deisseroth-Gruppe ChR2 in Neuronen von Säugetieren ein. Dabei zeigte sich, dass nur durch blaues Licht in Millisekunden-Größe das Nervenpotenzial induziert werden konnte.
Hier erreicht die Lichtgenetik ihren wahren Aufschwung – Forscher können somit mit genetischen Methoden nur bestimmte Arten von Neuronen dazu bringen, dieses lichtempfindliche Protein zu exprimieren.
Also wurde etwas, das in der Vergangenheit schwer zu machen war, plötzlich handhabbar.
Wähle eine bestimmte Art von Neuronen aus und installiere ihnen „Lichtstecker“, um mit Licht präzise zu bestimmen, wann sie aktiviert werden und wann sie stillstehen.
Der wichtigste Aspekt der Photogenetik liegt darin, dass sie ein langjähriges Problem der Neurowissenschaft löst: Wie man von der „Wahrnehmung der Gehirnaktivität“ zu der „Bestätigung, wer genau das Verhalten steuert“, gelangt.
Später wurde diese Methode weit verbreitet, um Forschungen zu Gedächtnis, Schlaf, Belohnung, Sucht, Sport, Angst, Depression, sozialem Verhalten sowie zu den verschiedenen neuronischen und psychischen Erkrankungen zusammenhängenden Gehirnverläufen durchzuführen.
Seine größte Vorteile sind ebenfalls klar: Es kann bestimmte Zelltypen fixieren, eine hohe räumliche Genauigkeit bietet und gleichzeitig millisekundenweises Zeitsteuerung ermöglicht.
In den letzten 20 Jahren haben Forscher weiterhin Channelrhodopsin weiterentwickelt.
Einige Reaktionen sind schneller, andere können durch Licht in verschiedenen Farben aktiviert werden, einige sind für das „Öffnen“ von Neuronen zuständig, andere für das „Schließen“ von Neuronen.
Daher wird in der offiziellen Aussage des Nobelpreises dieses Jahr ausdrücklich beide Bereiche zusammen aufgeführt: „light-gated Ion Channels“ und „Optogenetik“.
Der vorherige Teil bezieht sich auf die Entdeckungen und Mechanismenforschung der Lichtgesteuerten Ionenkanäle durch Personen wie Hegemann und Nagel.
Der nachfolgende Teil beschreibt, wie Deisseroth und seine Kollegen diese molekularen Werkzeuge tatsächlich in das Nervensystem einbringen und zu einem technischen System entwickeln, das die Nervenkreise manipulieren kann.
Die Beiträge von drei Personen sind zusammengefügt und bilden eine sehr vollständige Route –
Erst findet man den „Lichtsteuerhebel“ in der Grünschwefelflora, dann wird er in die Neuronen eingebaut, und schließlich können Wissenschaftler zum ersten Mal mit Licht spezifische Zellen im Gehirn präzise steuern.
Drei Wissenschaftler haben das wichtigste Teil der Lichtgenetik zusammengesetzt
Karl Alexander Deisseroth｜卡尔·亚历山大·代塞尔罗思
Karl Alexander Deisseroth (geb. 18. November 1971), US-amerikanischer Neurobiologe, Psychiater und Biotechniker, ist Professor für Biotechnik und Psychiatrie sowie Verhaltenswissenschaften an der Stanford University und Forscher am Howard Hughes Medical Institute.
Seine Erfahrungen sind typisch und umfassen Medizin, Neurowissenschaft und Ingenieurwesen.
Im Jahr 1992 schloss Deisseroth sein Studium der Molekularen Biologie an der Harvard University ab, danach begann er das Stanford MD-PhD-Programm. Im Jahr 1998 erhielt er einen Doktortitel in Neurowissenschaften und im Jahr 2000 einen Doktortitel in Medizin.
Was ihn tatsächlich an die Spitze des Lightgenetikzentrums brachte, war die Arbeit aus dem Jahr 2005.
Damals führten Deisseroth, Edward Boyden und Zhang Feng andere Personen Channelrhodopsin-2, also ChR2, in Neuronen von Säugetieren ein, und anschließend stellten sie fest –
Es reicht aus, dass Lichtblau auf den Neuronen trifft, um die Aktionspotentiale mit Millisekunden-Genauigkeit zu steuern.
Dieser Schritt verwandelte direkt das „Lichtsteuernde Ionenkanal“, das zuvor in den Mikroben vorhanden war, in ein Werkzeug, mit dem das Nervensystem manipuliert werden kann.
Danach setzte das Team von Deisseroth die Entwicklung der Lichtgenetik fort und entwickelte Techniken zur Organisationstransparenz und Bildgebung wie CLARITY.
Daher ist seine Leistung klar: Er hat die Lichtsteuerung der Ionenkanäle wirklich in die Neurowissenschaft eingeführt, sodass „Licht zur Steuerung von Neuronen“ zu einer methodischen Vorgehensweise wird, die auf große Skalen angewandt werden kann.
Peter Hegemann｜Peter Hegemann
Peter Hegemann (geboren am 11. Dezember 1954–), deutscher biologischer Physiker, ist Professor für experimentelle Biophysik an der Humboldt-Universität Berlin und Titularprofessor für Neurowissenschaften an der Hertie University.
Im Vergleich zu Deisseroth folgt Hegemann einer viel reineren Grundlagenforschungsstrategie.
Er wurde in Münster, Deutschland, geboren und studierte Chemie sowie Biochemie an der Universität Münster und der Universität München. 1984 absolvierte er seine Doktorarbeit am Max-Planck-Institut für Biochemie.
Ab 1993 war er Professor an der Universität Regensburg und wechselte anschließend an die Humboldt-Universität Berlin.
Seit Jahrzehnten untersucht Hegemann ein scheinbar sehr grundlegendes Problem: Wie erkennen einzelzellige Mikroalgen das Licht?
Diese Forschung führte später direkt zu Channelrhodopsin.
Er und Georg Nagel sowie andere entdeckten und charakterisierten Channel-Rhodopsin, und zeigten, dass diese Protein die beiden Funktionen des Lichtempfindens und der Kontrolle des Ionenflusses in einem einzigen Molekül vereint.
Für Photogenetik bedeutet dies, dass man das wichtigste „teil“ gefunden hat.
Ohne diesen natürlich vorhandenen Lichtsteuerungsionenkanal könnte die Technik „Neuronen mit Licht steuern“ auch nicht erklärt werden.
Georg Nagel｜格奥尔格·纳格尔
Georg Nagel, geboren 1953, deutsch-biofysischer Physiker, ist derzeit Professor an der Universität Würzburg und erforscht seit Langem Mikrobiomakrorezeptoren, Membranproteine sowie photogenetische Werkzeuge.
Nagel wurde in Weinheim in Deutschland geboren und studierte Biologie und Biophysik an der Universität Konstanz. 1988 erhielt er einen Doktortitel von der Universität Frankfurt.
Danach arbeitete er zunächst als Postdozent an der Yale University und der Rockefeller University und leitete über lange Zeit eine Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Biophysik.
Sein wichtigster Beitrag lag in den Jahren, in denen Channelrhodopsin tatsächlich seine „Identität festgelegt“ wurde.
Im Jahr 2002 und 2003 identifizierten und charakterisierten Nagel sowie Hegemann und andere die Channelrhodopsin-1 und Channelrhodopsin-2.
Dort ist ChR2 besonders wichtig.
Sie zeigten, dass der ChR2 selbst ein Kationenkanal ist, der direkt durch Licht aktiviert werden kann. Wenn er in Säugetierzellen eingebaut wird, führt das Licht zur Depolarisation der Zellmembranen.
Dieser Schritt gibt fast direkt die technische Strategie für später an: Da Licht die elektrische Aktivität der Zellmembran durch ChR2 verändern kann, hat das Einbringen von Licht in Neuronen die Möglichkeit, die Neuronenimpulse direkt zu kontrollieren.
Hegemann und Nagel haben den „Lichtauslass“ selbst entdeckt und verstanden, während Deisseroth diesen „Lichtauslass“ tatsächlich in Neuronen einbaute und daraus die Lichtgenetik entwickelte.
Mit diesem und jenem Ereignis entstand das gesamte System der Techniken zur Erforschung des Gehirns.
Referenzlinke:
[1]
https://med.stanford.edu/profiles/karl-deisseroth
[2]
https://brainprize.org/winners/optogenetics-2013/peter-hegemann
[3]
https://www.biologie.hu-berlin.de/de/gruppenseiten/expbp/groupmembers/prof.-hegemann-peter