Nagroda Nobla 2026 z fizjologii lub medycyny: Karl Deisseroth, Peter Hegeman i Georg Nagel

Świeżo upieczony doktor Peter Hegemann zadał sobie któregoś dnia proste pytanie: w jaki sposób jednokomórkowy glon Chlamydomonas potrafi tak szybko reagować na światło?

Wiadomo było, że organizmy te rejestrują oświetlenie za pomocą plamki ocznej – maleńkiej, pomarańczowej kropki w komórce. Udało się też ustalić, że zawiera ona cząsteczki pochłaniające fotony: retinal.

Światło niesie energię. Hegemann za pomocą mikroskopijnych elektrod mierzył sygnały elektryczne powstające w komórkach Chlamydomonas w momencie oświetlenia plamki ocznej. Algi reagowały niezwykle szybko. Zaledwie pół milisekundy po oświetleniu plamki ocznej pojawiał się impuls elektryczny.

Skąd taka szybkość reakcji?

Jeśli komórka na coś reaguje, dzieje się to najczęściej poprzez pośredniczące w komunikacji białka umieszczone w jej błonie. Hegemann założył zatem, że musi istnieć jakiś kompleks białkowy, który wychwytuje światło, ale jednocześnie jest kanałem dla jonów, które, napływając do komórki, pobudzają jej aktywność elektryczną.

By sprawdzić mechanizm, trzeba „zajrzeć” w jego strukturę. Hegemann próbował zatem wyizolować to hipotetyczne światłoczułe białko, by móc dalej je badać. Z marnym skutkiem.

Z pomocą przyszli mu dopiero badacze japońscy, którzy zmapowali DNA Chlamydomonas i udostępnili zapis jego genów. Wśród nich były dwa, które zaintrygowały zespół Hegemanna. Były bowiem podobne do innych znanych genów białek wychwytujących światło.

Wpuszczeni w kanał

Postęp w sekwencjonowaniu i syntezie genów pozwolił na stworzenie tych białek na podstawie zapisu DNA i sprawdzenie, czym one tak naprawdę są. Hegemann potrzebował jednak wsparcia. Zwrócił się do swojego kolegi Georga Nagela z Instytutu Maxa Plancka.

Badania przeniosły się na żaby. Nagel podał dwa odtworzone geny do dwóch linii komórek jajowych płazów i sprawdzał, co się stanie.

Informacja genetyczna została przepisana na białka, a te powędrowały na powierzchnię komórki, włączając się do struktury błony. Jednak co najważniejsze – reagowały na światło, wzbudzając tym samym impuls elektryczny w komórce.

Na tym etapie naukowcy wiedzieli już, że oto odkryli kanały jonowe, które otwierały się lub zamykały w odpowiedzi na światło. Białka te nazwano odpowiednio rodopsyną kanałową-1 i rodopsyną kanałową-2.

Nie było to jednak odkrycie, które kończyło się na poznaniu mechanizmów życia pojedynczej algi. To była czająca się za rogiem rewolucja jednej z kluczowych dziś dziedzin biologii: neurobiologii.

Pstrykający neuronami

Co ma glon do mózgu? Okazało się, że bardzo wiele. Geny z algi udało się bowiem wprowadzić do ludzkich komórek, które wystawione na działanie światła, wytwarzały sygnał elektryczny.

To zaś otwierało drogę do jeszcze bardziej interesujących badań. Jak działają poszczególne sieci neuronalne w mózgu? Postawiono akurat na neurony, ponieważ to komórki elektrycznie pobudliwe, zdolne do przetwarzania i przewodzenia informacji w postaci sygnału elektrycznego. Gdyby udało się sterować włączeniem i wyłączeniem tego sygnału, naukowcy wreszcie mogliby zajrzeć do mózgu i zobaczyć, co w nim szwankuje u osób z depresją, zaburzeniami autystycznymi czy schizofrenią.

Na to liczył kolejny badacz: Karl Deisseroth, neurobiolog i psychiatra. Neurony mają dwa stany – albo są pobudzone i przekazują sygnał, albo nie. Zatem to m.in. od ich aktywności zależą takie rzeczy jak nasz nastrój czy zachowanie. Zaburzenia w tej aktywności mogą zaś prowadzić do chorób.

W tym momencie na scenę wkroczyły szczury. Deisseroth wprowadził geny rodopsyny do hodowanych na szalkach komórek nerwowych tych gryzoni. Obcy gen bez problemów zaczął wytwarzać kanałorodopsynę-2, a kiedy zespół poddał komórki nerwowe działaniu niebieskiego światła, zareagowały one natychmiast. Pojawił się sygnał nerwowy, który mógł być przekazywany do innych komórek nerwowych.

Tak powstała optogenetyka, czyli połączenie metod genetycznych i optycznych, służące aktywacji lub zahamowaniu ściśle określonych procesów w konkretnych komórkach żywej tkanki.

Sterujący nagrodami

Optogenetyka wywodzi się z neuronauki, ale dziś odpowiada na znacznie szerszą, do tej pory niezaspokojoną potrzebę nauki: monitorowania określonych procesów w konkretnych typach komórek i w ściśle określonym czasie.

Uzyskanie precyzyjnej kontroli nad przyczyną i skutkiem w nienaruszonych układach – takich jak organizmy ssaków – jest w biologii niezwykle istotne.

Ludzki mózg jest wciąż bardzo tajemniczym narządem, wiele zagadek jego działania wciąż jest nierozwiązanych. Dzięki optogenetyce naukowcy mogą teraz precyzyjnie ustalić, które komórki nerwowe odpowiadają za poszczególne funkcje mózgu. Odkryto np. obwody neuronalne sterujące odczuwaniem bólu, zachowaniami społecznymi, pragnieniem, przyjmowaniem pokarmu, odczuwaniem nagrody oraz uwagą. Uczeni znaleźli również komórki nerwowe odpowiedzialne za różnorodne procesy – od regulacji rytmu dobowego po wywoływanie gorączki w odpowiedzi na aktywację układu odpornościowego.

Optogenetyka pozwoliła też naukowcom „dobrać się” do bardziej złożonych zachowań, takich jak opieka myszy nad potomstwem. Odkryto, że poszczególne elementy takiego behawioru mogą być kontrolowane przez odrębne obwody neuronalne. Jeden z nich odpowiada na przykład za gromadzenie młodych w gnieździe, a inny reguluje sposób, w jaki myszy je pielęgnują.

– Optogenetyka to narzędzie, które przybliża nas do lepszego zrozumienia funkcjonowania mózgu, a przede wszystkim do zrozumienia mechanizmów stojących za jego chorobami. Każde takie osiągnięcie jest warte docenienia i myślę, że Komitet Noblowski takim spojrzeniem się kierował – mówi dr hab. Jakub Drożak, biochemik z Uniwersytetu Warszawskiego. I dodaje: – Te odkrycia się jeszcze nie przekładają na terapię, ale żeby móc leczyć, musimy poznać funkcjonowanie mózgu albo innych narządów i zrozumieć, jaki jest mechanizm zaburzeń w chorobach. Jeżeli go nie znamy, wtedy terapia jest jedynie objawowa, a nie przyczynowa. Mam nadzieję, że optogenetyka pozwoli nam na poznanie mechanizmów chorób neurodegeneracyjnych czy neurologicznych, co przełoży się na możliwość opracowania nowych terapii.

Dr hab. Anna Malik, neurobiolożka z UW, badająca molekularne podstawy chorób mózgu: – To nagroda za narzędzie, które jest bardzo powszechnie używane w badaniach nad funkcjonowaniem mózgu i bardzo się cieszę, że Komitet Noblowski je docenił. Optogenetyka to już ugruntowane narzędzie dające nam możliwość pobudzenia wybranych neuronów w czasie rzeczywistym i obserwowania tego, jak mysz zachowuje się po takiej aktywacji. To przyniosło bardzo wiele odkryć, np. na temat tego, jak sterowane są odczucia lęku u zwierząt – czyli też u nas – albo jak działa układ nagrody w mózgu. Myślę, że każdy, kto zajmuje się w jakimkolwiek aspekcie neurobiologią, zetknął się z tym narzędziem i z jego zastosowaniami.

Badaczka dodaje, że sam Komitet Noblowski w swojej prezentacji podkreślił możliwe zastosowania tej metody w chorobach neurodegeneracyjnych. – Stoi za tym dość prosty koncept, że jeżeli jakieś neurony w mózgu nie działają, co sprawia, że rozwija się choroba, to być może ich pobudzenie pozwoli nam znieść jej objawy. To jednak dość odległa przyszłość, ponieważ trzeba pamiętać, że aby zastosować to narzędzie, musimy mieć dwa komponenty. Nazywamy to optogenetyką – „opto” od światła, które musimy dostarczyć, „genetyką” od tego, że musimy narzędziami inżynierii genetycznej wprowadzić sekwencję kodującą określone białka. U myszy jest to jak najbardziej możliwe. Wytwarzamy szczepy transgeniczne, które te białka produkują w danych komórkach i możemy wprowadzić światłowód, który będzie świecił światłem na poszczególne neurony. U człowieka nie jest tak prosto. To zadanie dla kolejnych badaczy: jak wykorzystać tę metodę do terapii ludzkiego mózgu. I nic nie jest niemożliwe – podsumowuje neurobiolożka.

– Ta technologia ma wiele ograniczeń, z którymi sobie jeszcze na tym etapie nie radzimy – dodaje dr n. med. Bartłomiej Kisiel, kierownik Centrum Wsparcia Badań Klinicznych Wojskowego Instytutu Medycznego. – Poza tym terapia musi być przede wszystkim bezpieczna. Ostatecznie jest to jednak narzędzie o bardzo dużym potencjale. Ostatecznie chcielibyśmy selektywnego włączania bądź wyłączania określonych komórek, by uzyskać pożądany przez nas efekt, np. zniesienie objawów choroby. Na razie to jest wspaniałe narzędzie do tego, żeby poznawać fizjologię i patofizjologię układu nerwowego.

Badacz stwierdza, że jeśli chodzi o terapię, zapewne najszybciej wykorzysta to okulistyka. – Jest to technologia, która potencjalnie mogłaby być szansą dla ludzi, którzy utracili wzrok, albo którzy mają bardzo poważne uszkodzenie wzroku. Z uwagi na to, że oko naturalnie przepuszcza światło, nie trzeba go światłowodami transportować do wnętrza organizmu.

Łapiący na gorąco

Jak zaś uważa sam Karl Deisseroth, optogenetyka mocno wykracza już poza neurobiologię. Przeprowadzono eksperymenty, które otworzyły drogę do zastosowania tego narzędzia w praktycznie każdej komórce i tkance, niezależnie od tego, czy są one pobudliwe elektrycznie, czy też nie.

Optogenetykę wykorzystano m.in. do badań komórek glejowych, mięśniowych, kardiomiocytów oraz embrionalnych komórek macierzystych. Znaczenie tego narzędzia badawczego stale i szybko rośnie. Najbardziej fundamentalny jego wpływ – także na zdrowie ludzi – nie wynika z bezpośredniego wprowadzania opsyn do ludzkich tkanek, lecz z jego wykorzystania do zrozumienia złożonego funkcjonowania tkanek, co już się stało w przypadku choroby Parkinsona.

„Ze względu na ograniczenia technologiczne w badaniu nienaruszonych obwodów neuronalnych z precyzją na poziomie komórkowym, nasza obecna wiedza o zaburzeniach pracy mózgu nie w pełni oddaje jego naturę jako szybkiego obwodu komórkowego – pisał Deisseroth. – Zamiast postrzegać mózg jedynie jako mieszaninę neuroprzekaźników, dążymy do przyjęcia podejścia opartego na inżynierii obwodów. W takim ujęciu przyjmuje się, że wyniszczające objawy chorób są przyczynowo powiązane ze specyficznymi, nieprawidłowymi wzorcami aktywności obwodów w obrębie określonych populacji neuronów. Brakowało jednak technologii, która mogłaby złapać te procesy »na gorąco«. Choć optogenetyka pozwala sprostać temu wyzwaniu, pozostaje jeszcze wiele do zrobienia. W tym dalszy rozwój narzędzi optogenetycznych, udoskonalanie inżynierii molekularnej oraz opracowywanie tzw. strategii celowania (zarówno świetlnego, jak i genetycznego) dla różnorodnych układów biologicznych i modeli zwierzęcych”.

Laureaci Nagrody Nobla z fizjologii lub medycyny

Karl Deisseroth

Urodzony: 18 listopada 1971 r.

Afiliacja: Howard Hughes Medical Institute, USA; Stanford University

Pierwsza rozmowa z laureatem

Karl Deisseroth: Halo?

Adam Smith: Dzień dobry, czy rozmawiam z Karlem Deisserothem?

Tak, przy telefonie.

Dzień dobry, mówi Adam Smith z portalu Nagrody Nobla w Sztokholmie. Przede wszystkim serdecznie gratuluję.

Dziękuję. To ogromny zaszczyt. Nie spodziewałem się tego wyróżnienia. Jestem za nie głęboko wdzięczny.

Telefon zastał pana w środku nocy. Co pan robił, kiedy zadzwonił?

Zwykle pracuję do późna. Pisałem artykuł naukowy i dopiero co poszedłem się położyć, gdy zadzwonił telefon. Jestem nocnym markiem, więc jeszcze nie spałem. Teraz chyba długo nie będę mógł zasnąć.

Wyobrażam sobie, że potrzebuje pan snu, bo ma pan tyle obowiązków. Prowadzi pan badania, uczy studentów, przyjmuje pacjentów i zajmuje się rodziną.

Tak, zgadza się. Dzieci jeszcze śpią. Przede wszystkim to one potrzebują snu, nawet bardziej niż ja. Trudno pogodzić te wszystkie obowiązki, ale dają też wiele radości.

Oby więc dzieci przespały noc, a przynajmniej jeszcze trochę pospały. Choć przypuszczam, że wkrótce zaczną pojawiać się goście. Jak pana zdaniem będzie wyglądała reszta tej nocy?

Pozwolimy dzieciom spać, a ja znajdę chwilę spokoju, żeby pomyśleć o całej pracy, którą wykonaliśmy. O wszystkich młodych badaczach, pracownikach i współpracownikach na całym świecie, którzy tak wiele do niej wnieśli. Będę myślał o nich z wdzięcznością za to, co wspólnie zrobiliśmy. To chwila, żeby odetchnąć, przypomnieć sobie przebytą drogę, a potem zastanowić się nad przyszłością i nad tym, co możemy jeszcze osiągnąć.

Optogenetyka to niezwykła metoda. Pozwala pobudzać i hamować aktywność komórek nerwowych w żywych organizmach, dzięki czemu odkrywamy najróżniejsze zależności. Czy mógłby pan podać swój ulubiony przykład? Coś, co teraz rozumiemy, a czego wcześniej nie mogliśmy zrozumieć?

W badaniach układu nerwowego i złożonych układów biologicznych ogromne znaczenie ma możliwość precyzyjnego sprawdzania, co się dzieje, gdy wzmacniamy albo znosimy określoną funkcję. Teraz możemy z taką dokładnością wpływać na aktywność konkretnych komórek, nawet u żywych zwierząt.

Jednym z moich ulubionych przykładów z ostatnich lat jest badanie, w którym mogliśmy precyzyjnie sterować rytmem serca i sprawdzać, jak różne tempo jego pracy wpływa na działanie mózgu. Badaliśmy więc przekazywanie sygnałów z ciała do mózgu. Dzięki dokładnej kontroli pracy narządu poza mózgiem mogliśmy obserwować jej wpływ na mózg i zachowanie, w tym na złożone procesy podejmowania decyzji i zjawiska związane z zaburzeniami neuropsychiatrycznymi.

Możemy zatem precyzyjnie zmienić działanie jednego narządu, a następnie zmierzyć skutki tej zmiany i obserwować wynikające z niej złożone zachowania. Badacze od dawna chcieli mieć możliwość wprowadzania takich kontrolowanych zmian: na tyle dokładnych, by ustalać związki przyczynowe i uzyskiwać miarodajne odpowiedzi.

Pytań jest mnóstwo, zarówno w badaniach podstawowych, jak i w dociekaniach nad tym, co przestaje prawidłowo działać w chorobie. Dla mnie, jako psychiatry, to również bardzo ważne. Wydaje się, że wreszcie jesteśmy bliscy wyjaśnienia wielu tajemnic.

Jest pan psychiatrą i nadal przyjmuje pacjentów.

Tak.

Co daje panu i pana pracy kontakt z ludźmi cierpiącymi na różne choroby psychiczne?

Dzięki niemu wciąż dostrzegam coś nowego i lepiej rozumiem, co naprawdę jest ważne dla ludzi, zwłaszcza tych, którzy najbardziej potrzebują pomocy i których inni najmniej rozumieją.

Kiedy przyjmuję pacjentów, słucham, jak własnymi słowami próbują opisać swoje przeżycia – te odmienne stany psychiczne, które tak bardzo utrudniają im życie i odbierają siły. Wiem, że trudno je wyrazić nawet osobom, które ich doświadczają, a często niezwykle trudno je również badać.

Poznawanie tego, co naprawdę ma znaczenie dla pacjentów, nieustannie pomaga mi planować doświadczenia w laboratorium i rozmawiać ze studentami. Dzięki temu potrafię im przekazać, co jest naprawdę istotne w tych zmianach funkcjonowania ludzkiego mózgu.

Wiem, że bardzo zależy panu na przybliżaniu tych zagadnień społeczeństwu. Osoby z chorobami psychicznymi wciąż spotykają się z napiętnowaniem, co jest krzywdzące. Nagroda Nobla daje chyba większe możliwości, żeby temu przeciwdziałać.

Myślę, że zdecydowanie może w tym pomóc i że tak właśnie się stanie. Staram się też wyjaśniać, że w każdym zaburzeniu psychicznym objawy mogą występować w różnym nasileniu, a niektóre cechy tych odmiennych stanów psychicznych mają głębokie korzenie w dziejach naszej ewolucji.

Stany te występują dlatego, że pewne ich cechy albo geny, które się do nich przyczyniają, na jakimś etapie pełniły określoną funkcję i przynosiły korzyść. Chodzi o głębsze i szersze zrozumienie całej historii człowieka i naszej ewolucji, o dostrzeżenie, jak w dziejach ludzkości splatają się wpływy genów i doświadczeń.

Możemy o tym opowiadać, żeby pomagać ludziom lepiej rozumieć siebie nawzajem. Ludzie cierpią i nie znajdują słów, by wyrazić to, co się z nimi dzieje. Kiedy uwzględnimy te szersze uwarunkowania, łatwiej nam zrozumieć ich doświadczenia. Mam nadzieję, że dzięki temu będzie więcej empatii i zrozumienia.

To ważne i pięknie powiedziane. Bardzo dziękuję za rozmowę.

Ja również dziękuję. Do widzenia.

Do widzenia.