Оптогенетика позволяет управлять активностью нервных клеток с помощью света
Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2026 года получили американский учёный Карл Дейссерот (Karl Deisseroth) и немецкие исследователи Петер Хегеман (Peter Hegemann) и Георг Нагель (Georg Nagel). Их открытия позволили создать оптогенетику – технологию, с помощью которой исследователи могут управлять активностью определённых нервных клеток при помощи света.
Решение 5 октября объявила Нобелевская ассамблея Каролинского института. Официальная формулировка награды – «за открытия, касающиеся светоуправляемых ионных каналов и оптогенетики».
Если говорить совсем просто, оптогенетика дала учёным своеобразный «пульт управления» нервными клетками. Исследователи могут сделать определённые клетки чувствительными к свету, а затем с помощью световых импульсов управлять их активностью. Это позволяет не только наблюдать за работой мозга, но и гораздо точнее понимать, какие группы нервных клеток отвечают за движение, зрение, память, эмоции и другие функции организма.
В перспективе эта технология может помочь в разработке новых методов лечения заболеваний, связанных с нарушением работы нервных клеток и нейронных цепей. Оптогенетические подходы исследуются, в частности, применительно к болезни Паркинсона, эпилепсии, нарушениям зрения, последствиям инсульта и некоторым психическим расстройствам. Наиболее заметное продвижение к практическому применению произошло в области восстановления зрения: экспериментальные оптогенетические методы уже изучаются с участием людей. Однако для большинства заболеваний речь пока идёт о научных и доклинических исследованиях, поэтому говорить об оптогенетике как о готовом способе их лечения преждевременно.
Как объясняет NobelPrize.org, в основе оптогенетики лежат светочувствительные белки, способные под воздействием света открывать ионные каналы в клеточной мембране и тем самым влиять на электрическую активность клетки. История открытия началась с изучения одноклеточных зелёных водорослей, способных реагировать на свет.
От зелёной водоросли к управлению нейронами
Одним из ключевых объектов исследований стала одноклеточная зелёная водоросль Chlamydomonas reinhardtii, способная ориентировать своё движение в зависимости от направления света.
Петер Хегеман в течение многих лет изучал молекулярные механизмы светочувствительности микроорганизмов. В начале 2000-х годов совместная работа его группы с Георгом Нагелем позволила установить, что обнаруженные у Chlamydomonas reinhardtii родопсины представляют собой непосредственно управляемые светом ионные каналы. Они получили название каналродопсинов (channelrhodopsins).
В 2002 году в журнале Science была опубликована работа «Channelrhodopsin-1: a light-gated proton channel in green algae» – «Каналродопсин-1: светоуправляемый протонный канал зелёных водорослей». Среди её авторов были Георг Нагель и Петер Хегеман.
Исследователи показали, что Channelrhodopsin-1 (ChR1) представляет собой управляемый светом ионный канал, избирательно проницаемый для протонов.
Следующий важный результат появился в 2003 году. В журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) была опубликована работа «Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel» – «Каналродопсин-2 – непосредственно управляемый светом катион-селективный мембранный канал».
Исследователи показали, что Channelrhodopsin-2 (ChR2) представляет собой непосредственно активируемый светом ионный канал, проницаемый для катионов. Эксперименты также продемонстрировали, что с помощью ChR2 можно вызывать деполяризацию клеток простым воздействием света.
Как свет стал «переключателем» нервных клеток
Следующим принципиальным шагом стало использование Channelrhodopsin-2 для управления активностью нейронов.
В 2005 году Эдвард Бойден (Edward Boyden), Фэн Чжан (Feng Zhang), Эрнст Бамберг (Ernst Bamberg), Георг Нагель (Georg Nagel) и Карл Дейссерот (Karl Deisseroth) опубликовали в журнале Nature Neuroscience работу «Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity» – «Генетически направленное оптическое управление нейронной активностью с миллисекундной точностью».
Используя доставку гена Channelrhodopsin-2 (ChR2) с помощью лентивирусного вектора и световые импульсы, исследователи показали, что активностью нейронов млекопитающих можно управлять с миллисекундной точностью. Они смогли контролировать генерацию нервных импульсов, а также возбуждающую и тормозную синаптическую передачу.
Сочетание генетического воздействия на определённые клетки с их последующим управлением с помощью света стало основой оптогенетики. Генетические методы позволяют обеспечить образование светочувствительных белков в определённых типах клеток, после чего их активностью можно управлять светом. Такой подход даёт исследователям возможность избирательно воздействовать на определённые группы нервных клеток и изучать их роль в работе нейронных цепей и поведении организма.
Почему открытие изменило нейробиологию
До появления оптогенетики исследователям было значительно сложнее устанавливать причинно-следственную связь между активностью определённых типов нервных клеток и конкретными функциями мозга.
Оптогенетика дала возможность с высокой временной и пространственной точностью активировать определённые группы нейронов и наблюдать, как это влияет на работу нервных цепей и поведение. С помощью этого метода исследователи изучают нейронные механизмы, связанные с движением, восприятием, памятью, мотивацией и другими функциями нервной системы.
Сегодня оптогенетика широко используется как исследовательский метод в нейробиологии. Одновременно изучаются возможности её применения в медицине, в том числе для восстановления утраченных функций нервной системы.
Некоторые оптогенетические подходы уже дошли до клинических исследований. В частности, в 2021 году исследователи сообщили о частичном восстановлении зрительной функции у пациента с пигментным ретинитом после экспериментальной оптогенетической терапии. Однако широкое клиническое применение технологии по-прежнему требует дальнейших исследований.
Кто получил Нобелевскую премию
Карл Дейссерот – американский нейробиолог, биоинженер и практикующий психиатр, обладатель степеней MD и PhD. Он является профессором биоинженерии, психиатрии и поведенческих наук Стэнфордского университета, а также исследователем Медицинского института Говарда Хьюза. Лаборатория Дейссерота разработала и развивала методы оптогенетики и способствовала их распространению среди исследовательских лабораторий по всему миру.
Петер Хегеман – немецкий биофизик, профессор экспериментальной биофизики Берлинского университета имени Гумбольдта. Значительная часть его научной работы посвящена светочувствительным белкам микроорганизмов. Исследования Хегемана и его коллег, в том числе работы по изучению каналродопсинов, заложили молекулярную основу для развития оптогенетики.
Георг Нагель – немецкий биофизик, более 20 лет проводивший исследования в Вюрцбургском университете. С 2004 по 2021 год он был профессором молекулярной физиологии растений, после чего до конца июня 2026 года работал senior professor в Институте физиологии Вюрцбургского университета. Нагель участвовал в открытии и изучении Channelrhodopsin-1 и Channelrhodopsin-2, ставших основой для развития оптогенетических методов.
Размер Нобелевской премии по физиологии и медицине 2026 года составляет 12 млн шведских крон. Награду разделят между тремя лауреатами.
Сообщает МИА «Ratel Media» со ссылкой на официальный сайт Нобелевской премии.
